熱變形方式對2D70鋁合金組織與性能的影響

朱國鋒

摘 要：利用光學(xué)顯微鏡、力學(xué)性能測試和投射電鏡對分別對合金棒材鍛造過程中的組織和進(jìn)行熱處理過程中的組織進(jìn)行觀察，對兩種情況下的合金組織進(jìn)行對比觀察。結(jié)果表明，強(qiáng)變形工藝所獲得的合金組織相對常規(guī)變形方式的均勻且各類第二相分布合理；合金棒材抗過時效能力在195℃人工時效階段更具優(yōu)越性，2D70合金熱穩(wěn)定性相對較好。

關(guān)鍵詞：耐熱鋁合金；強(qiáng)變形；鍛造；組織變化

引言

2D70鋁合金屬于耐熱鋁合金，這種鋁合金強(qiáng)度高、具有耐高溫性能，是可熱處理強(qiáng)化合金，有著良好的綜合性能，廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。對于軍用飛機(jī)的中央地板、接頭肋、橫梁和框板飛機(jī)的翼梁等部件，往往是用2D70鋁合金制造的。2D70合金是降低Si元素含量形成的，同時加入A19FeNi的Fe和Ni等能形成穩(wěn)定金屬間化合物。2D70鋁合金在常溫下與普通合金的強(qiáng)度相差無幾，但是在高溫下的強(qiáng)度卻比普通合金高很多，具有良好的工藝性能，2D70鋁合金主要用于制造需要耐高溫的機(jī)械零件，溫度大約為150℃到250℃之間。隨著我國航空航天事業(yè)的飛速發(fā)展，我國對于耐熱合金的改進(jìn)也提出了新的要求。世界對于2D70合金的研究相對較少，尤其是熱變形方式對于2D70合金影響的研究更是很少。本實驗旨通過研究2D70耐熱鋁合金在鍛造過程中和熱變形過程中微觀組織、力學(xué)性能的變化，以此作為熱變形工藝優(yōu)化的實驗及理論基礎(chǔ)。

1 實驗方法

實驗用2D70鋁合金制成的合金棒材作為實驗品，如表1所示。首先對合金棒材進(jìn)行鍛造，隨后對鍛造后的合金棒材進(jìn)行了熱變形加工和常規(guī)變形加工，使合金棒材中大量可溶非平衡共晶得到了最大限度的消耗。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行固溶處理，固溶制度所采用的是540℃×2.5h，完成后進(jìn)行淬火處置，為了準(zhǔn)確探究熱變形方式對合金棒材鍛造過程中組織性能的影響，實驗采用不同的熱變形方式。選取1/3半徑處作為最具代表性的方式，進(jìn)行橫縱截面合金組織進(jìn)行對比并分析不同固溶態(tài)和變形態(tài)材料的差異性，從而進(jìn)行比較研究。用JEM-2011型電鏡進(jìn)行高分辨透射電鏡的觀察。表1為實驗合金化學(xué)分析結(jié)果。

表1 合金化學(xué)成分分析

2 結(jié)果與討論

2.1 2D70棒材在鍛造過程中的組織分析

耐熱系合金化學(xué)組成、相組成都是比較復(fù)雜的，從合金棒材鍛造過程中掃描電鏡相片可以看出，2D70合金作為一種耐熱性合金也是一種較為復(fù)雜的合金，該合金中有大量的低熔點、非平衡共晶相，除此之外還有較多尺寸較大的條狀及塊狀相的存在。該合金在鍛造過程中，出現(xiàn)冷卻速度較大的非平衡凝固過程。高溫一次析出相為Al9FeNi，Al7Cu4Ni和Al7Cu2Fe相首先析出，低于固相線后，在一定的異質(zhì)核心周圍的隨著熔體溫度的降低發(fā)生凝固析出。蜂窩狀的共晶組織最為典型，化學(xué)成分計量與Al2CuMg相較為接近，其中，Cu，F(xiàn)e，N元素沒有Mg元素的分布均勻，存在嚴(yán)重偏析。共晶相、塊狀相中Cu元素大量存在，F(xiàn)e主要分布在塊狀相以及條狀相當(dāng)中。從合金中衍射花樣圖譜以及典型析出相的形貌分析結(jié)果來看，大量塊狀相為Al9FeNi相，條狀相為Al7Cu4Ni相，可以確定的是合金共晶組織中黑色部分為Al2CuMg/Al2Cu，這與SEM分析結(jié)果是一致。其中晶格常數(shù)為a=0.8574nm，b=0.9001nm，c=0.8601nm的是Al9FeNi相為單斜結(jié)構(gòu)。按照理想情況，2D70合金中主要是Fe、Ni與鋁形成Al9FeNi三元相，其中Fe，Ni元素按照1∶1比例添加最為合適。這種組織相因其熱穩(wěn)定性相對較好，所以對于合金的強(qiáng)度有著顯著提高，尤其是在高溫下，耐熱性能也得到顯著提升。如果Fe或Ni偏析，則因為出現(xiàn)局部“過?！钡腇e或Ni而相應(yīng)地形成Al7Cu2Fe或Al7Cu4Ni相兩種脆性相，因此使得使合金的力學(xué)性能降低。

2.2 熱變形工藝對合金棒材組織的影響

通過實驗我們可以觀察到常規(guī)變形方式形成的棒材與強(qiáng)變形方式形成的棒材的鍛造態(tài)和均勻化狀態(tài)。通過透射電鏡我們觀察到：常規(guī)變形方式的棒材的均勻度不如強(qiáng)變形方式的棒材，常規(guī)變形方式的棒材的狀態(tài)是有一定程度的破裂，分布不均，棒材的形態(tài)有著很大的差異。從橫縱截面的觀察中看到局部發(fā)生了團(tuán)簇現(xiàn)象。而由強(qiáng)變形方式制成的棒材在透射電鏡中呈現(xiàn)的是網(wǎng)狀型晶體分布，晶體之間的網(wǎng)狀較細(xì)，分布均勻。晶粒尺寸的為大約為100-490μm之間，晶粒之間有大量的混色和黑色混雜的共生相。棒材組織中，在晶體分布的晶界處，低熔點化合物發(fā)生了回熔的情況，雖然我們可以看到第二相在合金棒材中還是大量的存在著，但是共晶體的數(shù)量相對于之前而言卻是減少的，而剩余存在在合金棒材中的第二相大多為高熔點的Al9FeNi、Al7Cu4Ni結(jié)晶相等。觀察強(qiáng)變形方式棒材的均勻化態(tài)，我們可以看出晶體內(nèi)元素的分布是不均勻的并且還存在羽毛狀相。由此可見，對于這種情況需要進(jìn)行處理，通過一定的均勻化處理來是不均勻的晶體元素分布達(dá)到相對均勻化，使棒材在冷卻時的內(nèi)應(yīng)力得到有效的降低。通過兩種方式的棒材的鍛造態(tài)和均勻化處理后的狀態(tài)觀察，強(qiáng)變形方式的棒材相對常規(guī)變形方式的鑄錠具有明顯的優(yōu)勢。兩種工藝對合金棒材變形態(tài)和固溶態(tài)組織都有著相似的影響，但是比較而言，熱變形工藝還是具有相對的有利點。

3 結(jié)束語

（1）常規(guī)變形方式與強(qiáng)變形方式相比較而言，強(qiáng)變形方式對2D70的強(qiáng)度影響較大，強(qiáng)變形方式可以提高2D70鋁合金的強(qiáng)度。通過實驗，2D70鋁合金在強(qiáng)變形方式的處理之下，在195℃高溫處理之下，它的極限抗壓能力得到相應(yīng)的提升，屈服強(qiáng)度也得到增強(qiáng)具有更強(qiáng)的抗過時效能力，所以，熱變形工藝可以使2D70鋁合金的強(qiáng)度得到有效的增強(qiáng)，對于鍛造強(qiáng)度較大的機(jī)械品有很大的優(yōu)勢。

（2）2D70鋁合金第二相組織形態(tài)受到變形方式的影響。常規(guī)變形方式與強(qiáng)變形方式向比較，強(qiáng)變形方式制成的棒材相對均勻，第二相不易發(fā)生變化。而常規(guī)變形方式制成的棒材的組織分布不均，2D70鋁合金的第二相容易受到影響而發(fā)生變化。

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