急速冷卻工藝超高強度鋁合金7075, 7050, 7055, 7085, 7060, 7064, 7068, 7072, 7150, 7175, 7475, 7076, 7277, 7178

　　鋁合金具有密度低、比強度高、熱加工性優異、耐腐蝕的特點，廣泛應用于軍、民領域。而超高強鋁合金一般指屈服強度在500MPa以上的鋁合金，常見的就是7XXX系超硬鋁。該系列鋁合金最初是在航空航天的應用背景下研發的，目前已發展成為世界各國軍、民用飛機的主要結構材料，在飛機結構件中占到70-80%比重，并在很多領域替代了昂貴的鈦合金，成為不可缺少的重要輕質結構材料。隨著現代航空航天領域，核工業，交通運輸業的持續發展，對結構件的綜合性能提出了更高的要求，集質輕、高強、高韌、高斷裂韌性、抗應力腐蝕能力于一身的新一代超高強鋁合金無疑是首選方案。因此超高強鋁合金一直是國內外研究開發的熱點。

　　首先，高品質原材料是制備超高強鋁合金的保證。要使用高純度的工業原料，嚴格控制Fe、Si等雜質元素含量，并進行徹底的熔體精煉，將熔體中的氫含量、氧含量和堿金屬控制在較低水平，以提高合金斷裂韌性和疲勞強度。

　　其次，化學元素配比是制備超高強鋁合金的基礎。超高強鋁合金主要添加Zn、Mg、Cu等元素來強化鋁合金。這些合金元素一部分可以固溶入材料基體，使基體強化，稱為固溶強化；另一部分不溶于基體，形成第二相硬質點，稱為第二相強化。然而，這兩種強化方式都是有限制的。隨著合金元素的升高材料強度升高，塑性會迅速降低并發生脆化。目前，唯一既提高鋁合金強度而同時提高塑性、韌性、抗應力腐蝕能力的強化方式是細晶強化。

　　另外，消除鑄造中的冶金缺陷、偏析，細化晶粒，改善合金組織，是制備高強鋁合金的關鍵。傳統鑄造工藝難免會產生各種鑄造缺陷，如氧化物夾雜，宏觀偏析，氣孔，粗大晶粒等，這些缺陷往往會成為裂紋源，大幅降低了鋁合金的斷裂韌性。而超高強鋁合金，由于使用要求苛刻，這些微觀缺陷會對材料造成毀滅性破壞，是要嚴格控制的。

　　此外，超高強鋁合金熱處理技術也對合金的綜合性能影響很大。傳統的T6峰值熱處理可以獲得最高的強度，但是合金的斷裂韌性和抗應力腐蝕性能差；為提高斷裂韌性和抗應力腐蝕能力，采用T73或T76過時效，卻會導致強度損失；采用RRA循環熱處理，可以既具有T6狀態的高強度，又有T73和T76狀態的耐腐蝕性能。因此，超高強鋁合金需采用更先進、科學的制備工藝，而傳統熔鑄工藝嚴重制約其性能。

　　通項公司多年來一直致力于超高強鋁合金的引進和經銷，其生產商Alcoa在噴射成形（又稱噴射沉積）工藝的基礎上進一步優化形成了急速冷卻工藝，成功解決了超高強鋁合金強度低、宏觀偏析嚴重、塑性差三個難題，在大幅度提高強度的同時保持合金具有優良的韌性和抗蝕性。已引進的高強鋁合金牌號有7075, 7050, 7055, 7085, 7060, 7064, 7068, 7072, 7150, 7175, 7475, 7076, 7277, 7178, 7278, 7090等。圖1為通項公司超高強鋁合金管材拉伸斷口的掃描電鏡照片，從圖中可以看到拉伸斷口有數個明顯的韌窩，表明材料韌性良好。急速冷卻工藝生產的超高強鋁合金與常規鑄造的性能對比如表1所示。

圖1 超高強鋁合金拉伸斷口掃描電鏡照片

表1 急速冷卻與常規鑄造性能對比

　　　工藝   抗拉強度MPa   屈服強度MPa   硬度HB   延伸率%   晶粒尺寸μm   偏析   塑性   抗腐蝕能力  

傳統鑄造 7系   480-560      430-470       150      7%-8%       80-300   　嚴重    差        一般  

急速冷卻 7系   680-720      630-680       180      10-12%       3-25  無宏觀偏析 好   是普通7系的3-5倍  

　　由于急速冷卻的工藝特點，大大提高了材料過飽和程度，不僅可以制備現有牌號合金，還可制備遠超國標的更高合金含量、強度更高的鋁合金，如表2所示。

表2 通項超高強鋁合金性能表

　　　材質   　　 　 密度g/cm3   抗拉強度MPa   屈服強度MPa   延伸率%   硬度 HB  

AlZn8Cu2.3Mg2Zr0.12    2.86        685            655          9-11%    195  

AlZn9Cu2.3Mg2Zr0.12    2.87        715            680          8-11%    200  

AlZn10Cu2.3Mg2Zr0.12   2.88        750            715           8-9%    210  

AlZn11Cu2.3Mg2Zr0.12   2.89        780            745           7-8%    215  

AlZn12Cu2.3Mg2Zr0.12   2.9         815            767             6%    220  

　　通項經銷的超高強鋁合金晶粒細小，組織均勻、致密，無宏觀偏析，具有高強、高韌、高斷裂韌性和抗應力腐蝕性能，目前正在應用于航空航天，軍工，機械重工，汽車行業，石油工業，高端體育器械等領域，取得了較好的經濟和社會效益。在當下節能環保的大趨勢下，擁有超高強度和較小密度的超高強鋁合金必定會在更多領域種大放異彩。部分超高強鋁合金實物如圖2所示。

圖2 超高強鋁合金實物