1微观组织
1.1决定强度的微观组织
合金的强度主要依靠基体沉淀相，但强度到底是由GP区、η'相中的一种或两种共同决定，现今仍没有定论[9，12]。AlderPN[16]认为主要强化相是GP区，即基体组织中刚刚出现η'相时，合金的强度最高，如果时效到以η'相为主时，强度则下降明显。华明建[17]用共格与半共格质点的强度公式计算了7075铝合金的强度值，发现在峰值时效状态下，用半共格公式计算的强度更接近于实测值，由此认定7075铝合金中的主要强化相是η'相，而不是GP区。VianaF[18]则认为GP区与η'相各占一半时合金的强度最高。若只从沉淀相来讨论强度问题，目前公认的观点是：无论强化相是GP区还是η'相，其体积分数越大、分布越弥散，则强化效果越好。
1.2决定韧性的微观组织
晶内均布的η'相更有利于阻碍位错运动,不易引起应力集中,同时阻碍了氢原子向晶界的聚集,有利于合金抗SCC性能及韧性的提高[4]。虽然，目前对晶界沉淀相的研究还不是很全面，但普遍认定连续网状分布的晶界沉淀相对合金的性能最为不利[9，19]，表现在以下两方面：①晶界沉淀相η'或η相相对于基体有一定的可动性，在变形过程中将阻碍晶粒的相对运动，对材料的韧塑性不利；②晶界被晶界析出物覆盖的面积越大，就越容易产生SCC，即不连续分布的半共格或非共格晶界沉淀相质点对韧性和抗SCC有利，此论点得到了许多学者的认可[9，12，20]。可见，以均匀弥散的η'相为主的基体沉淀相和不连续分布的半共格或非共格晶界沉淀相质点对韧性有利。
1.3决定抗腐蚀性的微观组织
7xxx系铝合金中Zn和Mg的含量高，峰值时效后强度大幅度提高，但是抗应力腐蚀性能随之下降[6]。而过时效和RRA处理能显著提高合金抗应力腐蚀性能的作用机理还不是很清楚，目前较为成功的解释是氢脆理论和阳极溶解理论[7]。过时效或回归再时效后形成了不连续分布的晶界析出物。这种晶界析出物一方面作为氢原子的不可逆陷阱，变成氢原子结合成氢分子析出合金的场所，有效降低了吸附于晶界的氢原子浓度，提高了合金的抗SCC能力；另一方面会减慢晶界区域阳极溶解的速度，因而提高合金的抗SCC能力[12]。关于晶界无析出带宽度(PFZ)对合金抗应力腐蚀性能的影响至今尚无定论，RyumN[21]认为增宽PFZ对抗SCC有利，UnwinB[22]认为增宽PFZ对抗SCC有害，舒文祥[6]则认为PFZ宽度对合金抗应力腐蚀性能的影响不大。虽然提高合金抗应力腐蚀性能的作用机理还不是很清楚，但有一个现象得到普遍认可[9，12]，即以均匀弥散η'相为主的基体沉淀相和不连续分布的半或非共格晶界沉淀相质点对抗SCC有利。
1.4理想微观组织
通过Al-Zn-Mg-Cu系合金显微组织和性能的研究表明：①无论何种质点(η'相或GP区)做为强化相，其体积分数越大、越弥散，就能获得最佳强化效果[9,12]；②以均匀弥散的η'相为主的基体沉淀相和不连续分布的半或非共格晶界沉淀相质点对韧性和抗SCC有利[9，12]。它们之间的共同点是：以均匀弥散的η'相基体沉淀相以及不连续分布的半或非共格晶界沉淀相是理想的微观组织。罗付秋[23]观察了7050合金的显微组织(图1)，表明经RRA处理后晶内组织为细小弥散的η'相和少量的η相。晶界组织为粗化、孤立、不连续的η相，合金在不损失过多强度的情况下兼具优良的抗腐蚀性能。
2合金成分
2.1主元素
7xxx系铝合金的主合金元素为Zn、Mg、Cu。Zn、Mg和Al形成高浓度的三元T(Al2Mg3Zn3)相，Zn和Mg之间形成二元η(MgZn2)相，这两相的溶解度随温度降低急剧下降，从而具有很强的时效硬化能力[6,24]。高Zn合金中，Cu原子溶入GP区，可提高GP区的稳定温度范围，延缓其时效析出。Cu原子还可溶入η'和η相中，降低晶界和晶内的电位差，提高合金的抗应力腐蚀能力[25]。许多学者[6，12，26]认为，Zn和Mg的质量比对合金的性能有重要影响。当m(Zn)：m(Mg)=5/2～7/1时，其主要强化相为η'(MgZn2)及η(MgZn2)，常见的7xxx系铝合金多为此类。当镁含量超过形成MgZn2相的所需量时，会产生补充强化作用[27]。在高强铝合金中保持较高的m(Zn)/m(Mg)和m(Cu)/m(Mg)是得到良好组织的重要条件。
2.2微量元素
7xxx系铝合金的微量元素有Zr，Sc,Ag,Li等以及杂质元素Fe、Si等。Zr原子可形成细小的Al3Zr弥散相，Al3Zr粒子可以加速η'(MgZn2)相的析出，抑制再结晶和晶粒长大[29]。Sc原子在固溶过程中析出与基体共格的Al3Sc，Al3Sc与Al3Zr有相似的作用，但效果更佳[30]。微量Ag可以促进η'(MgZn2)及η(MgZn2)的时效析出[31]。添加适量的Li，经二级时效后，合金中会出现更加细小的析出相，且体积分数更大[32]。浓度适当的Li原子可减缓Zn、Mg原子的扩散，阻碍η'相的粗化长大，有利于η'相的细小弥散分布[6]。添加微量稀土元素，可以细化组织，降低气体和杂质的不利影响，减少裂纹源[33]。其他元素如Fe、Si、Mn和Ti等，则应严格控制其含量[34]。
3制备技术与热处理工艺
3.1制备技术
目前7xxx系铝合金制备方法主要有熔铸、粉末冶金、喷射成形等。熔铸方法简单，但是存在晶粒粗大、偏析严重、组织疏松等问题。快速凝固/粉末冶金(RS/PM)技术的发展提高了合金化程度，使开发超高强韧铝合金成为可能[35]。但由于RS/PM技术工艺难以制备大尺寸材料，且生产成本高,因此并未得到广泛应用。喷射成形能够细化晶粒、减小偏析、均匀组织，提高合金元素固溶度，也可提高合金性能[35，36]。喷射成形工艺提高了合金元素Zn、Mg、Cu的固溶度，使其在随后的时效过程中，形成与Al基体呈共格、半共格及非共格的GP区、η相及η'相[37]，这为理想组织的形成奠定了良好的基础。目前，出现了许多新的制备技术，如电磁铸造、大塑性变形、超塑成形等，其与理想组织的关系还有待进一步研究。
3.2热处理工艺
高强铝合金热处理包括均匀化[38]、形变热处理(TMT)、固溶时效等，其中，固溶时效对高强铝合金性能影响最大[39]。高强铝合金常用的时效工艺有3种：峰值时效、过时效以及回归再时效(RRA处理)。峰值时效(T6)后，晶内析出细小的η'相和GP区，晶界沉淀相为连续链状的析出物，此种微观组织强度较高，但抗应力腐蚀性能较弱，断裂韧性较低[40]。过时效采用双级时效，第一级为低温时效，在峰值时效下稳定存在的GP区优先成核转化为η'相；第二级时效是高温时效，在晶内形成均匀分布的盘状相，在晶界上形成较稳定的η'相。随时效的进行，晶内η'相粗化，晶界η'相稳定并长大。这种微观组织提高了合金的抗腐蚀性能和断裂韧性，但晶内强化相粗化使合金强度降低10%～15%[41]。回归再时效(RRA处理)[1，33，42]是一种三级时效工艺。第一阶段是T6预时效处理，其显微组织与峰值时效相同；第二阶段是高温短时回归处理，晶内的η'相又溶解到固溶体中，晶界上连续链状析出相合并和聚集而不再连续分布；第三阶段是低温再时效处理，晶内重新析出细小弥散的半共格η'相，晶界仍为不连续的半共格析出相。RRA处理后,晶内组织与T6态的晶内组织(细小弥散的半共格η'相，还有一些GP区)相似，晶界组织与过时效态的晶界组织(不连续的半共格析出相)相似，这种组织综合了峰时效和过时效的优点，使合金兼备了高强度、良好的抗应力腐蚀性能[43-44]和断裂韧性。兼顾强度、韧性及抗腐蚀性能的另一有效方法是形变热处理(TMT)，合金在加工过程中发生再结晶，细化铸态组织，晶界残存的化合物溶入基体并在随后的处理过程中以均匀、细小的质点析出，改善合金性能[45]。由以上分析可看出，从峰值时效、过时效到回归再时效，微观组织的变化过程不断接近理想组织。目前，还出现了许多新的热处理工艺，如分段高温均匀化退火、热变形后再次高温均匀化退火、阶段淬火及多级时效等。
4展望
通过对高强铝合金的组织性能关系研究，发现弥散晶内析出相及晶界不连续析出相为高强铝合金的理想组织。如何得到理想组织，是高强铝合金进一步的研究方向，笔者认为应从以下几个方面开展研究：①研究高强铝合金的强韧化和腐蚀机理及其与理想组织之间的关系，合理设计合金成分，调整各主元素含量及其比值，深入研究稀土元素及复合微合金化的作用机理，开发新型的合金体系，为理想微观组织的形成奠定成分基础。②改进传统制备工艺，开发完善先进的喷射成形技术，研究新型制备技术与显微组织之间的关系，为理想微观组织的形成奠定制备技术基础。③结合新型合金体系及制备技术研究固溶时效析出机理，在机理研究及RRA处理的基础上，开发新的热处理技术，使理想微观组织的形成成为可能。
作者：李威威 单位：昆明理工大学
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