均勻化時(shí)間對(duì)2024鋁合金組織及性能的影響

馮艷飛，王東輝，楊 路，謝方亮，鄭 建，王 克

(營口忠旺鋁業(yè)有限公司，遼寧 營口 115000)

2024鋁合金是Al-Cu-Mg合金，屬于熱處理可強(qiáng)化鋁合金，具有強(qiáng)度高、比重低、耐熱性和加工性能好等優(yōu)點(diǎn)，主要用作飛機(jī)蒙皮、骨架及衛(wèi)星等航天器上要求承受高循環(huán)載荷的結(jié)構(gòu)件，已成為航空工業(yè)中使用最為廣泛的鋁合金材料之一[1-3]。然而，2024鋁合金在凝固時(shí)存在枝晶偏析，在晶界和晶內(nèi)各組元分布不均，必須通過均勻化處理消除或降低鑄錠的化學(xué)成分和組織的不均勻性，促進(jìn)合金低熔點(diǎn)可溶解共晶相完全分解或接近完全溶解及化學(xué)成分分布趨于均勻[4-6]。而溫度和時(shí)間是鑄錠均勻化處理的兩個(gè)最重要工藝參數(shù)，本文通過研究495 ℃均勻化溫度下保溫不同時(shí)間后2024鋁合金組織、電導(dǎo)率、硬度及拉伸力學(xué)性能的變化，優(yōu)化2024合金的均勻化工藝，為實(shí)際生產(chǎn)提供理論及參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為2024鋁合金，其主要化學(xué)成分如表1所示，鑄錠成分符合國標(biāo)要求，主要合金元素為Cu、Mg、Mn，微量合金元素Cr、Ti、Zn及少量雜質(zhì)元素Fe和Si。

表1 2024合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of 2024 alloy(mass fraction，%)

1.2 試驗(yàn)方法

采用半連續(xù)鑄造方法進(jìn)行鑄造，鑄造溫度735 ℃。生產(chǎn)規(guī)格為φ198 mm×1400 mm的2024鋁合金圓錠。對(duì)其鑄錠頭尾各切除300 mm，再沿鑄錠軸向截取厚度300 mm鑄錠并進(jìn)行軸向機(jī)加。鑄錠試驗(yàn)料分為鑄錠的中心位置(距軸心≤40 mm)、R/2位置(40 mm<距軸心≤65 mm)和R位置(距軸心>65 mm)，本試驗(yàn)選用R位置的試驗(yàn)料，將鑄錠邊部棒料分別機(jī)加成大小為25 mm×25 mm×200 mm試樣。在495 ℃均勻化溫度下分別保溫8、12、16、20、24和28 h，觀察試樣顯微組織，測(cè)試試樣電導(dǎo)率、硬度及拉伸力學(xué)性能。

選用Keller腐蝕液(1% HF、1.5% HCl、2.5% HNO3、95% H2O，體積分?jǐn)?shù))進(jìn)行腐蝕，采用Axio-Imager蔡司顯微鏡觀察金相顯微組織，。采用Sigmatest2.069渦流電導(dǎo)儀在室溫(23 ℃)進(jìn)行電導(dǎo)率測(cè)量，采用加載1 kg、10 s載荷的FV-810型維氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度測(cè)量，均實(shí)測(cè)5個(gè)點(diǎn)以上，求其平均值作為電導(dǎo)率和維氏硬度值。采用ZX-LX-004電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，施加載荷100 kN，為保證拉伸力學(xué)測(cè)試的真實(shí)性，實(shí)測(cè)3組取其平均值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 均勻化時(shí)間對(duì)組織的影響

圖1為2024鑄造合金邊部(簡(jiǎn)稱“R”)位置的顯微組織。圖1(a)和1(b)為合金的金相組織，可看出其晶粒大小不均勻，晶粒度為3級(jí)，晶粒平均尺寸約為143 μm。合金中出現(xiàn)大量發(fā)達(dá)枝晶，且晶界內(nèi)有十分清晰的骨骼狀組織，連續(xù)枝晶網(wǎng)格顯著，甚至出現(xiàn)了二次枝晶，需要進(jìn)一步熱處理以消除。圖1(c)為合金的SEM組織形貌，發(fā)現(xiàn)晶界存在大量的析出相及共晶組織，鑄態(tài)合金中析出相和第二相的EDS結(jié)果如表2所示，推斷A點(diǎn)為Mg2Si+S(CuMgAl2)，B點(diǎn)為S(CuMgAl2)，C點(diǎn)為S(CuMgAl2)+θ(Al2Cu)，D點(diǎn)為Mg2Si+S(CuMgAl2)。

(a)、(b)金相組織；(c)SEM圖1 2024鋁合金鑄態(tài)顯微組織(a) and (b) metallographic structure; (c) SEMFig.1 Microstructure of as-cast 2024 aluminum alloy

表2 2024鑄態(tài)合金的EDS能譜分析(原子分?jǐn)?shù)，%)Table 2 EDS spectrum analysis of 2024 as-cast alloy(atom fraction，%)

圖2為495 ℃均勻化溫度下，不同均勻化處理時(shí)間的2024鋁合金顯微組織。隨著均勻化時(shí)間的延長，合金中粗大的共晶組織、枝晶和非平衡低熔點(diǎn)共晶相逐漸溶解，晶界上的殘留相由連續(xù)分布逐漸轉(zhuǎn)變間斷連續(xù)分布，最后轉(zhuǎn)變不連續(xù)分布狀態(tài)。合金在495 ℃均勻化處理8～24 h時(shí)，枝晶網(wǎng)絡(luò)溶解不充分，晶界上存在未固溶的粗大共晶組織、非平衡相及枝晶逐漸隨均勻化時(shí)間的延長而不斷減少；均勻化處理28 h后，合金中的枝晶網(wǎng)絡(luò)非常稀疏，非溶相和枝晶偏析基本消除，殘留相非常稀少。這主要是由于在較高溫均勻化處理，晶界上偏聚的合金化元素或相已基本完全固溶到基體中，晶界及其邊沿呈合金元素貧化狀態(tài)，結(jié)合圖3中SEM組織分析更加明顯。合金組織主要由樹狀α(Al)和枝晶間低熔點(diǎn)共晶體組成，基體α(Al)呈等軸狀，枝晶網(wǎng)絡(luò)上存在共晶體，主要為α(Al)+S(CuMgAl2)共晶體和少量的α(Al)+S(CuMgAl2)+(Al2Cu)共晶體等，還有少量的Mg2Si、(FeMnSi)6相。經(jīng)495 ℃×8 h和495 ℃×28 h均勻化處理后，析出相和第二相的EDS分析結(jié)果如表3所示，結(jié)合圖3推斷可能的結(jié)果：A點(diǎn)為S(CuMgAl2)，B點(diǎn)為S(CuMgAl2)，C點(diǎn)為S(CuMgAl2)+(Al2Cu)+(FeMnSi)6，D點(diǎn)為Mg2Si+S(CuMgAl2)。

(a)495 ℃×8 h；(b)495 ℃×12 h；(c)495℃×16 h；(d)495 ℃×20 h；(e)495 ℃×24 h；(f)495 ℃×28 h圖2 不同均勻化處理的2024鋁合金顯微組織Fig.2 Microstructure of 2024 aluminum alloy with different homogenization treatment

(a)495 ℃×8 h；(b)495 ℃×28 h圖3 不同均勻化處理的2024鋁合金SEM組織Fig.3 SEM of 2024 aluminum alloy with different homogenization treatment

表3 不同均勻化處理2024鋁合金的EDS能譜分析(原子分?jǐn)?shù)，%)Table 3 EDS energy spectrum analysis of 2024 aluminum alloy withdifferent homogenization treatment(atom fraction，%)

2.2 均勻化時(shí)間對(duì)電導(dǎo)率的影響

圖4為495 ℃均勻化溫度下，不同均勻化時(shí)間與2024合金電導(dǎo)率的關(guān)系?？梢钥闯?，鑄態(tài)合金電導(dǎo)率為29.95 %IACS；隨著均勻化時(shí)間的延長，合金電導(dǎo)率逐漸增加，經(jīng)495 ℃×28 h均勻化處理后合金電導(dǎo)率最佳，為36.66 %IACS，較鑄態(tài)合金導(dǎo)電率提高了22.4%。

圖4 不同均勻化處理后合金的電導(dǎo)率Fig.4 Conductivity of the alloy after different homogenization treatment

2.3 均勻化時(shí)間對(duì)力學(xué)性能的影響

圖5為495 ℃均勻化溫度下，不同均勻化時(shí)間與2024合金維氏硬度的關(guān)系。可以看出，鑄態(tài)合金維氏硬度為96.8 HV；隨著均勻化時(shí)間的延長，合金維氏硬度逐漸增大，經(jīng)495 ℃×28 h均勻化處理后合金的維氏硬度最大，為143.5 HV，較鑄態(tài)合金相比維氏硬度顯著提高了48.2%。這主要與均勻化過程彌散相數(shù)量、尺寸和分布有關(guān)。

圖5 不同均勻化處理后合金維氏硬度Fig.5 Vickers hardness of the alloy after different homogenization treatment

圖6為495 ℃均勻化溫度下保溫不同時(shí)間后，2024鋁合金鑄錠的常溫力學(xué)拉伸試驗(yàn)結(jié)果?？梢钥闯?，隨均勻化時(shí)間的延長，合金抗拉強(qiáng)度不斷增大；屈服強(qiáng)度呈先增大后減小再增大趨勢(shì)，但整體屈服強(qiáng)度均高于未均勻化處理的；而延伸率變化與屈服強(qiáng)度相反。經(jīng)495 ℃×8 h均勻化處理后，合金的屈服強(qiáng)度最大，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及延伸率分別為243.2 MPa、349.5 MPa和4.4%；經(jīng)495 ℃×16 h均勻化處理后，合金的延伸率最大，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及延伸率分別為221.2 MPa、356.6 MPa和7.8%；經(jīng)495 ℃×28 h均勻化處理后，合金的抗拉強(qiáng)度最大，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及延伸率分別為229.9 MPa、367.5 MPa和5.4%。

圖6 不同均勻化處理后合金的力學(xué)性能Fig.6 Mechanical properties of the alloy after different homogenization treatment

圖7為495 ℃均勻化溫度下保溫不同時(shí)間后，2024合金拉伸斷口SEM形貌?？梢钥闯觯熳冃芜^程中的滑移面較多，尤其是495 ℃×28 h均勻化處理后，由大量大小不同、深淺不一的韌窩組成，且在韌窩的底部均勻分布細(xì)小的彌散相。

(a)495 ℃×8 h；(b)495 ℃×16 h；(c)495 ℃×20 h；(d)495 ℃×28 h圖7 不同均勻化處理后拉伸斷口形貌Fig.7 Tensile fracture morphology with different homogenizaton treatment

3 結(jié)論

1)2024鋁合金鑄態(tài)晶粒不均勻，出現(xiàn)大量枝晶，連續(xù)枝晶網(wǎng)格顯著，甚至出現(xiàn)了二次枝晶，在晶界處存在大量的析出相及共晶組織。經(jīng)495 ℃×28 h均勻化處理后，枝晶網(wǎng)絡(luò)非常稀疏，非溶相和枝晶偏析基本消除。

2)在495 ℃均勻化溫度下，隨著均勻化時(shí)間的延長，電導(dǎo)率逐漸增加，495 ℃×28 h均勻化處理后電導(dǎo)率最大為36.66 %IACS，較鑄態(tài)電導(dǎo)率提高了22.4%。

3)合金經(jīng)495 ℃×28 h均勻化后，維氏硬度和強(qiáng)度最高，分別為143.5 HV和367.5 MPa，較鑄態(tài)分別提高了48.2%和35.6%。