2A12 鋁合金熱處理工藝分析

田東海，石杰，任偉偉，王銘武，何宗徽

（1.中機(jī)第一設(shè)計(jì)研究院有限公司，合肥 230601；2.中國兵器工業(yè)集團(tuán)北方自動(dòng)控制技術(shù)研究所，太原 030006）

1 引言

2A12 鋁合金在航天航空、船舶制造、軍工裝備產(chǎn)品等領(lǐng)域被廣泛使用，具有較高的強(qiáng)度、斷裂韌性和疲勞性能、優(yōu)良的高溫蠕變抗力和塑性成型能力以及良好的機(jī)械加工性能，是一種典型的Al-Cu-Mg 系可熱處理強(qiáng)化型鋁合金，其化學(xué)組成成分見表1[1]。

表1 鋁合金化學(xué)成分

研究發(fā)現(xiàn)，2A12 鋁合金在加工和使用過程中會出現(xiàn)各種問題，比如：切削加工中易出現(xiàn)加工變形，尤其是薄壁薄板類零件； 同時(shí)，2A12 鋁合金制品表面一般采取陶瓷化和噴涂等多種防護(hù)措施，但惡劣的環(huán)境會使其在使用過程中出現(xiàn)防護(hù)層開裂進(jìn)而喪失防護(hù)性能，再加上受殘余應(yīng)力影響，出現(xiàn)腐蝕、磨損、疲勞、裂紋、斷裂等問題。通過熱處理可以有效提高鋁合金的力學(xué)性能，使其強(qiáng)度、韌性、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性以及抗腐蝕性增強(qiáng)[2]，不同的熱處理方式會對鋁合金性能產(chǎn)生不同的影響，本文將對此進(jìn)行分析。

2 2A12 鋁合金常用的熱處理方式

2.1 鋁合金的時(shí)效處理

時(shí)效處理是指在室溫或者較高溫度下將工件存放較長時(shí)間，根據(jù)熱處理溫度的不同可分為自然時(shí)效和人工時(shí)效，在鋁合金板材及鑄件類加工中應(yīng)用廣泛[3]。經(jīng)過時(shí)效處理后，鋁合金的硬度和強(qiáng)度通常都有所增加，但塑性、韌性和內(nèi)應(yīng)力相對有所降低。人工時(shí)效主要包括單級時(shí)效處理以及雙級時(shí)效處理兩種。

單級時(shí)效，即在單一溫度下對工件進(jìn)行熱處理。依據(jù)溶解溫度的臨界值可有效劃分單級時(shí)效處理。根據(jù)經(jīng)過時(shí)效處理后鋁合金的具體組織的不同，可分為峰值時(shí)效、欠時(shí)效、過時(shí)效3 種：峰值時(shí)效可使工件的強(qiáng)度達(dá)到最大值；欠時(shí)效溫度相對其余兩種時(shí)效方式較低，可以保證材料的合金塑性；而過時(shí)效溫度相對較高，可以保證工件具有良好的綜合性能。

雙級時(shí)效處理是指在不同的熱處理溫度參數(shù)設(shè)置下對工件進(jìn)行兩次時(shí)效處理，應(yīng)用極為廣泛。相比單級時(shí)效，雙級時(shí)效后工件金相組織的脫溶析出序列更復(fù)雜。其中第一級時(shí)效以低溫預(yù)時(shí)效為主，在工件熱處理過程中屬于成核處理環(huán)節(jié)，熱處理后形成的鑄錠密度相對較高，鑄錠尺寸較大，可作為時(shí)效沉淀相的核心進(jìn)行應(yīng)用，同時(shí)可以保證工件金相組織的均勻性。一般來說，工件預(yù)時(shí)效溫度低于其金相組織的溶解溫度，當(dāng)時(shí)效溫度比較高時(shí)，可以進(jìn)行保溫操作并優(yōu)先成核；第二級時(shí)效溫度較高，失效后工件晶內(nèi)組織形態(tài)多為均勻分布的盤狀。經(jīng)過雙級時(shí)效熱處理后，工件強(qiáng)度下降，抗腐蝕性提高。

2021 年，張子琪等[4]研究發(fā)現(xiàn)對于旋壓變形的2A12 鋁合金，經(jīng)過人工時(shí)效比自然時(shí)效后的抗拉強(qiáng)度和伸長率分別高出39 MPa 和1.0%。劉春梅等[5]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)預(yù)時(shí)效后工件硬度隨著預(yù)時(shí)效溫度的增加先增大后減小，并在180 ℃時(shí)達(dá)到峰值。后來，又從7XXX 系鋁合金衍生出非等溫失效方式，該方式下鋁合金的熱處理溫度保持變化，陳賡等[6]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)經(jīng)過非等溫失效后的2A12 鋁合金相比傳統(tǒng)T74 雙級失效后具有更高度的硬度和抗拉強(qiáng)度，綜合性能更好。

2.2 鋁合金的固溶處理

通過固溶處理，能夠使工件的各種相充分溶解，同時(shí)強(qiáng)化固溶體，使工件的韌性和抗腐蝕性得到提升，方便后期加工和成型。固溶處理的主要目的是獲取過飽和固溶體，改善工件的塑性和韌性的同時(shí)還能為沉淀硬化處理做好準(zhǔn)備。固溶處理分為單極、高級、強(qiáng)化固溶、高溫析出等工藝。工件在固溶處理過程中，其金相組織發(fā)生變化，對工件的后續(xù)變形和熱處理效果產(chǎn)生直接影響。通過固溶處理加熱工件，可使其組織第二相能夠全部融入固溶體。保溫一段時(shí)間后，對第二相自溶固體進(jìn)行快速冷卻可以得到過飽和溶質(zhì)原子和空位。傳統(tǒng)鑄錠均勻化處理過程中，熱處理溫度以及變形組織的固溶溫度都低于非平衡共晶熔點(diǎn)，使得殘留的結(jié)晶粒不能徹底溶解，殘留的結(jié)晶相在晶內(nèi)以及晶界上聚集分布，進(jìn)而使工件存在應(yīng)力集中以及裂紋產(chǎn)生的隱患。鑄錠后續(xù)變形能夠碎化殘留的第二相顆粒，但仍會有部分殘留在組織內(nèi)直接影響工件的拉伸強(qiáng)度、斷裂韌性和疲勞性等機(jī)械性能。目前實(shí)際生產(chǎn)中大多采用通過固溶+自然時(shí)效方式熱處理的2A12 鋁合金作為加工原料，其金相組織狀態(tài)穩(wěn)定，力學(xué)和機(jī)械性能良好。

梁孟超[7]研究發(fā)現(xiàn)2A12 鋁合金的晶粒尺寸隨著固溶時(shí)效溫度的升高而增大，當(dāng)時(shí)效參數(shù)為495℃×10 min 時(shí)，強(qiáng)度最大，綜合性能最好。劉春燕等[8]通過對固溶+ 自然時(shí)效后的2A12 鋁合金進(jìn)行過時(shí)效試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，未變形的2A12 鋁合金經(jīng)過自然時(shí)效后相比人工時(shí)效，其強(qiáng)度、斷后伸長率提高36%；經(jīng)過分級時(shí)效能提升強(qiáng)度約50%，其硬度隨著故時(shí)效溫度的升高而降低，并在（260~280）℃×2 h 時(shí)獲得100~120 HBS 硬度；300 ℃×2 h 時(shí)獲得60~105 HBS 硬度的。

2.3 鋁合金的均勻化處理

在均勻化熱處理工程中工件受熱均勻，通過將其鑄錠溫度控制在與其固相線或者共晶溫度接近的溫度范圍內(nèi)，并在這一溫度參數(shù)設(shè)置的環(huán)境中長時(shí)間保溫，隨后冷卻至室溫，能夠完全溶解工件可溶解的相和組織，使過飽和固溶體和少量彌散析出細(xì)小質(zhì)點(diǎn)。均勻化處理能使非平衡第二相在工件鑄錠產(chǎn)生過程中溶解，可降低工件第二相體積分?jǐn)?shù)，提高其熱塑性、固溶度和固熔強(qiáng)度。通過均勻化熱處理，可提升工件鑄錠組織在室溫下的塑性、冷熱變形工藝性能，減小其熱軋開裂的危險(xiǎn)系數(shù)，提升熱軋帶板的邊緣質(zhì)量和擠壓速度，還能降低工件的抗變形抗力，進(jìn)而提高整體生產(chǎn)率。

目前，均勻化熱處理主要應(yīng)用于7XXX 系鋁合金。2021年張尉等[9]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過465 ℃均勻化熱處理后，7XXX 鋁合金的鑄錠晶界處枝晶部分消失，低熔點(diǎn)相溶解不充分，將熱處理工藝參數(shù)改進(jìn)為465℃×24 h+478℃/8 h 后，工件鑄錠晶界低熔點(diǎn)共晶相基本消失，晶粒增大不明顯，同時(shí)殘留第二相僅為0.8%；改善熱處理工藝后工件的抗拉強(qiáng)度為533.5 MPa，屈服強(qiáng)度為455 MPa,延伸率為16.5%。

2.4 鋁合金的形變熱處理

形變熱處理結(jié)合鋁合金的塑性變形強(qiáng)化和時(shí)效強(qiáng)化，改善工件的顯微組織，使其韌性、抗應(yīng)力腐蝕能力等力學(xué)性能顯著提升，同時(shí)，形變熱處理還可以簡化生產(chǎn)流程，顯著提高生產(chǎn)效率。鋁合金的形變熱處理工藝將塑性變形以及熱處理共同作用在工件上，能夠有效控制工件形狀。形變熱處理主要包括低溫形變熱處理、高溫形變熱處理、中間形變熱處理以及最終形變熱處理等類型。其中，中間形變熱處理以及對中性面熱處理的應(yīng)用相對廣泛； 低溫形變熱處理技術(shù)主要應(yīng)用于AI-Cu-Mg 系合金，但不適用于Al-Zn-Mg-Cu 系合金；高溫形變熱處理技術(shù)將熱加工作為固溶處理環(huán)節(jié)，之后在短時(shí)間內(nèi)淬火，一般對Al-Cu 以及AI-Mg-Si 系合金有較為優(yōu)良的處理效果，但是不可應(yīng)用在Al-Zn-Mg-Cu 系列合金中。

2015 年，薛淼[10]研究發(fā)現(xiàn)2A12 鋁合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度隨著形變熱處理中的變形率和失效時(shí)間的增大而變化，呈現(xiàn)先增后減狀態(tài)，當(dāng)變形率為40%、時(shí)效時(shí)間為15 h，兩者達(dá)到最大值——539 N/mm2、370 N/mm2；工件硬化指數(shù)與變形率成正比，并在50%變形率時(shí)達(dá)到0.56 最優(yōu)值。2016 年，劉松[11]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過相同溫度參數(shù)的熱處理工藝后，2A12 合金伸長率隨形變量增大而減小，塑性降低，當(dāng)變形量為40%時(shí)抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值533.68 MPa。

2.5 鋁合金的回歸熱處理

回歸熱處理(RHT）是先將強(qiáng)化后的鋁合金工件快速加熱到一定溫度，隨后短時(shí)保溫，使工件材料性能達(dá)到新淬火前的狀態(tài)，其實(shí)質(zhì)就是一種短時(shí)加熱的過程[12]。經(jīng)過人工時(shí)效熱處理后的工件也能進(jìn)行回歸再時(shí)效處理。對鋁合金工件進(jìn)行回歸處理后再時(shí)效處理，可以恢其強(qiáng)度，并提高工件材料的韌性、防腐蝕開裂等綜合性能。

宋佩維等[13]通過對2A12-T4 狀態(tài)的鋁合金進(jìn)行不同時(shí)長的回歸熱處理實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，回歸熱處理工藝為250℃×（20~25）s，熱處理的時(shí)長與固溶狀態(tài)的恢復(fù)速度成反比，隨著熱處理時(shí)長增加，工件依次顯現(xiàn)回歸、人工時(shí)效和過時(shí)效的特征。2014年，趙俊[14]將回歸熱處理工藝擴(kuò)展應(yīng)用到7XXX 鋁合金并進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，通過實(shí)驗(yàn)對比分析，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的回歸熱處理工藝最優(yōu)參數(shù)為465 ℃×2 h+120℃×12 h+190 ℃×5 min+120 ℃×16 h，對7XXXX 系鋁合金進(jìn)行工藝優(yōu)化的回歸熱處理后，其抗拉強(qiáng)度達(dá)到727 MPa，屈服強(qiáng)度達(dá)到703 MPa，伸長率可達(dá)8.3%，綜合力學(xué)性能得到有效提高。

3 結(jié)論與展望

通過不同方式的熱處理來改變2A12 鋁合金的硬度、屈服強(qiáng)度、塑性、伸長率等各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)，可滿足各行業(yè)的使用需求。因此熟悉并掌握不同熱處理方式的作用、特點(diǎn)及具體的工藝參數(shù)就顯得尤為重要。同時(shí)還要認(rèn)識到目前對于2A12鋁合金的熱處理方式的研究需更進(jìn)一步。

1）均勻化熱處理方式目前廣泛應(yīng)用于7XXX 系鋁合金，對2A12 鋁合金的均勻化熱處理研究比較匱乏，尚未形成完善成熟的工藝參數(shù)及指導(dǎo)文件。因此，研究2A12 鋁合金的均勻化熱處理就顯得很有意義。

2）諸多學(xué)者陸續(xù)展開對2A12 鋁合金進(jìn)行多種熱處理方式混合實(shí)驗(yàn)研究，以期得到更為具體詳細(xì)、貼近實(shí)際需求的熱處理工藝參數(shù)。目前，大多數(shù)研究成果停留在試驗(yàn)階段或針對性較強(qiáng)，尚未具有普適性并應(yīng)用推廣。因此，可以通過增加不同狀態(tài)和用途的2A12 鋁合金樣本擴(kuò)大試驗(yàn)范圍，得到更為詳細(xì)的工藝參數(shù)，并推廣到實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中。

3）還應(yīng)認(rèn)識到目前的熱處理技術(shù)促進(jìn)行業(yè)發(fā)展的同時(shí)，也潛存著對環(huán)境、人體健康及材料本身的危害隱患。研究2A12鋁合金的熱處理工藝不應(yīng)局限于對材料性能的提升和滿足使用需求，還應(yīng)不斷創(chuàng)新發(fā)展，來減輕對環(huán)境和材料本身的破壞，逐步解放人力，實(shí)現(xiàn)智能自動(dòng)化。