液態(tài)模鍛ZL205A鋁銅合金熱裂敏感性研究

邢書明， 趙必為

(北京交通大學 機械與電子控制工程學院， 北京 100044)

ZL205A是中國自主研發(fā)的高強鑄造鋁合金。與其他鋁銅合金類似，雖然強度很高，但其工藝性能和韌塑性較差，一般都是砂型鑄造方法成形，限制了材料性能的充分發(fā)揮。砂型鑄造副車架本體取樣T5處理的平均抗拉強度、屈服強度分別高達510 MPa和402 MPa，但伸長率只有6.8%[1]。而液態(tài)模鍛ZL205A鋁合金汽車空調(diào)器搖盤在工藝恰當時，經(jīng)T6處理后，在抗拉強度、屈服強度分別高達506 MPa和477.3 MPa的同時，延伸率提高了1倍，高達 12.7%[2]。這說明，液態(tài)模鍛ZL205A鋁銅合金可以進一步提高其強度，顯著提高塑性。

由于鑄造Al-Cu合金熱裂主要與凝固后期應力應變導致的準固相變形和補縮受阻有關(guān)[3]，許多相關(guān)研究從力學、補縮方面提出熱裂的形成判據(jù)。NOVIKOV[4]最早利用“凝固范圍塑性儲備”特征參量Pr來描述合金的熱裂敏感性，表示為凝固后期熱脆區(qū)中材料的斷裂伸長率與線性熱收縮的平均值，其值越小，熱裂敏感性越大。在應力應變與補縮兩方面綜合作用下，一些學者也做了很重要的工作，RAPPAZ等[5]認為裂紋是由合金中孔隙形成的，并據(jù)此提出了一種RDG模型，在準固態(tài)區(qū)間的壓降是由形變與補縮受阻共同導致的，其形變量由應變速率決定。在凝固時，熔體流動受阻而在枝晶間產(chǎn)生壓降，當壓力降到某一臨界值時就會產(chǎn)生熱裂。同樣，當應變速率超過某一臨界值時也會產(chǎn)生熱裂。目前，許多研究探討了有關(guān)二元Al-Cu合金的各合金相、工藝參數(shù)與熱裂的關(guān)系。液態(tài)模鍛ZL205A的熱裂敏感性仍然存在[6],但關(guān)于其熱裂機制尚無定論，防止措施不甚明確，限制了鋁銅合金液態(tài)模鍛的應用。本文利用反向擠壓液態(tài)模鍛技術(shù)，研究了ZL205A的液態(tài)模鍛熱裂敏感性。

1 實 驗

1.1 實驗材料與過程

實驗用ZL205A合金為符合國標要求的合金錠，其化學成分見表1。

表1 ZL205A合金的主要化學成分及質(zhì)量分數(shù)

實驗過程：將ZL205A合金錠用電阻坩堝爐熔煉，并用干燥的C2Cl6除氣精煉，靜置5～10 min除渣后，開模澆入如圖1所示的模具內(nèi)，利用HTP-200A液態(tài)模鍛機進行反向擠壓液態(tài)模鍛成形，得到如圖2所示的阿基米德螺旋線試樣，出模后觀察其熱裂情況，用螺旋線試樣的開裂程度表征其裂紋敏感性。

1.2 實驗方法

為了研究壓力對ZL205A熱烈敏感性的影響，進行了30，60，90 MPa這3個不同液鍛壓力的螺旋線試樣液態(tài)模鍛實驗，其余工藝參數(shù)為：液鍛速度40 mm/s，澆注溫度(730±5) ℃，模具溫度(150±5) ℃，保壓時間15 s，開始加壓時間<5 s。

為研究液鍛ZL205A的組織和性能，從液鍛件的料餅部位截取長×寬×高為5 mm×12 mm×35 mm的片狀試樣進行T6熱處理，熱處理工藝為(538±3) ℃、保溫15 h固溶處理后，出爐40 ℃水淬，再在(155±3) ℃溫度下，分別經(jīng)4,6,8,11,13,15,17,19 h時效處理后，加工成如圖3所示的拉伸試樣，使用Z050型電子萬能材料試驗機進行拉伸實驗，拉伸速率為1 mm/min，實驗溫度28 ℃。

1—內(nèi)六角螺釘；2—內(nèi)六角螺釘； 3—復位桿； 4—支撐板；5—壓室固定板；6—導柱；7—內(nèi)六角螺釘；8—型芯固定板； 9—壓頭；10—內(nèi)六角螺釘；11—上模座；12—型芯；13—定模板；14—壓室；15—內(nèi)六角螺釘；16—墊塊；17—推桿；18—推板固定板；19—推板；20—下模座。 圖1 液態(tài)模鍛螺旋線試樣模具示意圖Fig.1 Schematic diagram of the spiral

圖2 液態(tài)模鍛螺旋線試樣Fig.2 Spiral sample of MMDF

圖3 拉伸試樣形狀和尺寸Fig.3 Shape and size of tensile specimen

利用型號XTZ-5XCMS的金相顯微鏡觀察試樣的微觀組織，使用ImageJ圖像分析軟件進行初生相的定量金相分析。使用型號Quanta 450的場發(fā)射掃描電子顯微鏡，分析鑄件的組織和拉伸試樣斷口形貌，并用EDX能譜分析元素組成及含量。采用德國BRUKER公司的D8 Advanced型號的X射線衍射儀進行物相組成分析，并用jade軟件進行數(shù)據(jù)分析。

2 實驗結(jié)果

2.1 液鍛ZL205A的熱裂

螺旋線液態(tài)模鍛實驗結(jié)果表明，隨著壓力的增大，ZL205A的熱裂程度顯著降低。擠壓壓力為30 MPa的液態(tài)模鍛螺旋線試樣，充型完整，但出模后斷為4段，如圖4(a)所示；當液鍛壓力提高至60 MPa時，同樣充型完整，但螺旋線試樣沒有裂紋，表面光潔，如圖4(b)所示；液鍛壓力提高至90 MPa時，同樣充型完整、沒有裂紋，如圖4(c)所示。這說明，液鍛壓力有助于抑制熱裂敏感性，壓力提高到一定水平，就可以完全消除熱裂。

圖4 采用不同擠壓壓力進行液態(tài)模鍛ZL205A螺旋線試樣鑄件Fig.4 ZL205A spiral sample casting with different MMDF pressure

熱裂斷口的掃描電鏡圖如圖5所示。可見，斷口形貌呈現(xiàn)圓球狀和花瓣狀，這是樹枝狀初生相的前端。同時可以清晰看到在枝晶末端附著一層圓滑的液膜如圖5(b)所示，這個液膜就是剩余液相凝固后的產(chǎn)物。這種斷口形貌與鋁銅合金熱裂紋斷口形貌吻合，可以推斷，液態(tài)模鍛螺旋線試樣的斷裂是由熱裂紋擴展造成的。

圖5 螺旋線試樣斷裂處的斷口形貌Fig.5 Fracture morphology of helix specimen

2.2 液鍛ZL205A的性能

液鍛ZL205A經(jīng)538 ℃，15 h固溶處理及155 ℃不同時間的時效處理后，拉伸試驗結(jié)果如圖6所示。可見，液鍛ZL205A合金沒有明顯的屈服現(xiàn)象，但塑性較好，表現(xiàn)出典型的加工硬化特性。隨著時效時間的延長，材料極限強度提高，塑性降低。當時效時間達到6 h時，極限強度最高，延伸率還在10%以上(HB962—2001要求≥3%為合格)。再延長時效時間，強度下降，塑性有所提高。這說明液鍛ZL205A在155 ℃的峰值時效時間為6 h。

圖6 液態(tài)模鍛ZL205A鑄件T6處理后的拉伸性能Fig.6 Tensile properties of MMDF ZL205A after T6 heat treatment

3 分析討論

3.1 液鍛ZL205A凝固組織演變

壓力對熱裂敏感性的影響作用機制需要從液鍛ZL205A的凝固路徑來分析。液鍛壓力60 MPa時ZL205A 合金螺旋線的凝固組織如圖7所示，主要由基體相、晶界第二相和黑色塊狀第二相組成。可見晶界較寬且清晰，第二相在晶界處分布但不連續(xù)；條狀第二相尺寸較小且數(shù)量較少，分布也不均勻。

圖7 液態(tài)模鍛ZL205A的凝固組織Fig.7 Solidification structure of MMDF ZL205A

掃描電鏡觀察可見，晶界物質(zhì)由淺色和深色不連續(xù)且網(wǎng)格狀兩種相A,B組成，如圖8所示。晶界上淺色相A和深色相B的能譜分析結(jié)果表明，兩者都主要由Al,Cu元素組成，深色相A還含有一定量的Mn元素，各相中還包含了Cd，Ti等微量元素。基體C區(qū)域的能譜分析顯示，Al元素質(zhì)量分數(shù)高達 98.54%，此外含有少量的Cu元素及微量元素，可以推斷基體為α(Al)相。

圖8 液態(tài)模鍛ZL205A 合金SEM微觀組織和能譜分析Fig.8 SEM microstructure and EDS analysis of the MMDF ZL205A alloy

為了確定晶界上的物相，使用X射線衍射儀以5(°)/min的步長從15°～85°分析螺旋線鑄件樣品，得到的X射線圖譜如圖9所示。由此可以確認，液鍛ZL205A凝固組織中，除了基體α(Al)相外，還存在Al2Cu二元化合物和Al12CuMn2三元化合物。結(jié)合圖10所示的 Al-Cu-Mn合金的三元相圖，可以推斷出二元化合物和三元化合物都是共晶凝固產(chǎn)物。

圖9 液態(tài)模鍛ZL205A螺旋線鑄件的XRD圖譜Fig.9 XRD pattern of MMDF ZL205A spiral

圖10 Al-Cu-Mn合金三元相圖[7]Fig.10 Ternary phase diagram of Al-Cu-Mn alloy

由Al-Cu-Mn合金的三元相圖及Al-Mn二元相圖可知，可以推斷出液態(tài)模鍛ZL205A合金的凝固路徑包括5個步驟：①隨著溫度降低，合金熔體中首先析出α(Al)初生相，同時排除溶質(zhì)元素Cu,Mn。②α枝晶前端的液相中錳含量達到1.9%時，在656 ℃就可以發(fā)生共晶反應，形成α和Al6Mn。③當溫度降至包晶溫度616 ℃時，發(fā)生包晶反應L+ Al6Mn→α。雖然，包晶反應通常都難以進行完畢，會有少量的Al6Mn殘留，XRD未能檢出。④溫度繼續(xù)降低及α(Al)初生相凝固排出的溶質(zhì)Mn，Cu濃度的增加，到達547.5 ℃時，剩余液相滿足二元共晶凝固條件，發(fā)生L→α(Al)+θ(Al2Cu)二元共晶反應。但因冷卻較快，二元共晶反應不充分，仍有剩余液體。⑤剩余的液相隨著溫度的進一步降低，溶質(zhì)進一步富集，滿足三元共晶條件時，會發(fā)生L→α(Al)+θ(Al2Cu)+T(Al12CuMn2)三元共晶反應，凝固完全結(jié)束。由這一凝固路徑可知，熱裂斷口的液膜主要是共晶產(chǎn)物。

3.2 壓力抑制液鍛ZL205A熱裂敏感性的機制

鋁銅系鑄造合金的熱裂敏感性是一個熱點問題[8-9]。目前公認的熱裂形成機理可以歸納為液膜理論、強度理論、裂紋型成功理論及晶間搭橋理論4類[10-11]。從熱裂斷口的掃描電鏡圖上(圖5)看到了枝晶前端的液膜，可以認為，液鍛ZL205A的熱裂機理可以用液膜理論來表述。

熱裂的液膜理論認為，熱裂是由于包圍固相的液膜破裂導致晶間裂紋而開裂。通常的凝固條件下，隨著溫度降低和凝固的進行，剩余液相越來越少，固相周圍未凝固的液相形成了厚度不均勻的液膜。由于鑄件凝固收縮，固相搭接形成的骨架就會發(fā)生一定的變形，破壞液膜的連續(xù)性，即液膜斷裂，并擴展為晶間裂紋，即熱裂。根據(jù)凝固路徑，熱裂端口的液膜主要是共晶產(chǎn)物。對ZL205A來說，大量尺寸較大的網(wǎng)狀Al2Cu(圖8)在凝固末期于共晶界面析出，阻礙晶間金屬液流動，加上固相率高時對液相補縮效果差，對最后凝固階段的液相補縮產(chǎn)生不利影響。

在液態(tài)模鍛的加壓凝固條件下，凝固過程是在一定壓力的持續(xù)作用下進行的。這種壓力的作用，會在制件內(nèi)部形成一定的內(nèi)應力。當凝固收縮發(fā)生時，剩余液相就會在這種內(nèi)應力驅(qū)動下向收縮部位流變，填充固相間的空隙，即流變補縮[12]。如果壓力足夠高，這種收縮產(chǎn)生的縮孔與壓力驅(qū)動的流變補縮之間可以達到動態(tài)平衡，即使瞬間液膜斷裂，也可以被隨后的流變重新焊合，因而不會出現(xiàn)裂紋和斷裂。

但是，必須注意到，處于固液共存狀態(tài)的金屬熔體其流變特性極其復雜，不再是牛頓體，而是存在一定強度(稱為流變抗力)的非牛頓體[13-15]。如果外加壓力較小，熔體內(nèi)部的應力不足以克服這種固液混合物的流變抗力，則斷裂的液膜不能被焊合，隨后就會擴展為裂紋，發(fā)生斷裂。這就是低比壓(30 MPa)液鍛的螺旋線試樣熱裂嚴重、斷成數(shù)段的原因所在。同時，這也解釋了沒有熱裂缺陷的液態(tài)模鍛ZL205A鋁合金的塑性顯著高于砂型重力鑄造的原因。

4 結(jié) 論

1)提高液鍛比壓可以顯著降低ZL205A鋁銅合金的熱裂敏感性。當液態(tài)模鍛壓力超過一定水平時，可以完全根除熱裂缺陷。

2)液態(tài)模鍛ZL205A存在三元共晶凝固，其凝固路徑由初生α相、二元共晶和三元共晶凝固三步組成。

3)液態(tài)模鍛ZL205A的熱裂機制服從液膜理論。液鍛壓力大于液膜的流變抗力時，就可以使液膜發(fā)生流變補充凝固收縮或焊合出現(xiàn)的裂紋，杜絕熱裂缺陷。