2D70鋁合金均勻化熱處理工藝研究

劉兆偉，謝方亮，張 偉，李秋梅，董劉穎，張 宇

(遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 遼陽 111003)

2D70合金具有高純度、高強度、耐高溫性、低淬火敏感性等良好的綜合性能，是可熱處理強化的Al-Cu-Mg-Fe-Ni系鋁合金。主要應用在飛行器發(fā)動機和汽車零部件上，并可制造用于在150℃條件下長時間工作的受力結構件。隨著航空、國防工業(yè)的快速發(fā)展，對合金耐熱性能提出了更高要求，因此有必要對該合金進行更為深入的研究[1-3]。

2D70合金采用半連續(xù)鑄造，該過程冷卻速率較大，為非平衡凝固，容易生成粗大的一次析出相及大量低熔點共晶相，通過均勻化熱處理能使鑄錠中的非平衡共晶組織在基體中分布趨于均勻，消除鑄造應力，提高鑄錠塑性，減小變形抗力，改善加工產品的組織和性能[4]。因此，本實驗的主要研究內容是找出2D70合金的最佳均勻化制度，并找出適合于2D70合金工業(yè)生產的均勻化效果評價標準。

1 試驗材料與方法

1.1 材料制備

試驗材料為采用半連續(xù)鑄造技術制備的Φ582mm的2D70合金鑄棒，采用ARL 4460型直讀光譜儀測得其化學成分，實測值見表1。

表1 2D70鋁合金化學成分 (質量分數，%)

1.2 試驗方法

結合圖1所示的DSC分析結果，設置表2所示的均勻化制度。采用納博熱空氣循環(huán)爐進行熱處理，對料溫進行實際監(jiān)控，以保證料溫偏差不超過±3℃；采用維氏硬度計測試硬度，實測5組取平均值；采用AX10型光學顯微鏡(OM)觀測微觀組織；采用SIGMATEST 2.069型渦流電導儀測試微觀組織，選測5點取平均值。最后，通過組織、電導率及維氏硬度的變化規(guī)律，確定最佳均勻化溫度。

圖1 2D70鋁合金DSC曲線圖Fig.1 DSC curve of 2D70 aluminum alloy

表2 均勻化熱處理方案

2 試驗結果及討論

2.1 均勻化溫度的選擇

2.1.1 均勻化溫度對鑄態(tài)組織的影響

如圖2所示，2D70合金的鑄態(tài)組織為典型粗大不規(guī)則的枝晶網結構，枝晶間存在低熔點非平衡共晶相，在晶界和晶內還存在大量形狀不規(guī)則的灰色相和黑色相。490℃和520℃單級均勻化后，枝晶網發(fā)生斷裂，晶界和枝晶間共晶相數量已經明顯減少。由于2D70合金中S(Al2CuMg)與α-Al形成的共晶組織的熔化溫度為511.4℃，θ(Al2Cu) 與α-Al形成的共晶組織的熔化溫度為535.1℃。因此，當提高均勻化溫度到540℃時，已經明顯超過合金中低熔點共晶相的熔化溫度，合金組織發(fā)生輕微的過燒。490℃×16h+520℃×16h雙級均勻化時，S(Al2CuMg)與α-Al形成的共晶組織在490℃首先回溶到α-Al基體中，其次θ(Al2Cu) 與α-Al形成的共晶組織在520℃回溶到α-Al基體中，利于高熔點共晶組織的充分回溶[5-7]，但會造成低熔點共晶組織的燒損。

(a)未均火；(b)490℃×16h；(c)520℃×16h；(d)540℃×16h；(e)490℃×16h+520℃×16h圖2 不同均勻化溫度下金相組織圖Fig.2 Metallography at different homogenization temperatures

2.1.2 均勻化溫度對鑄態(tài)硬度的影響

圖3為2D70合金鑄態(tài)維氏硬度隨均勻化溫度的變化。隨著均勻化溫度的升高，合金的硬度升高，540℃時略有下降，雙級均勻化后硬度值又上升。結合金相組織得出，隨著均勻化溫度的升高，鑄態(tài)組織中的可溶相充分回溶，達到固溶強化的作用，硬度升高。當溫度達到540℃時，組織已經發(fā)生過燒，硬度開始下降。雙級均勻化處理后，可溶相充分回溶，與單級均勻化硬度相差不大。

圖3 不同均勻化溫度下的維氏硬度Fig.3 Vickers hardness at different homogenization temperatures

2.1.3 均勻化溫度對鑄態(tài)電導率的影響

圖4為2D70合金鑄態(tài)電導率隨均勻化溫度的變化。未均火態(tài)的電導率最高，為33.72%IACS。

圖4 不同均勻化溫度下的電導率Fig.4 Electrical conductivity at different homogenizationtemperatures

分析得出，電導率主要受合金元素在鋁基體中固溶度變化和過飽和固溶體分解析出第二相兩者的綜合影響。固溶度增加，增強了基體點陣的晶格畸變程度，使得基體點陣中電子散射源的密度增大，導電電子的平均自由程減小，從而合金電導率降低；過飽和固溶體分解析出第二相，使合金組織由單相變?yōu)閺拖?，合金電導率降低。但是固溶在鋁基體中的原子引起的點陣畸變對電子的散射作用比析出的第二相引起的散射作用強得多。本實驗中由于選擇試樣比較小，所以冷卻速率較大。因此，過飽和固溶體分解析出的第二相數量較少，固溶占主導地位，導致合金的電導率下降。

綜上所述，結合2D70合金的金相組織、硬度與電導率綜合分析，雙級均勻化雖然有利于共晶組織回溶，但存在過燒風險，且均勻化后組織和硬度與490℃時差別不明顯，對后續(xù)擠壓成型過程的影響不明顯。但如果存在過燒隱患，則對后續(xù)制品的抗疲勞性能、耐腐蝕性均會存在較嚴重的影響。另外，雙級制度周期長，生產效率偏低，不適宜規(guī)?；a，因此，認為490℃為2D70合金適宜的生產用均勻化溫度。

2.2 均勻化時間的選擇

2.2.1 均勻化時間對鑄態(tài)組織的影響

圖5為2D70合金490℃不同均勻化時間的金相組織。鑄態(tài)組織中枝晶偏析明顯，枝晶間存在低熔點非平衡共晶相。

(a)490℃×4h；(b)490℃×8h；(c)490℃×12h；(d)490℃×16h；(e)490℃×20h；(f)490℃×24h；(g)490℃×28h；(h)490℃×32h圖5 不同均勻化時間下金相組織圖Fig.5 Metallography at different homogenization time

經490℃×(4h～8h)均勻化處理后，枝晶組織有所消除，枝晶間的非平衡相部分回溶到基體中，但基體內的樹枝晶還有部分存在，說明均勻化過程未完成。經490℃×12h均勻化處理后，試樣晶界上的共晶組織大大減少，枝晶組織基本消除，組織沒有明顯粗化，說明均勻化效果良好；繼續(xù)延長均勻化時間至490℃×24h，組織中“三角”晶界，為組織過燒現象[5-7]。

通過觀察金相組織對均勻化效果進行評價是最常見的評價方法，該方法能直觀判定組織是否過燒，但對于未過燒的鑄錠是否均勻化完全則存在一定的猜測性，難以實現對均勻化效果的量化評價。

2.2.2 均勻化時間對鑄態(tài)硬度的影響

圖6為2D70合金維氏硬度隨均勻化時間的變化。隨著均勻化時間的延長，合金的硬度先升高再下降。鑄態(tài)合金的硬度為109.63HV2；490℃×(4h、12h～20h)均勻化處理后，合金硬度升高0.43 HV2～1.8HV2；繼續(xù)延長均勻化時間(>20h)，硬度下降1.76HV2～6.94HV2。

由上述數據分析得出，隨著均勻化時間的延長，可溶相逐漸回溶到α-Al基體中，當均勻化時間達到12h以后，可溶相已經充分回溶，合金已經達到最大固溶程度，硬度趨于穩(wěn)定。進一步增加均勻化時間(>20h)硬度開始下降，這是因為合金組織發(fā)生過燒現象，造成性能下降[8,9]。

合金的維氏硬度值可作為2D70鋁合金均勻化效果評價標準之一。即，均勻化后2D70鋁合金維氏硬度不小于110.06HV2，則可認為合金均勻化效果已達成；均勻化后2D70鋁合金的硬度小于110.06 HV2，則可認為合金均勻化效果未達成。

圖6 不同均勻化時間下的維氏硬度Fig.6 Vickers hardness at different homogenization time

2.2.3 均勻化時間對鑄態(tài)電導率的影響

圖7為2D70合金電導率隨均勻化時間的變化。鑄態(tài)合金的電導率為33.63%IACS，隨著均勻化時間的延長，電導率開始迅速下降，當均勻化時間達到12h以后，電導率為31.61%IACS，并趨于穩(wěn)定。

對上述數據進行分析可知，電導率主要受合金元素在鋁基體中固溶度變化和過飽和固溶體分解析出第二相兩者的綜合影響，但是固溶度引起的晶格畸變的影響大于固溶體分解析出第二相的影響。由于本實驗中選取的試塊較小，為25mm×25mm×28mm，均勻化處理后空冷，冷卻速率快，第二相析出量很少，因此電導率的影響因素主要為合金的固溶度。隨著均勻化時間的延長，合金的固溶度逐漸增加，合金內晶格畸變加重，對電子的散射作用加強，電導率開始下降。當均勻化時間達到12h以后，共晶相及其它可溶相已經充分回溶，固溶度不再發(fā)生變化，電導率趨于穩(wěn)定[8，9]。

合金的電導率值可作為均勻化效果評價標準之一。即，均勻化后2D70合金的電導率不大于31.61%IACS，則可認為合金均勻化效果已達成；均勻化后2D70合金電導率大于31.61%ACS，則可認為合金均勻化效果未達成。

圖7 不同均勻化時間下的電導率Fig.7 Electrical conductivity at different homogenization time

上述三種均勻化效果的評價方式，通過金相組織觀察的評價方法較為常用，但精確度不高；通過測量維氏硬度評價均勻化效果的方法操作簡便，但相對誤差較大；電導率測試的評價方法制樣簡單，測量簡便，數據重現性好，因此電導率測試方法為均勻化是否完成的較優(yōu)判據。

3 結論

(1)鑄態(tài)2D70鋁合金組織為典型粗大不規(guī)則的枝晶網結構，枝晶間存在低熔點非平衡共晶相。鑄態(tài)2D70合金經490℃×12h均勻化處理后枝晶組織基本消除，非平衡相基本溶入基體，晶內組織均勻。因此，490℃×12h為較優(yōu)的均勻化制度。

(2)2D70合金均勻化處理后維氏硬度不小于110.06HV2，則可認為合金均勻化效果已達成；如果均勻化后鋁合金硬度小于110.06HV2，則可認為合金均勻化效果未達成。

(3)均勻化后2D70合金電導率不大于31.61%IACS，則可認為合金均勻化效果已達成；均勻化后2D70合金電導率大于31.61%IACS，則可認為合金均勻化效果未達成。電導率測試的方法制樣簡單，測量簡便，數據重現性好，是均勻化是否完成的較優(yōu)判據。