DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2015.11.009

双级时效对含Sc的Al-Zn-Mg-Zr合金组织与性能的影响

黄星¹，潘清林¹，李波¹，史运嘉¹，黄志其²，刘志铭²

(1. 中南大学 材料科学与工程学院，湖南 长沙，410083；

2. 广东凤铝铝业有限公司，广东 佛山，528133)

摘要：通过慢应变速率拉伸实验(SSRT)、晶间腐蚀试验、剥落腐蚀实验、室温力学性能测试、电导率测试、维氏硬度测量和透射电子显微分析等手段对2.5 mm厚Al-5.4Zn-2.0Mg-0.25Sc-0.1Zr合金板材在双级时效下的抗应力腐蚀性能(SCC)、抗晶间腐蚀性能(IGC)、抗剥落腐蚀性能(EC)、力学性能、电学性能、显微组织结构及其演变规律进行研究。研究结果表明：合金较适宜的双级时效工艺为120 ℃/6 h+140 ℃/20 h，在此工艺条件下合金的抗拉强度R_m、屈服强度R_p、伸长率A和电导率γ分别为553 MPa，534 MPa，12.0%和22.3 MS/m，双级时效后合金晶内为弥散分布的亚稳定强化相η′-MgZn₂，晶界出现粗大不连续分布的平衡相η-MgZn₂，还伴有明显宽化的无沉淀析出带。与单级峰值时效(120 ℃/24 h)相比，合金晶间腐蚀倾向减小，具有良好的抗剥落腐蚀性能，剥蚀等级为中等剥落腐蚀(EB)级，具有良好的抗应力腐蚀性能。

关键词：Al-Zn-Mg-Zr合金；双级时效；力学性能；腐蚀性能；显微组织

中图分类号：TG146.21             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2015)11-4034-10

Effect of two-step ageing treatment on microstructure and properties of Al-Zn-Mg-Zr alloy containing Sc

HUANG Xing¹, PAN Qinglin¹, LI Bo¹, SHI Yunjia¹, HUANG Zhiqi², LIU Zhiming²

(1. School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;

2. Guangdong Fenglu Aluminium Co.Ltd., Foshan 528133, China)

Abstract: The stress corrosion cracking resistance, intergranular corrosion resistance, exfoliation corrosion resistance, mechanical properties, electrical conductivity and microstructure of Al-Zn-Mg-Zr alloy containing Sc after two-step ageing treatment were investigated by means of slow strain rate tention(SSRT), intergranular corrosion, EC experiments, room temperature tensile test, hardness and electric conductivity measurement, and transmission electron microscopy. The results show that the ultimate tensile strength, yield strength, elongation and electrical conductivity of the alloy are 553 MPa, 534 MPa, 12.0% and 22.3 MS/m, respectively after duplex aging (120 ℃/6 h+140 ℃/20 h). After the two-step ageing treatment, crystal dispersed within the metastable strengthening phases η′-MgZn₂, and grain boundaries are not continuous equilibrium phases η-MgZn₂, accompanied by a certain width PFZ, which reduces the tendency of intergranular corrosion and contributes to an evident improvement in the exfoliation corrosion resistant and stress corrosion cracking resistant, compared with single step aging treatment. The level of exfoliation corrosion is moderate exfoliation corrosion (EB).

Key words: Al-Zn-Mg-Zr alloy; two-step ageing treatment; mechanical property; corrosion resistance; microstructure

含Sc的Al-Zn-Mg-Zr合金是在Al-Zn-Mg中强可焊合金基础上，复合添加Sc和Zr 2种元素研制出来的一种新型高强耐蚀可焊轻质结构材料。该合金具有高强度、高塑性、高韧性和高耐腐蚀性等优良性能，广泛应用于各种飞机结构件和其他要求高的高应力结构件，是目前许多军用民用飞机、交通运输、体育器材等不可缺少的重要结构材料^[1-3]。目前，双级时效工艺是工业生产中合金获得良好的强度、韧性和抗腐蚀性能匹配的主要手段^[4-5]，对常规7系铝合金双级时效制度已进行大量研究，段水亮等^[6]在对7475铝合金双级时效研究中发现预时效对析出相密度具有重要作用。田福泉等^[7]发现7050铝合金两级时效之间处理条件对合金的强度有明显的影响，间断时效和第一级时效后快冷有利于提高合金的强度。许俊华等^[8]探索了不同时效制度下7055铝合金的应力腐蚀行为，发现T6态下合金的抗应力腐蚀性能最差。Chemingui等^[9]发现减缓第一、二级时效间升温速率可以适当提高7020合金力学性能。然而，对于含Sc的Al-Zn-Mg-Zr合金已有的研究主要集中在合金均匀化^[10]、热加工工艺^[11]、腐蚀行为^[12]、焊接工艺和焊接技术^[13]等方面，缺少热处理工艺方面的深入研究。本文作者采用正交试验方案^[14]，研究Al-5.4Zn-2.0Mg-0.25Sc-0.1Zr合金双级时效工艺，分析讨论4种工艺参数(预时效温度θ₁、预时效时间t₁、终时效温度θ₂和终时效时间t₂)对合金组织与性能的影响，制定该合金适宜的双级时效制度，对其影响机理进行探讨，以期完善该合金的性能评价，为该合金在工业生产中的应用提供依据。

1  实验

1.1  材料准备

实验原材料有工业纯铝、纯镁、纯锌以及Al-Cu，Al-Zr，Al-Mn和Al-Sc中间合金，采用半连续激冷铜模铸造工艺制备Al-Zn-Mg-Sc-Zr 合金铸锭，其名义成分如表1所示。熔炼选用高纯石墨坩埚井式电阻炉，熔炼温度为750~780 ℃，精炼温度为720~730 ℃。

铸锭初始厚度为25 mm，经470 ℃/24 h均匀化处理后，经多道次热轧至7 mm，再经多道次冷轧至2.5 mm，随后进行470 ℃/1 h固溶处理。单级峰时效制度为120 ℃/24 h。

1.2  双级时效

设定双级时效工艺4个关键参数：预时效温度θ₁、预时效时间t₁、终时效温度θ₂和终时效时间t₂；根据四因素三水平的正交表，安排正交试验方案。对实验结果进行极差分析，确定最佳双级时效工艺。双级时效后试样进行晶间腐蚀实验、剥落腐蚀实验和慢应变速率拉伸实验。

1.3  性能检测与组织观察

拉伸力学性能实验在MTS-858拉伸试验机上进行，试样均垂直于轧向截取。采用D60K数字金属电导率测量仪对合金进行电导率测定。硬度在401M显微维式硬度计上进行，加载载荷为1 960 mN，加载时间为10 s。TEM在Tecnai G²型分析透射电镜上进行观察，加速电压为200 kV。SEM在飞利浦Sirion 200 扫描电镜上进行观察，加速电压为20 kV。

晶间腐蚀实验根据GB/T 7998—2005进行，试样长×宽为40 mm×25 mm，腐蚀溶液成分为0.5 mol/L NaCl+0.1 mol/L HCl，腐蚀时间为24 h，实验温度控制在(35±1) ℃，腐蚀面与腐蚀溶液的面容比为1/20 cm²/mL。通过金相显微镜测定最大晶间腐蚀深度。

剥落腐蚀实验根据GB/T 22639—2008进行，试样长×宽为30 mm×20 mm，腐蚀溶液(EXCO)成分为4 mol/L NaCl+0.5 mol/L KNO₃+0.1 mol/L HNO₃ (pH=0.4)，腐蚀面与腐蚀溶液的面容比为1/15 cm²/mL，实验温度控制在(25±3) ℃，最长腐蚀时间为48 h。采用高清光学照相机采集同一处理状态下试样在连续浸泡不同时间后的表面腐蚀形貌照片并评定剥蚀等级。

慢应变速率拉伸实验根据GB/T 15970.7—2000标准进行，应力腐蚀试样沿轧制方向取得，采用WDML-1型应力腐蚀试验机进行实验，实验介质为干燥空气和质量分数为3.5% NaCl溶液，应变速率为1.33×10^-6 s^-1和6.66×10^-6 s^-1，实验温度约为35 ℃。

表1  铝合金金名义成分(质量分数)

   Table 1  Nominal composition of aluminum alloy    %

2  实验结果

2.1  正交试验结果与极差分析

合金板材经470 ℃/1 h固溶处理后，以表2所示的正交试验工艺进行双级时效，测得合金室温拉伸力学性能、硬度和电导率。在单级峰值时效工艺(120 ℃/24 h)下，合金的抗拉强度R_m、屈服强度R_p、伸长率A和电导率λ分别为581 MPa，561 MPa，11.1%和19.3 MS/m。Tsai等^[15-16]认为：高强铝合金的抗应力腐蚀能力与电导率有紧密联系，电导率大则合金的抗应力腐蚀能力强，Al-Zn-Mg合金要具有较好的抗应力腐蚀性能，电导率一般要求大于22.04 MS/m，可以通过电导率间接评定合金的抗应力腐蚀性能，该方法在工业上得到广泛应用^[17]。

由表2可知：通过不同时效工艺可获得合金不同的力学性能与抗应力腐蚀性能的组合，而合适的双级时效处理可使合金获得较高强度与良好抗应力腐蚀性能的匹配。对表2中正交试验结果进行极差分析，得到相应力学性能和电导率的平均值，确定主次因素，结果如表3所示。

由表3可知：抗拉强度R_m和屈服强度R_p在变化趋势上有相同规律，随着预时效温度的增加和终时效时间的延长，先降低后升高，随着预时效时间延长和终时效温度的增加，逐渐降低。在降低幅度方面，终时效温度因素下抗拉强度和屈服强度降低幅度最大，分别为63 MPa和85 MPa。在其他因素下虽然也有变化，但是变化幅度小，与极差分析结果一致，对合金抗拉强度和屈服强度影响因素最大的为终时效制度。伸长率变化不大，对其影响最大的是预时效温度。电导率随着预时效温度的增加和终时效时间的延长，先升高后降低，随着预时效时间延长和终时效温度的增加，逐渐升高，在变化幅度方面，终时效温度对电导率的影响最大。

表2  正交试验方案与结果

Table 2  Orthogonal test design and results

表3  极差分析结果

Table 3  Range analysis results

2.2  双级时效工艺优化

根据表3来确定合金最佳双级时效工艺。相比于单级峰值时效，8号和9号时效制度下合金的电导率大幅度提高 (上升幅度平均约12%)，且强度下降很少(抗拉强度与屈服强度仅分别平均下降约6%和7%)，同时伸长率仍保持在12%以上。按最优工艺处理条件的Al-5.4Zn-2.0Mg-0.25Sc-0.1Zr合金各项性能见表4。

表4  目标工艺参数的验证

Table 4  Confirmatory tests of object processing parameters

比较表4中3种时效工艺，可知合金综合力学性能较好的双级时效工艺为：120 ℃/6 h＋140 ℃/20 h。在此条件下合金的抗拉强度、屈服强度、伸长率和电导率分别为553 MPa，534 MPa，12.0%和22.3 MS/m。

2.3  双级时效对合金晶间腐蚀性能的影响

图1所示为Al-5.4Zn-2.0Mg-0.25Sc-0.1Zr合金单级峰值时效态(120 ℃/24 h)及双级时效态晶间腐蚀实验结果。由图1(a)可知：该合金经单级峰值时效后，表层晶粒之间相互脱离，甚至出现部分晶粒从表面脱落的现象，具有严重的晶间腐蚀倾向，经测量最大腐蚀深度达100.131 μm，腐蚀级别为4级。由图1(b)~(j)可知：经双级时效处理后，合金晶间腐蚀敏感性大幅度降低，腐蚀形貌呈现轻微点蚀，腐蚀深度明显减小，不同的双级时效处理后合金的最大腐蚀深度略有变化，平均为21.905 μm，腐蚀级别为2级。随着终时效温度的升高，终时效时间的延长，合金的抗晶间腐蚀能力逐渐增强，具有较高的耐腐蚀性能。

2.4  双级时效对合金抗剥落腐蚀性能的影响

图2所示为Al-5.4Zn-2.0Mg-0.25Sc-0.1Zr合金单级峰值时效态(120 ℃/24 h)及优化的双级时效态(120 ℃/6 h＋140 /20 ℃ h)剥落腐蚀过程中不同时间点的剥蚀宏观形貌。单级峰值时效态合金在浸泡4 h时就出现了严重点蚀，12 h后出现了剥蚀，48 h试样表面发黑，粉化与剥蚀严重，大量剥蚀产物脱离试样表面，表层出现大面积的分层，发生了表层剥离(见图2(a))，剥蚀发展到ED级(ED级为极严重的剥落腐蚀)。双级时效态合金在浸泡12 h后腐蚀程度依然很轻微，只有少量的点蚀现象，在试样的边缘出现起皮、粉化的现象，24 h后腐蚀程度与单级时效相比轻微得多，主要以原有的点蚀点为中心向合金内部剥蚀开去，其他部位无明显变化，48 h后腐蚀开始加剧，但与单级时效态相比，腐蚀程度仍要小得多(见图2(b))，腐蚀等级为EB级(中等剥落腐蚀)。

2.5  双级时效对合金抗应力腐蚀性能的影响

选取了最优双级工艺(120 ℃/6 h+140 ℃/20 h)态样品进行慢应变速率拉伸试验，与单级峰值时效态(120 ℃/24 h)进行对比以衡量其抗应力腐蚀性能。表5列出了不同时效态Al-5.4Zn-2.0Mg-0.25Sc-0.1Zr合金在不同介质中慢应变速率拉伸(SSRT)实验结果。采用强度损失(△R)和塑性损失(△A)来衡量抗应力腐蚀性能。其公式分别为：

      (1)

        (2)

其中：R_m(air)和R_{m(3.5%NaCl solution)}分别为合金在空气中和3.5% NaCl溶液中的抗拉强度；A_air和A_{3.5%NaCl solution}分别为合金在空气中和3.5% NaCl溶液中的伸长率。

由表5可知：该合金在单级峰时效状态下的强度损失约为6%。与空气环境相比，合金在3.5%NaCl溶液伸长率明显降低，仅为空气环境中的35%~50%，说明该合金在单级峰时效状态下具有很强的应力腐蚀开裂倾向。经双级时效(120 ℃/6 h+140 ℃/20 h)后，合金的强度损失仅为1.5%，同时在3.5%NaCl溶液中塑性损失不明显，表明合金在双级时效状态下几乎无应力腐蚀开裂倾向。

图3所示为应变速率为1.33×10^-6 s^-1时2种时效状态下合金在3.5% NaCl溶液中的SSRT断口形貌。由图3可知：合金峰值时效态(120 ℃/24 h)的断口存在较多腐蚀产物，表现为明显的台阶状准解理形貌(图3(a)), 属于沿晶腐蚀断裂，表明合金具有很大的应力腐蚀开裂倾向。合金双级时效态(120 ℃/6 h+140 ℃/20 h)的断口存在少量尺寸很小，且很浅的韧窝，在断面上还可以观察到细小的裂纹(图3(b))，表现为韧断，表明合金的应力腐蚀开裂倾向小。这与表5中SSRT实验结果吻合。

2.6  双级时效工艺对合金显微组织的影响

选取试验点5(105 ℃/6 h+170 ℃/12 h)和8(120 ℃/6 h+140 ℃/20 h)进行TEM显微组织观察，与单级时效峰值状态(120 ℃/24 h)进行比较，如图4所示。由图4可见：双级时效工艺下，合金晶内组织为弥散分布的亚稳定η′相且存在大量的于铸锭均匀化过程中析出的弥散马蹄状Al₃(Sc,Zr)粒子(图4(c))，在衍射花样上，除了基体斑点之外，可以观察到Al₃(Sc,Zr)粒子的衍射斑点(图4(e))。晶界上有不连续分布的粗大平衡相，伴随无沉淀析出带。终时效温度是影响合金力学性能能最主要的因素，提高终时效温度，晶内析出相粗大(图4(a))，这种组织在较大程度上提高了合金的电导率(由19.3 MS/m增至22.1 MS/m)，合金的抗拉强度由峰值时效的581 MPa降至532 MPa。相反地，图4(c)和(d) 中晶内析出相细小且弥散，晶界上有不连续分布的晶界析出相和较明显的无沉淀析出带。这种组织，一方面保证了合金强度(553 MPa)与单级峰时效强度(581 MPa)相当，另一方面有效地提高了电导率(由 19.3 MS/m增至22.3 MS/m)，表明合金的抗腐蚀性能得到提高。单级时效工艺下晶内组织为弥散分布的η′相且尺寸更小，马蹄状的Al₃(Sc,Zr)粒子同样存在(图4(f))，在晶界处的平衡相连续程度比双级时效大，且粒子的尺寸更小，不存在无沉淀析出带(图4(g))。

图1  不同热处理条件下合金的晶间腐蚀形貌

Fig. 1  Intergranular corrosion micrographs of alloy after different heat treatments

图2  不同热处理条件下合金的剥落腐蚀形貌

Fig. 2  Exfoliation corrosion micrographs of alloy after different heat treatments

表5  不同状态下合金的SSRT实验结果

Table 5  SSRT result of alloy under different conditions

图3  合金在3.5%NaCl溶液中的拉伸断口形貌

Fig. 3  Fracture morphologies of alloys by SSRT testing in 3.5%NaCl solution

3  分析与讨论

3.1  组织与性能

添加微量元素Sc和Zr只影响合金的时效动力学，并不影响合金沉淀析出序列。对于含Sc的Al-Zn-Mg合金时效过程中第二相的脱溶符合固态相变的阶次规则，其析出序列为：过饱和固溶体(super-saturated solid solution，SSS)→偏聚区(即guinier-preston，GP区)→亚稳相η′(MgZn₂)相→平衡相η(MgZn₂)相。该合金经120 ℃/24 h时效后，晶内存在GP区、亚稳相η′相和马蹄状Al₃(Sc,Zr)粒子，晶界主要为连续分布的平衡相η相，如图4(f)和(g)所示。该状态下抗拉强度和屈服强度分别为581 MPa和561 MPa，合金的高强度来源于微量Sc/Zr引起的亚晶强化、Al₃(Sc,Zr)粒子和η′相的析出强化。

双级时效分为预时效和终时效2个阶段。低温处理的预时效是为了在合金中形成高密度GP区。GP区通常是均匀形核，当其达到一定尺寸，就可成为随后时效沉淀相的核心，大大提高组织的均匀性。在Al-Zn-Mg系合金中都存在1个GP区溶解临界温度(T_c)^[18-20]，若低于T_c，且GP区的尺寸大于某一临界尺寸，则它就成为过渡相析出核心。而若高于T_c，则GP区不稳定回溶至基体导致后续时效析出核心减少。所以为了保证组织的均匀性，预时效(即形核处理)温度应低于GP区溶解临界温度(T_c)，因此Al-5.4Zn- 2.0Mg-0.25Sc-0.1Zr合金经不同的双级时效处理后组织性能有所差异。当预时效温度为90 ℃时，形成的大部分GP区小于临界尺寸，高温终时效过程后大量GP区回溶，仅少量大于临界尺寸的GP区转变成过渡相η′；与此同时，根据GP区和过渡相的亚稳相图，合金中还会析出与时效温度相对应的析出组织η′+η。因此，低温预时效+高温终时效处理后，合金基体析出组织主要为η′相、η相和Al₃(Sc,Zr)粒子，这些相的尺寸粗大，体积分数小，对位错运动的阻碍作用小，合金强度低(R_m均值为497 MPa)。而当预时效温度为120 ℃时，此温度接近合金GP区溶解临界温度，基体析出组织主要为较稳定的GP区。在随后的高温时效过程中，只有部分小于临界尺寸的GP区回溶，而大于临界尺寸的GP区逐渐长大或转变成η′相，形成细小弥散的多相析出组织(η′相+η相+Al₃(Sc,Zr)粒子)，这种组织(见图4(a)和(c))对位错运动构成较强的阻碍作用，合金强度较高(R_m均值为520 MPa)。

第2阶段的高温终时效主要是调整析出相结构、分布，使晶界处原有连续分布的析出相转变为断续的析出相并粗化；同时，在终时效初期，使基体内部GP区转变成η′相或者η′相在已有的GP区上形核长大，甚至直接析出η相。随着时效时间的延长，亚稳定强化相η′相向平衡相η相转变，增加其密度并粗化，减弱对位错的阻力，双级时效后合金的强度会降低。终时效温度为140 ℃时，如120 ℃/6 h+140 ℃/20 h，晶内沉淀相细小弥散，同时，晶界析出相相对粗化且呈断续分布，伴随有PFZ (图4(c)和(d))。所以，该时效状态下，合金仍然具有较高的力学性能(R_m为548 MPa)。随着终时效温度上升，合金过时效的程度增大，析出相粗化，PFZ宽化，对位错的钉扎作用减弱，合金的强度下降。特别是当终时效温度为170 ℃时，如105 ℃/6 h+170 ℃/12 h，析出相严重粗化(图4(a)和(b))，合金强度显著下降，与峰值时效态相比，抗拉强度与屈服强度的下降幅度分别高达20%和43%。

图4  合金单、双级时效状态下的TEM像

Fig. 4  TEM images of alloy at single and two-step aging state

3.2  晶间腐蚀与剥落腐蚀

晶间腐蚀敏感性主要取决于晶界析出相特征。晶界由于具有高的界面能，成为短路扩散通道和择优形核位置，不仅在固溶处理时易形成元素偏析，而且在时效过程中晶界附近的溶质原子也易向晶界扩散。合金晶界处第二相沿晶界析出，并在晶界邻近区域形成PFZ，使晶界析出相、PFZ及基体具有不同的电极电位。要获得良好的抗晶间腐蚀能力，通常需要晶界析出相尽可能呈大间距断续分布，以切断晶界连续腐蚀通道。合金在单级峰值时效状态(120 ℃/24 h)下，其晶界连续析出η′相，直至转化为平衡相η相，在晶界附近形成溶质贫乏区，贫溶质区与基体相比，电极电位为负值，通常作为阳极，优先发生阳极溶解。连续的晶界析出相η相(图4(f)和(g))比溶质贫乏区电极电位高，通常最为阴极。三者构成多电极体系，促使晶界的快速腐蚀，使合金具有严重的晶间腐蚀倾向。双级时效(120 ℃/6 h+140 ℃/20 h)后，强化相及平衡相逐渐聚集呈不连续分布，无沉淀析出带(PFZ)也逐渐宽化(图4(d))，尽管三者间电极电位差并未降低，但由于强化相η′分布更为弥散(图4(c))，晶界上不连续的粗大析出相η相截断了原有连续的阳极腐蚀通道，降低了合金的电化学动力，阻碍了合金的晶间腐蚀，有效提高了合金的抗晶间腐蚀能力。

剥落腐蚀实质上是一种特殊的晶间腐蚀。由于阳极溶解使大量不溶性腐蚀产物在晶界堆积，随着腐蚀产物体积增大，超出被溶解金属体积时，就会对表层金属形成一股外推力，使合金内外两层产生剥离现象。因此，合金的晶间腐蚀的敏感性能反映出剥落腐蚀敏感性。

3.3  应力腐蚀

关于7系铝合金的抗应力腐蚀机理，目前较为成功的解释主要有阳极溶解模型、氢脆模型等^[21-22]。阳极溶解模型认为，在应力和腐蚀介质的作用下，合金中裂纹尖端阳极快速溶解导致应力腐蚀开裂。氢脆模型认为，在高强铝合金中存在氢原子的可逆和不可逆陷阱，腐蚀过程中产生的氢在应力作用下或由于Mg的偏析沿晶界扩散至裂纹顶端，降低金属间键合力和断裂应力，导致裂缝扩展速率加快，造成晶界在低应力条件下脆断。目前也有学者认为应力腐蚀开裂是两种机理共同作用的结果。

晶内析出相特征与晶界结构是决定合金抗应力腐蚀性能的重要因素。该合金单级峰值时效(120 ℃/24 h)处理后，晶内主要析出细小弥散的η′相和GP区，晶界主要为连续的析出相(图3(f)和(g))。小尺寸析出相(≤20 nm)是氢原子的不可逆陷阱，捕获基体中自由氢原子的能力较弱，更多的氢原子容易扩散至晶界聚集成氢分子，使晶界成为氢分子溢出合金的场所，导致氢脆，且连续的晶界能作为阳极溶解通道，促进应力腐蚀开裂。同时，由于晶内析出相尺寸较小，合金在变形过程中产生的位错能够切过这些细小析出相使平面滑移，从而在晶界产生应力集中，加剧应力腐蚀开裂。故合金在单级峰值时效(120 ℃/24 h)处理后具有很大的应力腐蚀开裂倾向。合金经双级时效(120 ℃/6 h+140 ℃/20 h)处理后，晶界析出物粗大、断续分布，间距较大(图4(c)和(d))，导致晶界区域阳极溶解的速度减慢，晶内粗大析出相η作为氢原子的不可逆陷阱，能够捕捉氢原子，有效地降低吸附于晶界的氢原子浓度，取代晶界成为氢分子溢出合金的场所，减缓晶界裂纹的扩展速率；同时随着晶内析出相粗化，合金在变形过程中产生的位错，更趋于绕过析出相产生交滑移，减少了晶界应力集中，也减小了应力腐蚀开裂倾向，提高了合金的抗应力腐蚀能力。

4  结论

1) Al-5.4Zn-2.0Mg-0.25Sc-0.1Zr合金适宜的双级时效工艺为120 ℃/6 h+140 ℃/20 h，此状态下合金的抗拉强度R_m、屈服强度R_p、伸长率A和电导率γ分别为553 MPa，534 MPa，12.0%和22.3 MS/m。

2) 双级时效后合金晶内为弥散分布的亚稳定强化相η′相，晶界处出现粗大不连续分布的平衡相η相，还伴有一定宽度的无沉淀析出带。

3) 双级时效后合金具有优异的抗晶间腐蚀性能，平均最大腐蚀深度为21.905 μm，腐蚀级别为2级；具有良好的抗剥落腐蚀性能，剥蚀等级为EB级；具有良好的抗应力腐蚀性能。双级时效后合金综合性能比单级峰时效的优。

参考文献：

[1] 刘华娜, 杨光昱, 齐元昊, 等. Sc对Al-Zn-Mg-Cu系铸造铝合金组织与性能的影响[J]. 铸造, 2013, 62(1): 4-9.

LIU Huana, YANG Guangyu, QI Yuanhao, et al. Effects of Sc on the microstructures and mechanical properties of Al-Zn-Mg-Cu casting aluminum alloy[J]. Foundry, 2013, 62(1): 4-9.

[2] Imamura T. Current status and trend of applicable material technology for aerospace structure[J]. Journal of Japan of Light Metals, 1999, 49(7): 302-305.

[3] 赵立华. 超高强度铝合金研究现状及发展趋势[J]. 四川兵工学报, 2011, 32(10): 147-150.

ZHAO Lihua. Development of ultrahigh-strength aluminum alloys[J]. Journal of Sichuan Ordnance, 2011, 32(10): 147-150.

[4] 李志辉, 熊柏青, 张永安, 等. 7B04铝合金双级时效的微观组织与性能[J]. 稀有金属材料与工程, 2008, 37(3): 521-524.

LI Zhihui, XIONG Baiqing, ZHANG Yongan, et al. Investigation on microstructure and properties of 7B04 aluminum alloy under two-step aging treatments[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2008, 37(3): 521-524.

[5] 冯正海. 超高强铝合金的固溶处理及双级时效研究[J]. 材料热处理技术, 2009, 38(6): 119-124.

FENG Zhenghai. Effect of solution treatment temperature on microstructure and properties of 7xxx aluminum alloy after two-stage aging[J]. Material & Heat Treatment, 2009, 38(6): 119-124.

[6] 段水亮, 刘志义, 段安静, 等. 双级时效对7475铝合金组织与性能的影响[J]. 金属热处理, 2008, 33(8): 112-115.

DUAN Shuiliang, LIU Zhiyi, DUAN Anjing, et al. Effects of the two-step ageing on microstructure and properties of 7475 aluminum alloy[J]. Heat Treatment of Metals, 2008, 33(8): 112-115.

[7] 田福泉, 崔建忠. 双级时效对7050铝合金组织和性能的影响[J]. 中国有色金属学报, 2006, 16(6): 958-963.

TIAN Fuquan, CUI Jianzhong. Effect of duplex aging on microstructure and properties of 7050 aluminium alloy[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2006, 16(6): 958-963.

[8] 许俊华, 王贵会, 喻利花, 等. 时效制度对喷射成形7055铝合金抗应力腐蚀性能的影响[J]. 粉末冶金材料科学与工程, 2012, 17(5): 592-598.

XU Junhua, WANG Guihui, YU Lihua, et al. Effect of aging process on stress corrosion resistance of spray forming 7055 aluminum alloy[J]. Materials Science and Engineering of Powder Metallurgy, 2012, 17(5): 592-598.

[9] Chemingui M, Khitouni M, Jozwiakb K, et al. Characterization of the mechanical properties changes in an Al-Zn-Mg alloy after atwo-step ageingtreatment at 70 ℃ and 135℃[J]. Materials & Design, 2010, 31(6): 3134-3139.

[10] 李晨, 潘清林, 彭虹, 等. 含钪铝锌镁合金铸锭和均匀化显微组织研究[J]. 热加工工艺, 2012, 41(24): 91-94.

LI Chen, PAN Qinglin, PENG Hong, et al. Investigation on microstructure of as-cast and homogenized Al-Zn-Mg-Sc alloys[J]. Hot Working Technology, 2012, 41(24): 91-94.

[11] ZHANG Zhiye, PAN Qinglin, ZHOU Jian, et al. Hot deformation behavior and microstructural evolution of Al-Zn-Mg-0.25Sc-Zr alloy during compression at elevated temperatures[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2012, 22(7): 1556-1562.

[12] LI Chen, PAN Qinglin, SHI Yunjia, et al. Influence of aging temperature on corrosion behavior of Al-Zn-Mg-Sc-Zr alloy[J]. Materials and Design, 2014, 55: 551-559.

[13] HUANG Xing, PAN Qinglin, LI Bo, et al. Effect of minor Sc on microstructure and mechanical properties of Al-Zn-Mg-Zr alloy metal-inert gas welds[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2015, 629: 197-207.

[14] 姚育新. 谈正交试验方法的简易化[J]. 南京航空学院学报, 1986, 18(3): 95-101.

YAO Yuxin. On the simplification for the orthogonal experimental method[J]. Journal of Nanjing Aeronautical Institute, 1986, 18(3): 95-101.

[15] Tsai T C, Chuang T H. Relationship between electrical conductivity and stress corrosion cracking susceptibility of Al 7075 and Al 7475 alloys[J]. Corrosion, 1996, 52(6): 414-416.

[16] Tsai T C, Chuang T H. Atmospheric stress corrosion cracking of a super plastic 7475 aluminum alloy[J]. Metall Trans A, 1996, 27(9): 2617-2627.

[17] 宁爱林, 刘志义, 冯春, 等. Al-Zn-Mg-Cu合金组织和电导率及抗应力腐蚀性能研究[J]. 材料热处理学报, 2008, 29(2): 108-113.

NING Ailin, LIU Zhiyi, FENG Chun, et al. Study of microstructure, electrical conductivity and stress corrosion resistance of Al-Zn-Mg-Cu alloys[J]. Transactions of Materials and Heat Treatment, 2008, 29(2): 108-113.

[18] Lorimer G W, Nicholson R B. Further results on the nucleation of precipitates in the Al-Zn-Mg system[J]. Acta Meall, 1966, 14: 1009-1012.

[19] Ber L B. Accelerated artificial ageing regimes of commercial aluminum alloys[J]. Materials Science and Engineering A, 2000, 280: 91-96.

[20] Najjar D, Magnin T, Warner T J. Influence of critical surface defects and localized competition between anodic dissolution and hydrogen effects during stress corrosion cracking of a 7050 aluminum alloy[J]. Materials Science and Engineering A, 1997, 238(2): 293-302.

[21] Burleigh T D. Postulated mechanisms for stress corrosion cracking of aluminum alloys: A review of the literature 1980—1989[J]. Corrosion, 1991, 47(2): 89-98.

[22] Rajan K, Wallace W. Microstructural study of a high-strength stress-corrosion resistant 7075 aluminum alloy[J]. Journal of Materials Science, 1982, 17(3): 2817-2823.

(编辑  杨幼平)

收稿日期：2014-11-23；修回日期：2015-02-24

基金项目(Foundation item)：国家重点基础研究规划(973计划)项目(2012CB619503)；佛山市科技创新专项(2013AH100055) (Project(2012CB619503) supported by the National Basic Research Development Program of China (973 Program); Project(2013AH100055) supported by the Scientific and Technological Innovation Program of Foshan City)

通信作者：潘清林，教授，从事高性能铝合金研究；E-mail: pql@csu.edu.cn