“超大尺寸超高强、高耐蚀铝合金产品产业化关键技术”是由山东裕航特种合金装备有限公司承担的2018年省重点研发计划（重大科技创新工程）项目。

一、项目背景

高强铝合金具有密度低、强度高、加工性能好及焊接性能良好等特点,被广泛应用于航天航空及民用等领域。7055铝合金是新型高强铝合金中的杰出代表,它是在7050铝合金基础上增加Zn和Cu的含量、降低Fe和Si杂质的含量而开发出的一种新型铝合金。7055铝合金是新型高强铝合金中的杰出代表，是目前强度最高的铝合金产品，在航空、高铁领域的应用有良好前景。研究结果表明,7055铝合金比7050铝合金具有更高的强度,同时具有较强的断裂韧性。但因合金含量高、成分及热处理工艺复杂，在大尺寸产品的生产方面存在很大困难。

尽管目前我国也已经开展了7055铝合金的研究，但对7055铝合金的研究尚处于起步阶段，对于这类新型高性能铝合金的熔炼铸造、挤压工艺、热处理时效工艺、检测方法控制等研究仍然十分匮乏。国际上7055铝合金产品研究较深入的是美国，但是已经制定的可参考的国际标准也仅限于横截面积不超过12平方英寸（77平方厘米），圆形尺寸不超过10英寸（254毫米）的范围，对于大截面积的产品研究的较少；国内对7055铝合金产品的研究更是匮乏，存在尺寸稍大点的7055铸棒铸造无法成型、铸造开裂、成分偏析等铸造问题，7055产品无法合格生产交付。为提高7055铝合金应力腐蚀性能而采用的T77热处理工艺，美国现在还处于保密阶段。

二、项目内容

我司成立专门的项目小组，与山东大学开展项目合作，针对目前大尺寸7055铝合金在生产过程中存在的问题，主要从优化合金成分、改善合金组织结构、开发新的热处理制度方面展开研究：

（1）针对7055铝合金合金元素含量高、大尺寸产品铸锭在铸造过程中易于开裂及偏析严重的问题，通过在铸造过程中研究新型细化剂，细化铸造过程的晶粒，降低铸造过程中的成分偏析和开裂倾向。

（2）通过研究铸造工艺对成分偏析的影响，控制熔炼温度、熔炼时间、冷却强度、引入低频电磁搅拌，改进铸造方式，克服成分偏析问题。

（3）对于大尺寸铸锭的均质工艺，采取多级均火的方式改善均火质量及成分偏析，研究均火温度及保温时间对均质化的影响，优化均火工艺。

（4）研究合金中Cu、Mg、Zn等元素对产品导电率的影响，通过金相显微镜、扫描电镜、X射线等分析手段，建立成分与铸锭晶粒度等直接的关联，实现通过导电率间接评估铸锭性能的方法。

（5）针对7055铝合金在传统时效条件下应力腐蚀性能低的问题，研发多级回归时效技术，利用多级回归时效提升材料的抗应力腐蚀性能，发挥材料的最大潜力。

三、主要创新点

（1）通过采用新型细化剂、合理设计铸造工艺、引入低频电磁搅拌，改进铸造方式等，成功解决大尺寸7055铝合金铸锭偏析严重、成型难的问题。预期实现批量生产直径超过515mm的7055铝合金铸锭，这不仅是国内尺寸最大，也远超国际标准；

（2）通过分步均火工艺，解决大尺寸铸锭偏析严重的问题，为以后的时效热处理及挤压工艺奠定基础；7055铝合金为时效强化合金,固溶处理是提高其性能的重要工序之一。合金元素的固溶程度、再结晶程度及晶粒尺寸对后续淬火及时效行为都将产生很大影响,从而影响合金最终的强度、断裂韧性、抗应力腐蚀等性能。

固溶温度的升高可提高合金时效后的硬度和强度,这是因为固溶温度使合金淬火后得到更高的溶质和空位浓度,有利于细小沉淀相均匀弥散析出;但是温度太高会导致伪共晶组织熔化,产生过烧组织。,7055铝合金固溶时,粗大的初生AlZnMgCu相溶解缓慢,并逐渐球化,而初生AlZnMgCuFeTi相几乎不溶解。固溶温度越高(460~480℃),时间越长(0~240min),初生AlZnMgCu相溶解越多,再结晶越多,晶粒尺寸越大。再结晶主要于初始晶界的粗大初生相上形核(PSN机制),并向Al3Zr粒子少的变形晶粒内部长大。逐步升温固溶处理可使最终固溶温度超过多相共晶温度而不产生过烧组织,提高残余可溶结晶相的固溶程度和合金力学性能。

（3）通过采用多级回归时效制度，解决7055铝合金综合性能指标不均匀，单级时效应力腐蚀性能低下的问题；

7055铝合金有一定的淬火敏感性。通过测定时间-温度-硬度(TTP)曲线,获得7055铝合金的淬火敏感温度区间为235~415?,鼻尖温度约为355℃。淬火速率减小会导致7055铝合金的力学性能和晶间腐蚀性能下降,在

Al3Zr粒子和晶界上析出粗大1相,消耗溶质原子,降低固溶体过饱和程度,减少时效过程中强化相的析出,从而降低合金的强度。淬火速率的减小还会导致晶界无析出带变宽,降低合金的塑性和抗晶间腐蚀性能。,当锆含量小于0.1%时,淬火速率的减小将导致晶界析出相粗化和无沉淀析出带宽化,从而降低合金的抗晶间腐蚀能力;当锆含量大于0.1%时,合金晶间腐蚀的淬火敏感性明显减小。该合金较佳的淬火制度为:适当减小高温区间的冷却速率,加大淬火敏感温度区间235~415℃的冷却速率。

（4）通过从熔体成分控制到时效热处理后的铝合金微观解析再到性能的关联研究，建立从熔体成分设计、塑性挤压成型、离线淬火工艺及时效热处理的整体优化设计方法。1.1国内无7055铝合金生产加工、产品综合性能指标的相关国家、行业标准，急需制定相关的行业及国家标准。

（5）国际AMS标准对7055铝合金产品的研究和生产加工、综合性能指标仅限于横截面积不超过12平方英寸（77平方厘米），圆形尺寸不超过10英寸（254毫米）的范围，对于大截面积的产品的研究和标准仍然处于空白，裕航公司已经开始为7055铝合金的生产制定企业标准。

（6）裕航公司的规格型号为50×31.75mm的小尺寸7055铝合金产品已经获得了波音公司的订单，开始批量稳定供货。

（7）根据B/E公司（波音公司在中国的产品认证公司）请求，希望裕航公司提供相关的数据补充大尺寸铝合金生产加工工艺参数来完善AMS标准。

四、项目实施进度

（1）已开展了新型细化剂在7055铝合金铸锭中的应用研究，通过研究表明新型细化剂可有效降低铸锭的晶粒尺寸，降低偏析倾向，避免铸造过程中的开裂；

（2）已开展对大尺寸7055铝合金板材铸造工艺的研究，开展了直径超过515mm的大尺寸7055铝合金铸棒的铸造；

（3）已完成小尺寸7055铝合金（77平方厘米）板材挤压、时效工艺的研究，顺利完成小尺寸7055板材多级时效生产验证，产品已完成试制，达到批量生产供货状态；

（4）已开展对小尺寸7055铝合金(77平方厘米)的多级回归时效工艺研究，该工艺提高7055铝合金的抗应力腐蚀能力显著。

（5）通过引入电磁搅拌技术改善大直径7055铸锭铸造过程中的成分偏析，减少铸造过程中的开裂倾向；

（6）通过对分步均火工艺的研究，开展对大直径7055铝合金铸棒中Zn、Mg、Cu等元素的偏析趋势分析，优化大直径7055铝合金中各元素铸造配比及均火工艺；

（7）在目前完成小尺寸7055板材双级时效生产验证基础上，开展对大尺寸7055铝合金板材挤压、多级时效工艺的研究，实现大尺寸7055铝合金板材批量生产供货；

（8）通过调配合金元素，改变Zn/Mg比例，开展对大截面尺寸7055铝合金板材的晶间腐蚀、剥落腐蚀等方面的研究，结合多级回归时效，进一步提高7055合金抗腐蚀性；

（9）制定大尺寸7055铝合金工业化生产的企业标准、申请相应的行业标准。

五、项目市场前景及潜力

超高强7055铝合金因其卓越的性能，不但作为航空航天材料广泛应用在民航客机、商用飞机，军用飞机上也备受重视，而且对应于我国高铁应用飞速发展的时代，也显示其巨大的应用潜力。仅以民航客机为例，一架空重140吨的B777飞机上铝合金使用的重量占到了总重量的70%，然而由于供货量及产品尺寸限制的问题，7055合金使用的比例不超过20%，因此如果7055更多的关键技术能够得到解决，可进一步扩大其在飞机上的用量，仅波音每年生产的客机600多架。我国的高铁目前已经是世界第一，主要的车体材料已经开始采用铝合金制造，目前使用的有6XXX系列铝合金及7N01铝合金，可以想象如果大尺寸7055铝合金的生产技术得到突破而应用于高铁车体，由于其超高强度而带来的车体减重又可进一步提升高铁的性能。因此其市场潜力巨大，整个7055铝合金潜在的市场规模每年高达上百亿。

未来10年，我国的航空航天、高铁建设将迎来更大的发展机遇，超高强度铝合金产品迎合节能降耗、高效环保的国际趋势，市场需求量巨大，根据国际、国内对该系铝合金产品及国际对超高强度铝合金本体材料的需求，研发新型超高强的7055铝合金本体材料及相应时效工艺迫在眉睫。这是机遇更是动力，利用这种机遇开发具有自主知识产权的7055超高强度铝合金型材，不但能满足国内外航空航天材的需求，更能提升我国在航空航天铝合金方面的国际竞争水平，对推动我国产品的升级换代，从低附加值的产品生产向高端发展具有重要的意义。