0. 引言
7xxx系鋁合金具有高比強度、高比剛度以及良好的低溫力學性能,廣泛用于航空航天領域[1-3]。隨著航天裝備的不斷大型化和輕量化,7xxx系鋁合金構件普遍呈尺寸規格大、形狀復雜、薄壁弱剛性等結構特點,在加工和使用中易產生強烈的殘余應力效應,從而出現機械加工變形、熱處理開裂、存儲及服役中尺寸精度下降等問題。這些由殘余應力引發的問題不僅影響產品的加工質量,還可能導致失效。因此,如何有效調控制造過程中的殘余應力成為亟待解決的關鍵難題。
熱處理是調控殘余應力的有效手段之一,其核心在于通過精確控制加熱和冷卻過程來調整金屬內部的應力狀態,常見方法包括淬火、冷熱循環處理、深冷處理、時效去應力處理等。淬火處理的原理是通過改善構件冷卻過程溫度場不均勻性來降低熱應力,不同的淬火介質、介質溫度和淬火方式等對殘余應力的影響各不相同,選擇合適的淬火參數至關重要；冷熱循環處理的原理是通過交替的加熱和冷卻過程逐步釋放材料內部殘余應力,其優勢在于可以在釋放應力的同時提高材料的尺寸穩定性；深冷處理通過將淬火態鋁合金置于極低溫度下使其快速上坡升溫誘發塑性變形來調整內部應力狀態,其關鍵在于最大限度地提高冷熱溫差并加劇上坡溫度場不均勻性；時效去應力處理一般通過長時間自然時效或人工加速時效來調控殘余應力,其操作簡便,但調控效果受材料成分和初始應力狀態的影響較大。
不同的熱處理方法各有優勢和局限性,為了給相關研究人員提供參考,作者通過調研國內外研究文獻并結合團隊近年來研究成果,系統總結了淬火、冷熱循環處理、深冷處理、時效去應力等熱處理方法在調控航天高強度7xxx系鋁合金殘余應力方面的研究進展。
1. 淬火處理
高強度7xxx系鋁合金大規格復雜構件的生產,多采用“厚大坯材→粗加工→固溶→淬火→時效→精加工”制造流程。其中,淬火通過快速冷卻來固定合金中的溶質元素以獲得高的過飽和度,但快速不均勻的冷卻也導致了殘余應力產生。淬火過程中殘余應力的產生與介質溫度、介質種類以及淬火方式3個主要因素有關,這些因素的共同作用決定了材料內部殘余應力的大小和分布情況。
1.1 介質溫度
7xxx系鋁合金淬火過程主要包括蒸汽膜階段、沸騰階段和對流階段3個階段。在蒸汽膜階段,材料表面被一層蒸汽膜覆蓋,熱傳遞效率低下,冷卻速率較慢；在沸騰階段,蒸汽膜破裂,材料表面直接與水接觸,迅速發生熱量交換和冷卻；在對流階段,熱傳遞主要通過水流對流進行,冷卻速率相對平穩。通過調控介質溫度來減小殘余應力的機制為增加蒸汽膜階段穩定性,抑制沸騰階段出現,減緩冷卻速率,均勻溫度場。
水由于具有廉價、易獲得、無污染等優點,成為7xxx系鋁合金最常用的淬火介質,實際生產中大多通過調節水溫來控制材料冷卻速率,從而實現對淬火殘余應力的控制[4]。ROBINSON等[5]研究發現,相較于冷水（小于20℃）淬火,使用60℃水淬火后7449鋁合金的殘余應力降低了約35%,而強度僅輕微降低,使用100℃沸水淬火后殘余應力降低了90%以上,但同時強度也明顯降低。這表明適度提高水溫可以在不過度犧牲材料強度的前提下,有效減小殘余應力。JEANMART等[6]研究發現,與20℃水淬相比,80℃水淬后7075鋁合金70mm厚板表面最大殘余壓應力和心部最大殘余拉應力的降幅均達到了60％。李亞楠等[7]研究發現,隨著淬火水溫從20℃逐步提升至80℃,7055鋁合金板材的殘余應力雖仍保持外壓內拉的分布特征,但其大小顯著降低,降幅達到69%。噴射成形7055鋁合金在航天領域的應用日益廣泛,但是在制造過程的淬火階段產生了殘余應力,極易引發構件變形或開裂。針對該問題,研究人員開展了大量的研究。聞強苗等[8]研究發現：用室溫（25℃）水淬火后,噴射成形7055鋁合金表面存在嚴重的殘余壓應力,縱向和橫向殘余壓應力最大值分別達到352,302MPa；將淬火水溫提高至60,80℃后,縱向殘余壓應力最大值分別降低了14%和25%,橫向殘余壓應力最大值分別降低12%和31%；提高淬火水溫對合金雙級時效硬化行為及T74時效態拉伸性能無明顯影響,可以在不犧牲材料性能的前提下優化殘余應力。姜建堂等[9]研究發現,噴射成形7055鋁合金經20℃水淬時開裂敏感區溫度迅速降低,熱致拉應力在極短時間內達到峰值210MPa,而經80℃水淬時開裂敏感區的溫度降低較慢,最大拉應力僅為125MPa,這表明提升淬火水溫可以有效降低應力集中,從而減少由殘余應力導致的開裂問題。
根據不同的鋁合金成分和構件規格,選擇合適的水溫進行淬火是至關重要的,適度提高水溫可以有效減小殘余應力,但過高的水溫可能會導致材料強度下降[10-11]。
1.2 介質種類
鋁合金熱處理生產中常用的淬火介質包括水、鹽水（NaCl溶液）、聚乙二醇聚合物（PAG）溶液等[12]。其中：水是最常用的淬火介質,具有小黏度和大比熱容,能夠提供較高的冷卻能力,但同時可能導致大的殘余應力和變形量；鹽水能在合金表面形成蒸汽膜的同時析出鹽晶體,導致蒸汽膜不斷破裂,從而提高冷卻能力,但由于冷卻速率過快,可能導致殘余應力過大；PAG溶液在高溫下脫溶PAG聚合物,可以在合金表面形成減緩冷卻速率的膜,與水淬相比,PAG溶液淬火可以使材料溫度場更均勻,從而降低殘余應力。ROBINSON等[13]研究發現,室溫條件下,用含體積分數16%~30% PAG溶液淬火后7449鋁合金的殘余應力相比水淬后更小。周峻峰等[14]研究了7050鋁合金鍛件在不同淬火介質下的殘余應力,結果表明：殘余應力由高到低依次為質量分數10% NaCl溶液、水、體積分數5%~40% PAG溶液；隨著PAG體積分數增加,殘余應力減小。李亞楠等[7]研究發現,相較水淬,體積分數5% PAG溶液淬火后,7055鋁合金厚板的最大殘余應力降低約26.7%。曹海龍等[15]研究發現,隨著PAG體積分數由5%增加至15%,7055鋁合金厚板縱向和橫向殘余應力分別降低約52%,47%。
淬火介質的選擇對鋁合金殘余應力有著重要影響。綜合現有研究來看,與常規水淬相比,鹽水淬火雖然能夠提高冷卻速率,但同時也會導致更高的殘余應力。PAG溶液淬火能夠降低殘余應力,改善其分布均勻性,并且調控效果和安全性較高,獲得了廣泛的關注和快速推廣應用。
1.3 淬火方式
目前,鋁合金構件在進行固溶處理時常用的淬火方式包括浸沒淬火和噴淋淬火兩種。浸沒淬火通過將加熱的鋁合金構件直接浸入冷卻介質（通常是水）中進行冷卻,這種方法傳熱效率相對較高,能夠較快將鋁合金冷卻,從而固定過飽和固溶體狀態；噴淋淬火通過對鋁合金構件表面噴淋冷卻介質來進行冷卻,這種方法冷卻速率相對較低,但可以通過調節噴淋參數來控制冷卻過程,更能適應復雜形狀或大型構件的淬火需求。
龔海等[16]研究了噴淋、浸沒兩種淬火方式對7075鋁合金板材殘余應力的影響,結果表明：淬火試樣的殘余應力均呈外壓內拉狀態,浸沒淬火試樣的最大殘余壓應力和拉應力分別為130,90MPa,分別比噴淋淬火試樣高出60%和74%；采用噴淋淬火時板材表層和心部溫差較小且較為穩定,說明噴淋淬火過程中板材不同位置溫度梯度較小,有效抑制了殘余應力的產生。李淑明等[17]研究發現,相比浸沒淬火,不同水溫下噴淋淬火后7075鋁合金板材的殘余應力降低了36%~42%。LI等[18]研究發現,噴淋淬火7055鋁合金板材的殘余應力相較浸沒淬火明顯降低,且隨著噴淋流量減小,殘余應力逐漸降低。
綜合來看：浸沒淬火由于冷卻過程中溫度場相對不均勻可能導致一些大型或復雜形狀的部件產生較大的殘余應力,而噴淋淬火可以減小因較大的溫度梯度而引起的殘余應力增加和材料變形；噴淋淬火由于水流降低了沸騰階段換熱能力,整體冷卻速度一般會低于浸沒淬火,從而在一定程度上降低材料力學性能,具體取決于實際淬火參數；浸沒淬火操作簡單,適用于大部分的標準熱處理,噴淋淬火需要控制噴淋系統各項參數,操作相對復雜,但能更精確地控制淬火過程；浸沒淬火更適合小型到中型構件的熱處理,噴淋淬火更適合大型、結構復雜或具有特殊要求的構件。因此,需要從構件的應用場合與性能要求、尺寸與形狀、材料特性與熱處理參數的匹配等方面綜合考慮來選擇合適的淬火工藝。
2. 冷熱循環處理
冷熱循環處理是高強度鋁合金精密構件常用的一種去應力、穩定尺寸的熱處理方法,通過將構件暴露在極端的高溫和低溫環境下使材料產生不均勻熱脹冷縮,從而產生局部的微塑性變形,這種變形有助于釋放累積的殘余應力；此外,微塑性變形還會導致可動位錯的移動和固定位錯的纏結、增殖,這可以抑制材料進一步的變形,從而提高構件的尺寸穩定性。
黃樹海等[19]研究發現：7A04鋁合金錐形件經145℃×17h的時效處理后,殘余應力呈外壓內拉狀態,最大殘余壓應力和拉應力分別出現在外表面和心部,切削加工后的大端口部圓度變化量為0.06~0.10mm；時效后進行兩次−140℃×0.8h + 120℃×2h冷熱循環處理,殘余應力分布狀態未變,但應力水平大幅降低,小端心部殘余拉應力最大值由240.8MPa降低至110.6MPa,大端口部圓度變化量基本控制在0.04m以內,尺寸穩定性明顯提高。康鳳等[20]研究發現：對7A09-T6鋁合金長條構件進行兩次−140℃×1.2h + 120℃×3h冷熱循環處理后,表層殘余應力明顯下降,最大殘余壓應力由132MPa降低至84MPa,同時產品尺寸穩定性大幅提高,加工后變形率穩定控制在1.2×10−3。
冷熱循環處理是減輕或消除殘余應力的有效方法之一,雖然存在諸如設備要求高、操作復雜、處理時間長等局限性,但其能通過調整循環參數來優化處理效果,從而滿足嚴格的航天應用標準,在先進材料處理領域占有重要地位。
3. 深冷處理
深冷處理,又稱“上坡淬火”,通過將淬火后材料迅速轉移至液氮中冷透,隨后快速加熱來抵消淬火引起的殘余應力。其核心在于利用材料上坡升溫過程中表層與心部溫度梯度產生的熱應力誘發塑性變形,從而松弛淬火殘余應力。
研究[21-23]表明,為提升深冷處理對殘余應力的釋放效果,低溫處理階段建議選用盡可能低的溫度,高溫處理階段應盡可能的快速升溫,以使整個深冷過程的溫度梯度最大化。ROBINSON等[12]研究發現,7050鋁合金鍛件在−196℃下低溫處理后置于200℃鹽浴中保溫10min后,其殘余應力最大值相比深冷處理前降低約30%,最小值降低約23%。王秋成等[24]將7050鋁合金板在液氮中進行−196℃深冷處理,再浸入沸水或溫度分別為125,150,175℃的QCW-01高溫有機介質中升溫,結果表明：經不同升溫方式的深冷處理后,合金的殘余應力均降低；相比沸水升溫,利用高溫有機介質升溫的殘余應力釋放效果顯著提升,同時保持良好的力學性能；隨著高溫有機介質溫度升高,殘余應力釋放效果提升,但力學性能會相應降低。
深冷處理通過精確控制溫度變化和處理時間,可以在不犧牲材料其他性能的情況下,通過局部微塑性變形,釋放殘余應力。但是,該技術的關鍵在于通過產生足夠的熱應力引發塑性變形,因此對于一些固溶度高、淬火強度較高的合金材料,深冷處理釋放應力的效果會因為塑性變形難以發生而不明顯[25]。這就要求對不同材料特性有更深入的了解和更精細的工藝調整。
4. 時效去應力
當鋁合金構件經受固溶處理和淬火后,材料的微觀結構處于一種非平衡狀態,在此時施加一道或數道時效去應力工序,可以通過蠕變效應進一步降低殘余應力、減少后續的加工變形量[26]。
BA等[27]研究發現,經T74時效處理后,7175鋁合金圓柱件的橫截面最大殘余拉應力、壓應力均降低30%以上。武泳等[28]研究發現,噴射成形7055鋁合金的殘余應力在120℃時效處理0~4h內快速降低,在4~24h內緩慢降低,24h后穩定在90MPa。黃果等[29]研究發現：噴射成形7055鋁合金構件的殘余應力在160℃時效0~2h內下降明顯,表面殘余應力由220MPa降至170MPa,時效2~40h內下降緩慢,表面殘余應力只小幅降低至150MPa；在時效初期,合金強度較低易發生蠕變,從而釋放部分應力,但隨著時效進行,強化相析出,合金強度提升,蠕變減少,應力釋放速率減慢。SUN等[30]提出一種新的7xxx系鋁合金板多級間斷時效去應力方法：先進行高升溫速率的多次間斷時效處理以降低殘余應力,再進行時效強化處理以保證力學性能。此方法具有良好的去應力效果且保留了高的拉伸強度等力學性能,并且多級間斷時效去應力處理后的殘余應力最大降幅可達83%,遠遠高于常規時效處理后（30%）。對于多級間斷時效去應力,其機理為先快速升溫使外部與心部形成較大溫差,產生反向應力和塑性變形從而釋放淬火殘余應力。因此,升溫速率越快,溫差越大,多次間斷時效去應力效果越顯著。
綜上,時效去應力工藝通過精確控制加熱溫度和保溫時間,有效降低殘余應力,減少加工變形量,且不影響其原有力學性能。
5. 結束語
目前,航天高強度7xxx系鋁合金熱處理殘余應力調控技術主要包括淬火、冷熱循環處理、深冷處理和時效去應力。其中,淬火過程中的介質溫度、種類和淬火方式均影響著殘余應力的產生；冷熱循環處理調控效果好,但操作復雜、時間較長；深冷處理可以在保留其他力學性能的基礎上調控應力,但在一定程度上受材料性能限制；時效去應力通過精確控制參數可以在調控應力的同時提高材料尺寸穩定性。針對研究現狀提出以下問題：
（1）缺乏整體控制策略。當前的熱處理制度優化主要集中于單一工藝,缺乏多道熱處理工藝的協同優化以及涉及熱處理、機械加工等不同工序間的殘余應力整體控制。
（2）新裝備與新工藝發展緩慢。噴淋淬火、電磁加熱等新裝備和新工藝的發展較慢,一定程度上制約了熱處理殘余應力調控技術的創新。
針對這些問題,以提升產品性能和可靠性,滿足航天領域大型復雜構件性能要求為目的,提出未來發展方向,如下：
（1）全流程實施殘余應力預測與控制。未來應重點圍繞“成形—熱處理—機械加工”制造全流程實施殘余應力預測與控制,通過多工序間的協同優化提升殘余應力、力學性能、形位精度綜合調控能力。
（2）新型熱處理技術應用。推動新型熱處理技術的應用,如電磁加熱、噴淋淬火等,以提高殘余應力調控的效果和效率。
通過熱處理調控殘余應力技術的發展和應用,支撐航天高強度7xxx系鋁合金產品的高性能、長壽命、可靠性制造,滿足日益嚴苛的應用需求。
文章來源——材料與測試網