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工信部8种重点发展新铝材（一）话说7050合金的组 织性能与生产应用

2018年12月26日，为进一步做好重点新材料首批次应用保险补偿试点工作，工信部发布了《重点新材料首批次应用示范指导目录（2018年版）》的通告。通告表示，该目录自发布之日起实施，原《重点新材料首批次应用示范指导目录（2017年版）》（工信部原（2017）（68号）同时废止。

列入示范目录的8种铝材是：7050合金大规格预拉伸厚板、7B50合金大规模预拉伸板、含Sc铝合金加工材、航空支撑骨架用型材、耐损伤铝合金预拉伸板、高性能车用铝合金薄板、Al-Si-Sc焊丝、铝-锂合金焊丝。

此外，在目录中还收录了2种镁材、8种钛材、2种铜材，多种有色金属复合材料、高温合金及有色金属新材料。

7050合金

7050合金是一种美国合金，1971年在美国铝业协会公司注册，注册成分（质量%）：0.12Si、0.15Fe、2.0Cu~2.6Cu、0.10Mn、1.9Mg~2.6Mg、0.04Cr、5.7Zn~6.7Zn、0.06Ti、0.08Zr~0.15Zr，其他杂质单个0.05、总计0.15，其余为Al。它是一种第三代Al-Zn-Mg-Cu系合金，中国标准GB/T 3190已将此合金纳入，所以它既是一种广为应用的国际合金，也是一种纳入中国国家标准的合金。

7050合金是一种Al-Zn-Mg-Cu系的高强度可热处理强化的变形铝合金，又称超硬铝，可生产厚板、型材、锻件和线材等，不用于轧制薄板。与第 一个该系合金7075的成分比较，增加了锌、铜含量，增大了锌镁比，并用锆取代铬作为晶粒细化剂，增加了锌、铜含量，增大了锌镁比，并用锆取代铬作为晶粒细化剂，而大大减少了铁、硅含量。由于这些成分的改进以及采用过时效处理，使7050合金在保持较高强度水平下，具有韧性好、疲劳强度高与淬火敏感性低特点。

成分的优化与组 织

7050合金是在铝-锌-镁系合金的基础上发展起来的。要提高合金的强度，只有提高锌和镁的浓度，但Zn+Mg的含量 （8~9）%以后，强度虽然可以提高到600N/mm2以上，而塑性和抗应力腐蚀性能却强烈下降，失去了使用价值。后来发现铜能有效改善高浓度铝-锌-镁合金的塑性和抗蚀性，特别是铬能显着提高抗应力腐蚀性能以后，铝-锌-镁-铜系合金才得到发展，也为7050合金的诞生创造了条件。

由Al-Zn-Mg-Cu系相图可知，工业用此类合金的主要相组成为 + （MgZn2)+T(Al2Mg3Zn3)+S(Al2CuMg)，但因Cu含量不同而稍有变化。当含（5%~7%）Zn和（1%~3%）Mg时，若Cu 0.7%即会出现S相，Cu 2%还会出现 相。但超硬铝的主要强化相是 相。 相在470℃的*大溶解度可达28%，而室温时仅4%，所以有极高的时效强化作用。

Al-Zn-Mg-Cu系合金的时效过程与Al-Zn-Mg合金的一样，也是：GB区 ' T相，但在100℃~160℃时效，只发生 相的沉淀过程，只有当Ta（时效温度） 270℃后才能出现 T的沉淀过程。这是因为Zn的扩散系数比Mg的高，低温时效只能发生富Zn相MgZn2的沉淀过程，高温时效才能发生富Mg相T的沉淀过程。

超硬铝的含Cu 0.7%后，在125℃~150℃时效，可以认为是在Al-Zn-Mg系沉淀过程（GP区 ' T）的基础上，又出现了Al-Cu-Mg系的沉淀过程（GP区 不再“我行我塑”新材料让塑料袋神奇降解S' S）。

超硬铝的显微组 织随着温度的升高而向更高的时效阶段发展，石墨烯支架又被称为气凝胶即GBP（晶界沉淀相）和MPT（基体沉淀相）变粗，PFZ（晶间无沉淀带）变宽。这种过时效组 织对抗应力腐蚀和断裂韧性有利，但却使强度性能降低15%~20%。

Mn、Cr、Zr、Ti对超硬铝的影响与对Al-Zn-Mg合金一样，也是为了改善加工塑性和抗蚀性。Zn+Mg含量 9%的合金，在淬火和时效后有严重的沿晶脆性断裂现象，伸长率很低。加入上述微量元素后，由于形成了不易被位错切割的化合物AlMgMn、Al（FeMn）Si、Al12Cr2Mg、Al20Cu2Mn、Al3Zr，并且改变了GB区、 '和 相的性质、尺寸和分布状态，因而改变了位错的运动方式，位错分布也均匀，不会在晶界形成应力高度集中点，结果改善了塑性和SCR。Mn和Cr能增加超硬铝的淬火敏感性，Cr的影响比Mn的还大，必须用高的淬火冷却速度才能保证时效后强度，但厚板和大型锻件即使采用高速淬火也淬不透，而且会产生严重的变形。因此，7050合金不含Mn和Cr，而且微量Zr（0.08%~0.25%）作为再结晶抑制剂，可在从产量来看热水中淬火，不仅能降低淬火应力，而且大截面的厚板和锻件能获得高的强度，因为Zr能形成微细的不溶解质点Al3Zr，对淬火敏感性影响，Mn和Cr则不同，能同主要元素形成粗大的Al12CrMg2、Al26Cu2Mn化合物，不仅降低了Cu和Mg在 固溶体中的过饱和度，而且在淬火冷却过程中或时效初期还能沿这些质点析出粗大的 '或 相，使合金强度大幅降低。

7050合金是一种高纯度合金， 0.12%Si、 0.15%Fe、 0.10%Mn、Fe和Si不仅对强度和抗蚀性有害，还能同Mn和Cu形成有害于平面应变断裂韧度KIC的夹杂相Al7Cu2Fe、Al17Cu2（FeMn）2、Al6（FeMn）和Al（FeMn）等，这就保证了7050合金有高的塑性和平面应变断裂韧度、强度，而且有低的淬火敏感性，成为一种综合性能*佳的航空航天厚板与锻件铝合金。

热处理与物理化学性能

7050合金锻件的固溶处理温度468℃~474℃，在54℃~66℃温水中淬火（按Q/6SZ925）；厚板固溶处理温度471℃~482℃，在室温凉水中淬火，转移时间 15S，*好在辊底式炉内固溶炉内处理，人工时效制度见表1。

厚板在固溶处理后与时效处理前应进行预拉伸变形，因是在下一道工序（时效处理）之前进行故称预拉伸，其永 久变形量为1.5%~3%，以消除其中的淬火内应力。对于自由锻件（T7452）在固溶处理后时效处理前可进行压缩变形，其永 久变形量为1%~3%，以消除内应力。

淬火内应力如不消除，在锯切、铣削加工等机械加工时，板材会发生严重变形或甚致断裂，另外残余应力虽对材料拉伸性能的影响很小，但对应力腐蚀开裂、疲劳特性及断裂韧度有明显影响。消除或减轻残余应力可用加热法与机械法，前者是采用单独加热或与热处理同时进行如退火等，后者为拉伸、压缩、喷丸等。这些方法都得到了应用。

对7075、7050合金厚板用拉伸消除残余应力时，永 久变形量达到0.5%，可消除75%~80%的残余应力，再增加拉伸量，残余应力的下降非常缓慢，即使永 久变形量达到3.5%，板中仍保留着约4.5%的残余应力，故拉伸变形量定为1%~3%，实际生产中的永 久拉伸变形量大都在2%左右。中国供应的7050合金半成品的状态与规格见表2。

7050合金可用传统的铝合金熔炼与铸造设备，但熔炼时不要混入杂质，因为它的纯度相当高。它的熔化温度为488℃~630℃，铸造温度700℃~730℃，铸锭尺寸较小时铸造温度可适当降低。25℃时7050-T7651合金的热导率154W/（m ℃），7050-T74、-T7452、-T7451合金的157W/（m ℃）；在100℃时7050合金的比热容963J/（kg C）。

7050合金的密度2.82g/cm3；室温时的电阻率40.9n m；7050-T7651材料的电导率 21.5Ms/m，-T74、-T7452、-T7451材料的 22.0Ms/m；7050合金无磁性。

7050合金有良好的抗氧化性能，但抗一般腐蚀的性能还不如7075合金的，不过却具有相当强的抗剥落腐蚀和应力腐蚀性能，C形试样的应力腐蚀试验结果见表3。

力学性能

技术标准规定的7050合金力学性能见表3~4，材料的断裂韧性见表5~6，其他力学性能可查阅有关手册。

7050-T74合金厚50mm~60mm的模锻件S-L方向试样的应力腐蚀断裂韧度为22.2（N/mm2） m，疲劳裂纹扩张速率（da/dt）为3.68 m /s。

组 织结构、工艺性能与应用

7050合金基本相组成为 -Al和MgZn2，次要的相为Al3Zr、Al7Cu2Fe、Mg2Si和Al13CuMg4等。Al3Zr呈弥散球形状，一般以亚稳态形式存在，具有体心立方晶格，只有长时间高温退火，才会形成稳态的密集六方晶格。

7050合金的形成性能与7075合金的差不多，成形工艺、加热温度与时间均大体相当，开锻温度不宜大于420℃，否则会产生热脆，锤锻时更应注意，终锻温度应 280℃。7050合金的可焊性不佳，不宜熔焊，可进行电阻焊，当然摩擦搅拌焊（FSW）*佳。锻件固溶处理时，为了避免淬火变形和降低残余应力，*好尽可能地采用较缓慢的冷却速度，如淬火水温可控制在54℃~66℃，板材应在辊底式炉内淬火，中国拥有全世界*多的先进辊底式固溶处理炉，可处理板材的*大厚度可达250mm，全国有7家轧制厂拥有这种处理炉。

7075合金的表面处理与其他7XXX系合金的相同。有良好的可切削加工性能与磨削性能，为防止锻件切削温度过高引起变形，切削区温度应 100℃，切削速度应 550r/min，冷却液应多些。

7050合金的不同状态分别适用于不同使用条件的受力构件：T76状态材料用于要求抗剥落腐蚀、高强度的结构件；T74材料适用于高强度、抗应力腐蚀结构件，特别是厚大截面结构件；T73线材主要用于高强度、抗腐蚀的铆钉。

7050合金在中国有完全自主知识产权的支线客机ARJ21与大飞机C919上的结构中获得了较多的应用，但是制造原型机用的材料则是进口的。ARJ21客机的下列零件用的是7050合金（表7），C919大飞机上7050合金零部件见表8。

7050合金有两种变型的合金：7050A与7150，前者是法国合金，1996年在美国铝业协会公司注册，后者是美国铝业公司研发的，1978年注册。7050合金及7150合金在航空器制造中有着广泛应用，7050A合金的应用范围不广，仅在欧洲生产的一些航空器上有所应用。7150合金的杂质含量与7050合金的完全相同，仅合金元素含量稍有变动，例如7150合金的锌含量比7050合金大0.2个百分点，Mg的含量则大0.1个百分点，Cu的含量则低0.1个百分点；与7050合金相比，7050A合金的杂质Mn更低，必须 0.04%，Cu及Zr的含量均下降了。7050合金的发展历程及在高强韧合金中的位置见图1。

7050合金与7150合金分别于1971年及1978年注册，中国于1996年才将7050合金纳入GB/T中，大致比美国铝业公司对此合金晚了25a，当时对此合金的研究与半成品生产仍处于 跟跑 阶段。

中国对7050型高强高韧预拉伸厚板的研制与生产起步较晚，但是至2018年已完全自主解决此问题，西南铝业（集团）有限公司可以商业化批量生产各种厚度预拉伸板，可充分满足制造各型民机与军机的需要。7050合金是一种典型的第三代7XXX系高强韧变形铝合金，其预拉伸厚板广泛应用于军、民飞机机翼梁、肋、机身框、壁板等关键受力结构件制造。

十多年前中国尚未掌握此合金半成品的全部生产技术，导致ARJ21及C919飞机所需的750合金材料不得不从美国铝业公司进口，2007年在中国型号工程的支持下，西南铝业（集团）有限公司、北京有色金属研究总院、北京航空材料研究院、中南大学等组成产学研联合攻关团队，拉开了对7050合金预拉伸厚板制备技术的全面系统研究序幕。

经过近10年的艰难研发和专项攻关，突破了一系列关键技术，打通了多项瓶颈，掌握了全厚度范围的7050合金预拉伸厚板从成分配制至成品包装交货全流程技术，形成了品质稳定的工业化批量生产工艺，并在中国航空航天领域多个重点型号工程上实现了规模化应用，全面打破了某些国家与企业对中国关键制造技术封锁，也使中国相关制造技术水平跻身国际先进水平。

2018年5月，7050合金预拉伸厚板通过中国民用航空适航审定中心适航鉴定，顺利进入中国商飞公司供应商目录，成为中国国产大飞机当下唯 一铝合金材料供应商，无疑对而我们之前做的工作中国大飞机的发展将起一定的推动作用。

（7XXX系合金）

工信部8种重点发展新铝材（一）话说7050合金的组 织性能与生产应用

图1 7XXX系合金的发展

（a）7XXX系航空航天合金的发展进程示意图（见图中FORG-锻件，PLATE-厚板，CXT-挤压材，SHEET-薄板，SCC-应力腐蚀开裂）；

（b）4英寸厚板比屈服强度提高进程（为避免失真，单位与坐标未予换算。）

结语

一代新铝材从研发到成熟应用是一个相当长的过程，肯联铝业公司为空客公司（Air Bus）研发A380宽体远程客机Airware族铝-锂合金先后花了约6.5a时间，中国为大飞机研发7050合金耗时近10a。材料是国家制造业的基础，没有米下锅，哪有饭吃。新材料研发水平及产业化规模是衡量一个国家科学技术、经济实力的风向标，对发展高新技术、改造和提升传统产业、加强综合国力和国防实力等方面均起着极其重要的作用。然而，与发达国家相比，中国新材料产业还有很大差距，起步晚、底子薄，整体实力还相当薄弱。

2017年中国新材料产业规模达3.1万亿元，但是创新能力和竞争实力与国际先进相比还有不小差距。有关部委对130多种关键材料的调研表明：有32%还是空白，52%靠进口；95%的高端专用芯片、 70%的智能终端处理器及80%以上的存储芯片依靠进口；美国等对中国实行的 咬喉 项中， 50%属于新材料范畴。

中国目前在研发与制造的大飞机、航空发动机、舰船等都面临核心零部件急需突破材料及其加工工艺难题。同时，新材料的推广应用与困难重重，成为新材料技术创新成果产业化关键瓶颈；另外，中国新材料产业存在着严重的低水平重复建设问题，原始创新能力不足，投资分散，产业链尚不够完整，应该做到创新与应用并重。

当前，江苏省产业技术研究院在材料领域依托国家 级研发平台建成了6个研究所，与地方政府及创新团队共同建立了8家研究所，涉及先进金属材料、高温合金、碳纤维、石墨烯及复合材料等，这是一个很好的尝试。（王祝堂）