2024高強(qiáng)度硬鋁合金鑄態(tài)組織及性能研究

曹 帥，馮 梟，馮艷飛，吳金鳳，王維宇，祝 哮

(營口忠旺鋁業(yè)有限公司，遼寧 營口 115000)

2024高強(qiáng)度硬鋁是Al-Cu-Mg合金，屬于熱處理可強(qiáng)化鋁合金，具有質(zhì)輕、耐磨、彈性好、比強(qiáng)度和比剛度高、抗沖擊性能好等綜合性能，是應(yīng)用最為廣泛的結(jié)構(gòu)鋁合金之一[1-4]。在我國國民生產(chǎn)、國防科技及航空航天領(lǐng)域等廣泛應(yīng)用，特別是用于飛機(jī)的機(jī)身、機(jī)翼及連接件、骨架以及高要求的承受循環(huán)載荷的結(jié)構(gòu)件[5-7]。然而，高強(qiáng)度硬鋁在凝固時存在枝晶偏析，在鑄錠心部和邊部晶粒尺寸分布不均，為了更好了解和適應(yīng)新時代各行業(yè)對此類合金性能的不同需要，必須先研究合金鑄態(tài)組織及性能是否滿足需求。本文選取2024高強(qiáng)度硬鋁為研究對象，對其鑄錠徑向不同位置的組織及性能進(jìn)行分析研究。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為2024高強(qiáng)度硬鋁，化學(xué)成分見表1。鑄錠成分符合國標(biāo)要求，鑄錠邊部和心部位置成分偏析≤0.01%，鑄錠內(nèi)部成分均勻，試驗合金成分配比屬于成分下限，主要合金元素為Al、Cu、Mg和Mn。

表1 2024高強(qiáng)度硬鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of 2024 high strength hard aluminum alloy (mass fraction，%)

1.2 試驗過程

2024高強(qiáng)度硬鋁圓鑄錠采用半連續(xù)鑄造方法，鑄造溫度為735 ℃，生產(chǎn)規(guī)格為φ198 mm×1400 mm，鑄錠頭尾各切除300 mm。采用線切割機(jī)截取尺寸大小為25 mm×25 mm×25 mm的試樣，進(jìn)行金相組織觀察，電導(dǎo)率、硬度及拉伸力學(xué)性能測試。試樣經(jīng)過打磨、拋光后選用Keller腐蝕液(1%HF+1.5%HCl+2.5%HNO3+95%H2O)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)率測量，采用FV-810型維氏硬度計進(jìn)行硬度測量，均實測5個點(diǎn)以上，求平均值作為電導(dǎo)率和維氏硬度值；采用ZX-LX-004電子萬能試驗機(jī)進(jìn)行拉伸性能檢測，施加載荷100 kN，實測3組，取平均值作為力學(xué)性能。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 低倍組織分析

圖1為2024合金鑄錠徑向截面低倍組織。由圖1可以看出，低倍組織晶粒度和疏松均為1級，鑄錠表面存在偏析層，鑄錠無氣孔、夾雜、裂紋等鑄造缺陷，鑄錠邊部表面偏析層厚度≤8 mm。

圖1 2024合金鑄錠徑向截面低倍組織(a)和偏析層厚度(b)Fig.1 (a)Macrostructure and (b)the thickness of segregation layer of 2024 alloy ingot in radial section

2.2 合金過燒溫度分析

鋁合金過燒是指低熔點(diǎn)共晶體的復(fù)熔，共晶體復(fù)熔要消耗熔化熱，在差熱分析曲線上表現(xiàn)為定溫吸熱反應(yīng)。某合金差熱分析曲線上出現(xiàn)有定溫吸熱反應(yīng)，則差熱分析曲線上的共晶體復(fù)熔定溫反應(yīng)點(diǎn)在溫度曲線上投影的溫度就是該合金的過燒溫度。圖2為2024合金差熱分析曲線，經(jīng)測定并分析2024鑄態(tài)合金的過燒溫度為499.1 ℃，但由于考慮測量結(jié)果的滯后性及該合金在508 ℃發(fā)生共晶反應(yīng)，實際的過燒溫度應(yīng)該在500～501 ℃。文獻(xiàn)[6-7]研究表明2024合金的過燒溫度為500或501 ℃。

圖2 2024合金鑄錠差熱分析曲線Fig.2 Differential thermal analysis curve of 2024 alloy ingot

2.3 顯微組織分析

圖3為2024鑄態(tài)合金晶粒度圖?？芍?，鑄錠徑向截面中心、R/2和R(邊部)位置的晶粒度依次為2、2和2.5級；鑄錠橫截面中心、R/2和R位置的平均晶粒大小差異較大，平均晶粒尺寸依次為172、161和143 μm。鑄錠晶粒大小差異主要是由于鑄錠凝固是從鑄錠軸向外表面向里先開始形核與長大，鑄錠在凝固初期，鑄錠壁面上形成極大的過冷度，且粗糙的壁表面可以作為自發(fā)形核，鑄錠表面迅速形成細(xì)小的等軸晶。隨著凝固繼續(xù)進(jìn)行，晶粒擇優(yōu)生長方向和熱流方向一致的晶粒生長較快，所以取向垂直于壁面的晶粒生長最快，晶粒之間形成是互相競爭生長的結(jié)果。晶粒取向與壁面垂直的晶粒生長比周圍晶粒早，形成柱狀區(qū)。而剩余晶粒取向和型壁不垂直的晶粒則受到抑制，停止生長。沿壁面方向散熱逐漸遲緩，同時已成長的柱狀晶由于結(jié)晶潛熱的釋放而溫度逐漸升高，中心的凝固溫度降低，中心溫度梯度減小，因而柱狀晶停止生長，在中心形成粗大的等軸區(qū)。

圖4為2024鑄態(tài)合金的金相組織形貌。研究表明，2024高強(qiáng)度硬鋁鑄錠中主要相為α(Al)與S(CuMgAl2)相，還可能有少量θ(CuAl2)和Mg2Si相。從圖4可以看出，基體α(Al)呈等軸狀，枝晶網(wǎng)絡(luò)上存在大量共晶體，主要為α(Al)+S(CuMgAl2)相，存在少量的其他相。鑄態(tài)鋁合金析出相及共晶組織大量集中或偏聚在晶界上，并且晶粒大小不均勻，還出現(xiàn)大量發(fā)達(dá)枝晶，連續(xù)枝晶網(wǎng)格顯著，甚至出現(xiàn)了二次枝晶等。

(a)中心位置；(b)R/2位置；(c)R位置圖3 2024鑄態(tài)合金晶粒度(a) center; (b) R/2 position; (c) R positionFig.3 Grain size of 2024 as-cast alloy

(a)中心位置；(b)R/2位置；(c)R位置圖4 2024鑄態(tài)合金的金相組織(a) center; (b) R/2 position; (c) R positionFig.4 Metallographic structure of 2024 as-cast alloy

圖5為2024鑄態(tài)合金的顯微組織形貌及第二相能譜分析位置。從圖5中可以看出，鑄態(tài)合金的晶界成連續(xù)的網(wǎng)狀分布，部分晶界存在較大的析出相和共晶組織，枝晶網(wǎng)絡(luò)發(fā)達(dá)，晶界內(nèi)有十分清晰的骨骼狀組織。表2為不同位置EDS能譜分析結(jié)果。

(a)中心位置；(b)R/2位置；(c)R位置圖5 2024鑄態(tài)合金的顯微組織形貌(a) center; (b) R/2 position; (c) R positionFig.5 Microstructure of 2024 as-cast alloy

表2 2024鑄態(tài)合金不同位置的EDS能譜分析(原子百分比，%)Table 2 EDS spectrum analysis of 2024 as-cast alloy atdifferent positions (atomic percentage，%)

2.4 電導(dǎo)率及力學(xué)性能分析

表3為2024鑄態(tài)合金徑向截面中心、R/2和R位置的常溫電導(dǎo)率及力學(xué)性能檢測結(jié)果。從表中可以看出，鑄錠中心、R/2和R位置的電導(dǎo)率變化不大，但硬度和拉伸力學(xué)性能均呈現(xiàn)出鑄錠R位置較大、中心位置較小的趨勢。這主要由于鑄錠不同位置的晶粒大小不同。

表3 2024鑄態(tài)合金的常溫力學(xué)性能及電導(dǎo)率Table 3 Mechanical properties and electrical conductivity of2024 as-cast alloy at room temperature

3 結(jié)論

1)2024高強(qiáng)度硬鋁鑄錠無疏松、夾雜、裂紋等鑄造缺陷，鑄錠偏析層厚度≤8 mm；合金的過燒溫度為499.1 ℃，鑄錠邊部和心部位置成分偏析≤0.01%。

2)鑄錠徑向截面中心、R/2和R(邊部)位置的晶粒度依次為2、2和2.5級，平均晶粒大小差異較大，中心位置平均晶粒尺寸遠(yuǎn)大于R位置晶粒尺寸，鑄錠徑向截面中心、R/2和R位置的晶粒平均尺寸依次為172、161和143 μm。

3)合金主要由α(Al)、S(CuMgAl2)、θ(CuAl2)和Mg2Si相組成。組織出現(xiàn)大量發(fā)達(dá)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。

4)鑄錠中心、R/2和R位置的電導(dǎo)率變化不大，但硬度和拉伸力學(xué)性能均呈現(xiàn)出鑄錠R位置較大、中心位置較小的趨勢。