2024鋁合金零件T62熱處理工藝及組織性能研究

趙釗+馮朝輝

摘要：

2024-O鋁型材成形后，需要進(jìn)行熱處理才能達(dá)到最終的T62狀態(tài).合適的熱處理工藝參數(shù)會(huì)得到性能較理想的最終型材，但是熱處理工藝的最佳參數(shù)對(duì)熱處理的工藝控制要求很高，因此很難確定.首先經(jīng)由2024-O鋁型材熱處理工藝試驗(yàn)，系統(tǒng)地研究了固溶處理制度、淬火和人工時(shí)效制度等工藝因素對(duì)合金顯微組織和力學(xué)性能的影響.其次，采用透射電子顯微鏡（TEM）和X射線衍射儀（XRD），在微觀上研究不同制度下，型材微結(jié)構(gòu)的變化與增強(qiáng)相的析出.最后確定了實(shí)驗(yàn)室條件下2024-O狀態(tài)鋁型材T62熱處理的最佳工藝參數(shù)，即（490～505）℃×（20～40）min+（185～195）℃×（8～14）h.在該制度下，型材合金具備較優(yōu)的綜合性能.

關(guān)鍵詞：

2024型材料； T62熱處理工藝； 顯微組織； 力學(xué)性能

中圖分類號(hào)： TS 912+.3-文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Study on Microstructure and Properties of 2024 Aluminum

Parts by T62 Heat Treatment

ZHAO Zhao1， FENG Zhaohui2

（1.College of Engineering and Applied Sciences， Nanjing University， Nanjing 210023， China；

2.Beijing Institute of Aeronautical Materials， Beijing 100095， China）

Abstract：

In order to get relatively ideal property of T62 state on 2024-O aluminum alloy，it needs to be heat treatment with appropriate parameters after molded.It is not easy to get the optimal parameters from the heat treatment which is still very challenge as it require highly control.In this study，2024-O aluminum alloy was systematically studied on microstructure and mechanical properties under various processing，such as solution temperature，holding time，quenching，and artificial aging system.The microstructure has been changed and the precipitate phase has been enhanced where observed by using TEM and XED.Finally，the alloy with better comprehensive performance was obtained by the confirmed parameters of （490-505）℃/（20-40）min+（185-195）℃/（8-14）h，which is the most suitable parameter for 2024-O aluminum alloy with T62 state inlaboratory condition.

Keywords：

2024-O aluminum alloy； T62 heat treatment； microstructure； mechanical property

2024鋁合金廣泛應(yīng)用于航空、航天、雷達(dá)等高科技產(chǎn)品的制造[1-4]，而且目前在科研領(lǐng)域，2024鋁合金材料的組織、第二相析出、性能的熱處理形成規(guī)律的研究也取得了較多的成果[5-7].在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，形狀復(fù)雜的2024鋁合金航空零件一般會(huì)采用O狀態(tài)材料，之后熱處理至T62狀態(tài)[2].研究使用何種熱處理制度可得到最佳綜合性能的鋁合金型材，一直是工程技術(shù)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)[8-9].2024-T62鋁合金零件的熱處理方式，主要由固溶淬火與人工強(qiáng)制時(shí)效兩個(gè)步驟組成，這兩個(gè)步驟涉及大量影響第二相析出的因素[10-14]，從而導(dǎo)致了性能的變化[15-16]，因而2024-T62鋁合金零件熱處理的第二相析出及性能會(huì)隨著這些因素的變化而有規(guī)律地改變.研究2024-T62零件熱處理工藝參數(shù)對(duì)第二相析出及性能形成規(guī)律對(duì)航空復(fù)雜零件的生產(chǎn)具有非常重要的指導(dǎo)意義.因此，本文研究了2024鋁合金O狀態(tài)型材T62熱處理工藝關(guān)鍵參數(shù)對(duì)材料性能及第二相析出的規(guī)律.

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)選用飛機(jī)窗框用2.0 mm規(guī)格O狀態(tài)2024鋁合金型材，研究不同固溶溫度對(duì)零件性能的影響，確定較優(yōu)的固溶溫度.首先通過(guò)研究不同固溶時(shí)間對(duì)2024鋁合金試樣拉伸性能的影響，確定較優(yōu)的固溶處理制度，研究人工強(qiáng)制時(shí)效工藝對(duì)零件性能及第二相析出的影響，確定2024鋁合金試樣的T62時(shí)效制度.

采用透射電子顯微鏡（TEM）和X射線衍射儀（XRD）研究析出的第二相.

1.1 固溶處理對(duì)型材性能的影響

2024鋁合金為可熱處理強(qiáng)化鋁合金，固溶處理對(duì)力學(xué)性能的影響很大[17].所以，試驗(yàn)首先研究不同固溶制度下型材拉伸性能的變化.試驗(yàn)采用規(guī)格為2.0 mm的O狀態(tài)型材，合金型材熱差分析確定2024鋁型材的過(guò)燒點(diǎn)低于508 ℃.因此，試驗(yàn)選取固溶制度為480，485，490，495，500，503和505 ℃，分別固溶35 min.根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，選用495 ℃為固溶溫度，保溫時(shí)間為20～50 min，每隔5 min取1個(gè)時(shí)間點(diǎn)，對(duì)試樣進(jìn)行拉伸測(cè)試，研究固溶時(shí)間對(duì)型材力學(xué)性能的影響.

1.2 時(shí)效制度對(duì)型材組織及性能的影響

設(shè)定固溶制度為495 ℃×35 min，選用室溫水為淬火介質(zhì)，選擇不同時(shí)效溫度和時(shí)效時(shí)間進(jìn)行試驗(yàn)，研究不同時(shí)效制度下型材組織和性能的變化.具體時(shí)效參數(shù)為：175，785，190，195和200 ℃分別時(shí)效6，7，8，9，10，11，12，13和14 h.隨后，將190 ℃×9 h，190 ℃×16 h和200 ℃×9 h時(shí)效的試驗(yàn)合金進(jìn)行TEM觀察和XRD分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 固溶處理對(duì)試驗(yàn)合金性能的影響

根據(jù)固溶處理的方案，測(cè)定每個(gè)試樣的結(jié)果，繪制曲線，如圖1所示.從圖1中可以看出， 固溶溫度在480～490 ℃時(shí)，試驗(yàn)合金的室溫力學(xué)性能不穩(wěn)定；而在490～505 ℃時(shí)，試驗(yàn)合金的室溫力學(xué)性能趨于穩(wěn)定.在490～505 ℃時(shí)，強(qiáng)度隨溫度升高穩(wěn)步提高，伸長(zhǎng)率（δ10）沒(méi)有明顯波動(dòng).因此在490～505 ℃固溶，可以滿足試驗(yàn)合金的室溫力學(xué)性能要求.

圖2為固溶時(shí)間對(duì)試驗(yàn)合金力學(xué)性能的影響.從圖2中可以看出，試驗(yàn)合金的強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率在保溫20～40 min時(shí)，性能穩(wěn)定，保持著較好的強(qiáng)韌匹配.當(dāng)固溶時(shí)間>40 min時(shí)，試驗(yàn)合金的力學(xué)性能隨保溫時(shí)間的延長(zhǎng)而波動(dòng)較大.試驗(yàn)合金的室溫拉伸強(qiáng)度隨固溶時(shí)間的變化而變化，并且圍繞固定值波動(dòng)，而20～40 min內(nèi)的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率變化不大，與總體平均值相近.因此，固溶時(shí)間為20～40 min，可滿足試驗(yàn)合金的室溫力學(xué)性能的要求.綜上所述，2024鋁合金型材較優(yōu)的固溶制度為（490～505） ℃×（20～40） min.

2.2 時(shí)效制度對(duì)試驗(yàn)合金組織性能影響

2.2.1 室溫拉伸性能

2024鋁合金型材經(jīng)過(guò)不同時(shí)效處理后的屈服強(qiáng)度如圖3所示.當(dāng)時(shí)效溫度為175 ℃，時(shí)效6～16 h后， 試驗(yàn)合金的屈服強(qiáng)度均處于較低的水平.當(dāng)時(shí)效時(shí)間為16 h時(shí)，屈服強(qiáng)度為360 MPa，略高于標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定.當(dāng)時(shí)效溫度為185 ℃時(shí)，時(shí)效后的屈服強(qiáng)度均高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的345 MPa.隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，屈服強(qiáng)度不斷提高.時(shí)效時(shí)間為14 h時(shí)，達(dá)到最高393 MPa，隨后屈服強(qiáng)度逐漸降低.當(dāng)時(shí)效溫度為190 ℃時(shí)，在整個(gè)時(shí)效過(guò)程中，材料的屈服強(qiáng)度均保持在較高的水平，為379～403 MPa，比退火態(tài)提高300 MPa左右.當(dāng)時(shí)效10～12 h時(shí)，屈服強(qiáng)度達(dá)到最高，約為403 MPa.隨時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，試驗(yàn)合金的過(guò)時(shí)效響應(yīng)較慢，時(shí)效16 h后，屈服強(qiáng)度仍可達(dá)到380 MPa左右.當(dāng)時(shí)效溫度為195 ℃時(shí)，時(shí)效僅6 h，屈服強(qiáng)度即達(dá)到400 MPa左右.隨時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，試驗(yàn)合金的屈服強(qiáng)度逐漸降低.時(shí)效14 h后，過(guò)時(shí)效響應(yīng)加快，屈服強(qiáng)度顯著降低.當(dāng)時(shí)效溫度提高到200 ℃時(shí)，隨時(shí)效時(shí)間的增加，材料的屈服強(qiáng)度逐漸降低，而且降低的速度較快.當(dāng)時(shí)效10 h時(shí)，屈服強(qiáng)度為337 MPa，不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求.

2024鋁合金型材不同時(shí)效處理后的伸長(zhǎng)率如圖4所示.當(dāng)時(shí)效溫度為175～200 ℃、時(shí)效時(shí)間為6～16 h時(shí)，試驗(yàn)合金的伸長(zhǎng)率隨時(shí)效時(shí)間的弛豫均呈降低趨勢(shì).時(shí)效溫度升高后，降低的速度放緩.不同制度下的伸長(zhǎng)率均與標(biāo)準(zhǔn)要求相符.比較之下，175 ℃時(shí)效，試驗(yàn)合金的伸長(zhǎng)率略高，韌性較好.

綜上所述，時(shí)效溫度為190 ℃、時(shí)效時(shí)間為8～14 h時(shí)，試驗(yàn)合金具有較好的力學(xué)性能，工藝參數(shù)范圍較寬.考慮到試驗(yàn)合金時(shí)效后的強(qiáng)度，以及強(qiáng)韌的匹配程度和工業(yè)化生產(chǎn)的工藝控制，2024鋁合金型材較優(yōu)的T62熱處理制度為（185～195） ℃×（8～14） h.

2.2.2 組織TEM觀察及分析

試驗(yàn)合金經(jīng)190 ℃×9 h、190 ℃×16 h和200 ℃×9 h時(shí)效后的TEM明場(chǎng)像見(jiàn)圖5. 特征析出相的電子衍射花樣見(jiàn)圖6.由圖5可以看出，試驗(yàn)合金經(jīng)過(guò)不同溫度和時(shí)間時(shí)效后，析出相的大小、形狀及分布有明顯的差別.當(dāng)時(shí)效制度為190 ℃×9 h時(shí)，析出相以長(zhǎng)棒狀為主，也有少量較粗的短棒狀和片狀析出相彌散分布，如圖5（a）所示.時(shí)效時(shí)間延長(zhǎng)至16 h，棒狀析出相數(shù)量減少、粗化，細(xì)長(zhǎng)薄片狀析出相數(shù)量增加，并沿同一方向分布，如圖5（b）所示.當(dāng)時(shí)效溫度升高到200 ℃時(shí)，棒狀析出相明顯減少、粗化；細(xì)長(zhǎng)薄片狀析出相增多，長(zhǎng)度增加，粗化，沿3個(gè)方向互成60 °析出，交錯(cuò)分布，如圖5（c）所示.

由電子衍射花樣分析表明，長(zhǎng)棒狀析出相為Al2CuMg，即S（或S ′ ）相，如圖6（a）所示.S（或S ′ ）相為正交結(jié)構(gòu)，空間群Cmcm，點(diǎn)陣參數(shù)a=0.4 nm，b=0.923 nm，c=0.714 nm.S相和S ′ 相的晶體結(jié)構(gòu)、點(diǎn)陣參數(shù)以及位向關(guān)系均完全一致，只在某個(gè)方向上的錯(cuò)配有所不同，因而通常無(wú)法區(qū)分.

較粗的短棒狀析出相為Al7Cu2Fe相，如圖6（b）所示.Al7Cu2Fe相屬于四方結(jié)構(gòu)，空間群為P4/mnc，點(diǎn)陣參數(shù)a=0.633 6 nm，c=1.487 0 nm.

在圖6（a）中，除了Al的[122]衍射譜和Al2CuMg的[011]衍射譜外，還可找出另一套很弱的電子衍射花樣，從拉長(zhǎng)的斑點(diǎn)及其拉長(zhǎng)方向來(lái)看，來(lái)自細(xì)長(zhǎng)薄片狀析出相.

2.2.3 試驗(yàn)合金的XRD分析

試驗(yàn)合金的XRD圖譜如圖7所示.兩個(gè)試樣中均含有Al基體、Al2CuMg和Al7Cu2Fe相.經(jīng)過(guò)高溫時(shí)效后，在200 ℃×9 h時(shí)效的試樣中發(fā)現(xiàn)了Al2Cu的衍射峰，見(jiàn)圖7（b），表明在TEM分析中未能標(biāo)定出的細(xì)長(zhǎng)薄片狀析出相可能是Al2Cu相，即θ（或θ ′ ）相.在高溫時(shí)效后，Al2Cu相增多，使得在XRD圖譜中出現(xiàn)其衍射峰，這與圖5中200 ℃×9 h時(shí)效制度下，試樣中的細(xì)長(zhǎng)薄片狀析出相變多、粗化的現(xiàn)象一致.

2XXX系鋁合金強(qiáng)化主要靠細(xì)小彌散分布的強(qiáng)化相，試驗(yàn)中2024鋁合金型材晶內(nèi)的主要析出相為S ′ （主要強(qiáng)化相）+θ ′ （θ）.試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)和時(shí)效溫度的升高，S ′ +θ ′ （θ）相粗化，并且密度減小，導(dǎo)致試驗(yàn)合金的屈服強(qiáng)度及塑性降低.當(dāng)進(jìn)行190 ℃×9 h時(shí)效后，試驗(yàn)合金的屈服強(qiáng)度均保持在較高的水平，析出相以長(zhǎng)棒狀為主，且細(xì)小彌散.當(dāng)時(shí)效溫度提高到195～200 ℃時(shí)，隨時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，試驗(yàn)合金的屈服強(qiáng)度逐漸降低，棒狀析出物數(shù)量減少、粗化，細(xì)長(zhǎng)薄片狀析出物數(shù)量增多，晶內(nèi)析出相主要是S ′ +θ ′ ，由于時(shí)效溫度較高，導(dǎo)致析出相形核及長(zhǎng)大速度明顯加快，200 ℃時(shí)效9 h，析出相明顯粗化，因而屈服強(qiáng)度低于190 ℃時(shí)效后.

3 結(jié) 論

（1） 2024鋁合金型材T62熱處理制度為：（490～505）℃×（20～40）min+（185～195）℃×（8～14）h，該制度下型材的性能最為理想，其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別為377、481 MPa和11.0%.

（2） 主要強(qiáng)化相是細(xì)小彌散分布的正交結(jié)構(gòu)長(zhǎng)棒狀析出相Al2CuMg，即S（或S ′ ）相；次要強(qiáng)化相是細(xì)長(zhǎng)薄片狀析出相Al2Cu，即θ（或θ ′ ）相.這兩種相的共同存在，使得材料的屈服強(qiáng)度均保持在較高的水平.

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