合金材料熱處理工藝技術(shù)分析及研究進(jìn)展

趙瑜霞

(航空工業(yè)江西洪都航空工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 江西 南昌 330096)

0 引言

合金材料是指以金屬為基體，加入其他的強(qiáng)化元素，經(jīng)特殊工藝處理后形成的一種金屬混合物，如Al合金、Ti合金以及Mg合金等。合金材料的強(qiáng)度、硬度通常要高于高分子材料，且韌性又優(yōu)于陶瓷等非金屬材料，同時其具有尺寸穩(wěn)定、導(dǎo)電導(dǎo)熱好、易加工等特性。由于合金材料具有這些優(yōu)異的材料性能，使得其在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，包括汽車制造、航空工業(yè)、船舶生產(chǎn)等領(lǐng)域。然而，隨著現(xiàn)代化工業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)對合金材料的性能提出了更高的要求。在這一背景下，熱處理技術(shù)作為提升合金材料性能的重要工藝手段，其發(fā)展對于合金材料應(yīng)用具有重要實(shí)際意義。為此，本文簡要概述了幾種典型合金材料的熱處理工藝，并分析了其技術(shù)特點(diǎn)和研究發(fā)展方向。

1 鋁合金熱處理工藝

鋁合金因其具有較高的比強(qiáng)度、較好的加工性能以及耐腐蝕性等，成為航空航天領(lǐng)域中一種極為重要的結(jié)構(gòu)型金屬材料。為進(jìn)一步拓展鋁合金的應(yīng)用領(lǐng)域，滿足現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)制造對鋁合金材料性能的高要求，材料工作者主要利用熱處理工藝對鋁合金微觀組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的控制優(yōu)化，從而充分發(fā)揮其性能潛力[1]。鋁合金常用的熱處理工藝技術(shù)主要有均勻化退火、固溶強(qiáng)化以及時效處理等。

1.1 均勻化退火

鋁合金鑄錠在凝固過程中，易出現(xiàn)枝晶偏析，導(dǎo)致晶內(nèi)化學(xué)成分和微觀組織存在不均勻現(xiàn)象，且會產(chǎn)生材料內(nèi)應(yīng)力。為了消除鋁合金鑄錠凝固過程中產(chǎn)生的材料內(nèi)應(yīng)力，以及獲得均勻的微觀組織結(jié)構(gòu)，通常采用均勻化退火工藝對鋁合金鑄錠進(jìn)行處理。均勻化退火是指將合金鑄錠加熱至某一適宜溫度，并保溫一段時間，之后冷卻至室溫，從而使合金內(nèi)的一些相和組織得到溶解，并達(dá)到微觀組織均勻化和消除材料內(nèi)應(yīng)力的目的，進(jìn)而提升合金材料冷、熱變形能力。

（1）鋁合金均勻化退火處理效果主要影響因素包括合金元素、退火溫度、保溫時間、冷卻方式等[2]。以2xxx系鋁合金為例，可以發(fā)現(xiàn)：在合金元素方面，2xxx系鋁合金鑄錠中的Cu、Mg、Mn等元素偏析程度較大，易富集在合金晶界上，對合金鑄錠的均勻化退火效果有著明顯的影響；在退火溫度方面，2xxx系鋁合金一般選擇低于共晶溫度但高于Cu元素溶解度曲線溫度，在一定溫度區(qū)間內(nèi)，溫度上升將使原子擴(kuò)散速度加快，并提升均勻化速率和效果；在保溫時間方面，鋁合金均勻化退火時間增加將伴隨微觀組織轉(zhuǎn)變，使得固溶處理更加充分，但時間不宜過長，防止晶粒異常長大；在冷卻方式方面，鋁合金均勻化退火過程中的冷卻方式，將影響后續(xù)固溶處理效果，目前常采用空冷的方式。

（2）鋁合金均勻化退火工藝不僅局限于單級均勻化退火，還包括雙級均勻化退火、強(qiáng)化均勻化退火等工藝。例如，7xxx系鋁合金采用單級均勻化退火工藝的溫度較低，避免鋁合金中低熔點(diǎn)元素出現(xiàn)過燒的情況，但均勻化退火的效果并不理想[3]。而7xxx系鋁合金二級均勻化退火則是在單級均勻化退火的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，利用兩種不同的退火溫度，來實(shí)現(xiàn)合金中不同共晶相的均勻化彌散效果。強(qiáng)化均勻化退火則能較好地改善7xxx系鋁合金的鑄態(tài)組織，比傳統(tǒng)均勻化退火效果更好，但生產(chǎn)效率更低。

1.2 固溶強(qiáng)化

鋁合金固溶強(qiáng)化主要是在一定溫度下，將合金內(nèi)的Cu、Mg、Si等硬質(zhì)溶質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆虻倪^飽和固溶體，同時改變鋁合金的晶粒大小和過剩相數(shù)量。鋁合金固溶處理后，能夠在微觀組織結(jié)構(gòu)上為后續(xù)時效處理做準(zhǔn)備。鋁合金固溶強(qiáng)化工藝不僅包括單一溫度作用的單級固溶處理，還延伸出來強(qiáng)化固溶處理和高溫析出等處理方式。

（1）鋁合金單級固溶處理是指在單一溫度作用下，盡可能將合金中Cu、Mg、Si等硬質(zhì)溶質(zhì)溶入基體，形成過飽和固溶體，充分發(fā)揮出合金元素的強(qiáng)化作用，從而提升鋁合金的強(qiáng)度、硬度以及耐腐蝕性能。但單級固溶處理過程，需確保合金不產(chǎn)生過燒情況，使得單級固溶處理溫度較低，無法完全發(fā)揮鋁合金固溶強(qiáng)化作用。因此，在對鋁合金性能要求較高時，不宜選擇單級固溶強(qiáng)化方式。

（2）強(qiáng)化固溶處理方法相比于單級固溶處理方法，能夠更大限度地將硬質(zhì)溶質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)楣倘荏w，從而充分激發(fā)鋁合金性能強(qiáng)化潛質(zhì)。強(qiáng)化固溶處理工藝主要分為三大步驟：第一步，將鋁合金加熱至某一溫度，并在該溫度下保溫一段時間；第二步，將鋁合金以一定的升溫速率加熱至更高的溫度，并保溫一段時間；第三步，將鋁合金取出，在室溫下進(jìn)行冷卻。鋁合金經(jīng)過強(qiáng)化固溶處理后，不僅能提升其屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，還能降低鋁合金時效處理敏感性。

（3）鋁合金高溫析出工藝則是一種基于普通固溶強(qiáng)化工藝的熱處理方式，其工藝處理時間較短，且處理后的鋁合金綜合性能較為優(yōu)異。

1.3 時效處理

鋁合金固溶處理形成的過飽和固溶體，在自然狀態(tài)下或是加熱至一定溫度時，這些固溶體易發(fā)生分解，被稱為脫溶現(xiàn)象。鋁合金時效處理機(jī)制就是源自于脫溶現(xiàn)象，即鋁合金發(fā)生脫溶現(xiàn)象，析出第二相，或是產(chǎn)生硬質(zhì)溶質(zhì)原子偏聚區(qū)，使得鋁合金微觀組織結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變，材料性能也隨之改變，即材料的強(qiáng)度和硬度得到一定的提升。

（1）鋁合金單級時效工藝是指在單一溫度下進(jìn)行熱處理，主要通過管控溫度、時間等參數(shù)來實(shí)現(xiàn)合金材料微觀組織的優(yōu)化，從而達(dá)到提升鋁合金材料綜合性能的目的。

（2）鋁合金雙級時效處理，則是需要進(jìn)行兩個處理階段，一是低溫處理階段，主要是獲得細(xì)小的沉淀相；二是高溫處理階段，促使形成粗大的硬質(zhì)質(zhì)點(diǎn)。

（3）鋁合金回歸時效工藝相比于其他兩種時效處理的強(qiáng)化效果要明顯更強(qiáng)，主要進(jìn)行三個處理階段：一是低溫預(yù)時效階段；二是短時間高溫回歸處理階段；三是低溫再時效處理階段。經(jīng)過這三個處理階段后，鋁合金將消除合金晶界富Cu或富Mg現(xiàn)象，同時會降低材料內(nèi)部的位錯密度。

2 鈦合金熱處理工藝

鈦合金是一種以鈦金屬為基體，加入其他強(qiáng)化元素，形成的合金。鈦元素具有同素異構(gòu)體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，882 ℃以下呈六方晶體結(jié)構(gòu)，高于882℃呈立方晶體結(jié)構(gòu)。當(dāng)加入一定量的合金元素，改變鈦的相變溫度和組成成分，從而獲得不同組織結(jié)構(gòu)的鈦合金。根據(jù)合金微觀組織結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通常將鈦合金分為三大類：一是α鈦合金，可以表示為TA鈦合金；二是β鈦合金，可以表示為TB鈦合金；三是α+β鈦合金，可以表示為TC鈦合金，也被稱為雙相鈦合金，因?yàn)槠浣M織結(jié)構(gòu)是α相+β相。

鈦合金目前已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，如汽車船舶、國防工業(yè)等，主要是因?yàn)槠渚哂械蜏馗邷匦阅芎?、抗腐蝕抗疲勞能力強(qiáng)、比強(qiáng)度高等優(yōu)異的性能。但鈦合金也存在著一些缺點(diǎn)，如比模量值較低、制造成本較高、工藝較為復(fù)雜等。為了更好地發(fā)揮鈦合金優(yōu)異的材料性能，促進(jìn)我國航空航天、國防工業(yè)的發(fā)展，本文深入分析了α鈦合金、β鈦合金以及α+β鈦合金等不同種類鈦合金熱處理工藝的特點(diǎn)。

2.1 α鈦合金熱處理工藝

α鈦合金，是一種以α相固溶體為組織的單相鈦合金，在較低使用溫度下具有穩(wěn)定的α相結(jié)構(gòu)，而且抗氧化、抗磨損性能較好。由于α鈦合金在較高溫度下，α相固溶體會轉(zhuǎn)變成β相固溶體，將改變合金組織結(jié)構(gòu)，因此α鈦合金通常無法進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，導(dǎo)致其室溫強(qiáng)度不高，但抗蠕變性能較好。

目前，α鈦合金主要進(jìn)行的熱處理工藝是退火工藝。鈦合金在進(jìn)行熔鑄、冷加工等工藝時，會在材料內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，需要在實(shí)際使用前消除材料內(nèi)應(yīng)力，避免合金因內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生裂紋而影響實(shí)際應(yīng)用。退火工藝正是為了消除α鈦合金中殘留的材料內(nèi)應(yīng)力。α鈦合金退火工藝的溫度選擇較為關(guān)鍵，溫度過高將引起α鈦合金晶粒粗化，影響材料力學(xué)性能；溫度過低，則會導(dǎo)致α鈦合金中的內(nèi)應(yīng)力消除不完全，因此消應(yīng)力退火要想達(dá)到良好的效果，需選擇適宜的退火溫度。此外，α鈦合金在退火過程中，為了避免發(fā)生不必要的氧化，通常需要注重把控退火時間，使得在短時間內(nèi)能夠消除α鈦合金中大部分的內(nèi)應(yīng)力。

2.2 β鈦合金熱處理工藝

β鈦合金，是一種以β相固溶體為組織的單相鈦合金。在進(jìn)行熱處理之前，β鈦合金就具有較高的強(qiáng)度，而經(jīng)過固溶處理+時效處理后，β鈦合金的強(qiáng)度還會得到進(jìn)一步提升。

本文以TB2鈦合金為例，TB2鈦合金是一種典型的亞穩(wěn)型鈦合金，也是可熱處理強(qiáng)化的鈦合金，主要元素包括Ti、Mo、V、Cr等。有研究表明[4]，TB2鈦合金在800 ℃以下，隨著固溶處理溫度的升高，合金內(nèi)將生成更多的固溶β相和等軸晶粒，使得合金抗拉強(qiáng)度會逐漸提升，但塑性會隨之降低。但隨著溫度繼續(xù)升高，固溶處理后的晶粒尺寸明顯更為粗大，抗拉強(qiáng)度開始降低，但塑性又會得到一定的提升。TB2鈦合金在800 ℃固溶處理后，再進(jìn)行時效處理，會析出α相和亞穩(wěn)定β相，并彌散分布在鈦合金中，從而讓合金的強(qiáng)度和塑性得到進(jìn)一步提升。但時效溫度不宜過高，因?yàn)闇囟冗^高易導(dǎo)致合金形成粗大晶粒，且等軸晶粒也會減少，晶界也會變寬，導(dǎo)致強(qiáng)度和塑性均會下降。

2.3 α+β鈦合金熱處理工藝

α+β鈦合金，是一種以α+β相固溶體為組織的雙相鈦合金，且具有較好的綜合力學(xué)性能，韌性、塑性以及耐高溫性能均較好。但α+β鈦合金耐磨性能相對較差、冷軋成型較為困難，需經(jīng)過熱處理來改善合金的這些方面性能。

目前，α+β鈦合金典型的熱處理制度有普通退火、雙重退火、等溫退火以及固溶時效[5]。其中，固溶時效熱處理制度是α+β鈦合金應(yīng)用最為廣泛的熱處理制度，能夠有效地獲得抗拉強(qiáng)度高、塑性較好的α+β鈦合金材料。在固溶處理過程中，α+β鈦合金的微觀組織將會發(fā)生轉(zhuǎn)變，生成等軸穩(wěn)定的α相以及馬氏體彌散的α＇相等，其中等軸α相能提升鈦合金綜合性能，馬氏體α＇相則能提升合金材料的強(qiáng)度和硬度。α+β鈦合金經(jīng)過固溶處理后，再進(jìn)行時效處理，要注意避免形成ω相，且要控制好次生的α相尺寸大小，才能進(jìn)一步提升鈦合金強(qiáng)度。

3 鎂合金熱處理工藝

鎂合金是一種以金屬鎂為基體，加入其他元素后，形成的合金，添加元素主要有Al、Zn、Mn、Zr、Gd等。鎂合金具有密度小、導(dǎo)熱導(dǎo)電性能好、比強(qiáng)度高、比彈性模量大、減震性能好等優(yōu)異性能，是實(shí)用金屬中最輕的金屬，被學(xué)界譽(yù)為“21世紀(jì)綠色金屬工程材料”。目前，工業(yè)生產(chǎn)對產(chǎn)品輕量化的要求越來越高，使得鎂合金被廣泛應(yīng)用于軍工器械、汽車制造等領(lǐng)域。但由于鎂合金的塑性加工性能較差，極大地限制了其實(shí)際應(yīng)用范圍。因此，提升鎂合金韌性成為了當(dāng)前急需解決的重要問題。而熱處理工藝能夠通過改變鎂合金的微觀組織結(jié)構(gòu)，從而有效地提升鎂合金的韌性、強(qiáng)度以及塑性加工性能。

鎂合金的常用熱處理制度是固溶處理+時效處理，其中工藝溫度和保溫時間是影響鎂合金性能的關(guān)鍵因素。因此，為了提升鎂合金綜合性能，應(yīng)高度匹配熱處理各階段的溫度和時間。基于此，本文結(jié)合研究現(xiàn)狀，分別論述了固溶處理以及時效處理過程中，溫度和保溫時間對鎂合金組織及性能的影響。

3.1 固溶處理

鎂合金固溶處理的作用主要體現(xiàn)在三個方面：一是獲得過均勻的飽和固溶體，有利于時效處理后形成均勻分布、顆粒細(xì)小的強(qiáng)化相；二是消除冷加工、熱加工產(chǎn)生的材料內(nèi)應(yīng)力，防止鎂合金因內(nèi)應(yīng)力而在實(shí)際應(yīng)用中開裂；三是獲得極佳的晶粒度，從而提升鎂合金的高溫抗蠕變能力。

于建民等[6]研究了溫度和時間對GW83鎂合金固溶強(qiáng)化效果的影響，固溶處理溫度是在共晶溫度以下400 ℃～530 ℃區(qū)間，保溫時間則是在6 h、12 h和24 h之間進(jìn)行對比研究?？梢园l(fā)現(xiàn)，經(jīng)過GW83鎂合金固溶處理后，共晶相會慢慢溶解，且溶解程度明顯受溫度和時間的影響。在一定的溫度和時間區(qū)間內(nèi)，GW83鎂合金的共晶相溶解程度，會隨著溫度提升或是時間增加，而逐漸增大。但溫度過高或是時間過長，均會導(dǎo)致晶粒尺寸變得粗大，從而影響鎂合金的材料性能。因此，在鎂合金進(jìn)行固溶處理時，工藝溫度和保溫時間對鎂合金固溶處理結(jié)果有較大的影響，研究者們需對不同鎂合金特性進(jìn)行深入研究，探索出合適的固溶溫度和時間。

3.2 時效處理

鎂合金時效處理本質(zhì)上是隨著溫度的降低，添加元素的固溶度會隨之降低，導(dǎo)致固溶處理形成的過飽和固溶體析出第二相。但由于鎂合金的擴(kuò)散激活能較低，大部分鎂合金在自然狀態(tài)下難以發(fā)揮時效強(qiáng)化作用，須人工加熱至一定溫度下進(jìn)行時效處理，且溫度不宜太高。在一定溫度區(qū)間內(nèi)，通過控制好鎂合金時效處理的溫度和時間，從而形成彌散的沉淀相，起到強(qiáng)化的作用。此外，部分鎂合金在鑄造成形后，不經(jīng)過固溶處理，直接進(jìn)行時效強(qiáng)化，雖然工藝流程更為簡單，也可以消除合金材料內(nèi)應(yīng)力，但對鎂合金抗拉強(qiáng)度的提升效果不明顯。

有學(xué)者對GW83鎂合金固溶+時效熱處理后的微觀組織和力學(xué)性能進(jìn)行了研究。GW83鎂合金在經(jīng)過450 ℃、12 h固溶處理后，獲得了最佳固溶強(qiáng)化效果，之后進(jìn)行時效強(qiáng)化處理，時效溫度分別為200 ℃、225 ℃、250 ℃，保溫時間分別為6、12、18、24、36 h，并采用自然冷卻的方式?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著時效溫度的提高，相變速率顯著提升，但析出相和晶粒的尺寸也會隨之增大。因此，鎂合金時效溫度不宜過低，也不宜過高，需在確保時效速率的情況下，獲得均勻彌散的第二相組織，發(fā)揮時效強(qiáng)化作用。時效時間越長，有助于析出強(qiáng)化相，但隨著時效時間的延長，合金晶粒將會不斷長大，因此需要找到一個平衡點(diǎn)，最大程度地發(fā)揮出時效強(qiáng)化作用。

4 結(jié)語

隨著工業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用要求在不斷提升，提升合金材料綜合性能成為了重要研究內(nèi)容。而熱處理工藝是提升合金材料性能的重要工藝手段，深受廣大材料科學(xué)研究工作者的重視。基于此，本文對鋁合金、鈦合金、鎂合金等典型合金材料熱處理工藝進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)熱處理工藝對合金材料的性能影響較為明顯，主要影響因素有溫度、時間、冷卻方式等，同時也發(fā)現(xiàn)了合金材料熱處理工藝研究中的不足。因此，為滿足未來工業(yè)發(fā)展對材料性能的應(yīng)用需求，本文結(jié)合當(dāng)前研究現(xiàn)狀以及工業(yè)生產(chǎn)需求，提出了合金材料熱處理工藝的未來研究方向，具體如下：

（1）通過分析、組合現(xiàn)有熱處理工藝，探索出新型合金材料熱處理技術(shù)，豐富合金材料熱處理工藝方法，從而提高合金材料的綜合力學(xué)性能。

（2）引入計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，模擬合金材料熱處理工藝過程，深入分析材料的具體特性以及不同熱處理工藝間的相關(guān)性等，從而合理選擇熱處理工藝參數(shù)。

（3）深入分析合金材料熱處理過程中微觀組織變化以及各強(qiáng)化元素的特點(diǎn)，從而優(yōu)化合金材料熱處理工藝制度，進(jìn)而充分發(fā)揮熱處理強(qiáng)化作用。