多級時效對ZL114A合金組織和拉伸性能的影響

全琪峰，董立新，劉力菱，方華偉

（1.西南交通大學材料科學與工程學院，成都610031；2.重慶鐵馬工業集團有限公司，重慶400050）

0 前言

ZL114A合金屬于Al-Si系鋁合金，密度較低，強度較高，具有優良的鑄造性能、機械性能、力學性能、抗腐蝕性能和焊接性能，已廣泛應用于我國航空航天等領域。隨著航空航天領域不斷發展，對ZL114A合金的綜合性能要求也不斷提升。為獲得高強度、高塑性的ZL114A合金，我國與國外學者在組織成分、鑄造工藝、熱處理工藝、改進及晶粒細化等方面進行了科學研究，并取得了不小的成就[1]。

在熱處理工藝的研究和改進方面，閆峰等人研究了分級固溶對ZL114A鋁合金組織與性能的影響，發現采用分級固溶處理能有效地提高合金的力學性能[2]。李衛超等人研究了固溶溫度和固溶時間對ZL114A合金共晶硅形態的影響，發現固溶溫度對共晶硅的粒化過程有很大的影響，提高固溶溫度可以減少固溶時間[3]。賀曉軍等人研究了固溶溫度、固溶時間、淬水水溫、時效溫度和時效時間等工藝參數對ZL114A合金力學性能的影響[4]。

本文在以上熱處理工藝的研究的基礎上，進一步研究了多級時效對ZL114A合金組織和拉伸性能的影響。

1 實驗材料和方法

1.1 實驗材料

本實驗研究的材料為ZL114合金，其化學成分如表1所示。

表1 ZL114A合金的化學成分（質量分數/%）

其熔煉過程為：加料→熔化→攪拌→調整成分→精煉→變質→澆注。熔煉原料由純鋁錠、ZL114合金回爐料（≤總量的30%）、中間合金、結晶硅和純鎂組成。在澆注前的變質處理過程中加入了爐料重量的0.04%～0.05%的鋁鍶變質劑。本實驗中，未經熱處理的鑄態ZL114A合金材料的抗拉強度為175.52MPa，伸長率1.9%，圖1是鑄態ZL114A合金的顯微組織。

圖1鑄態ZL114A合金顯微組織

1.2 實驗方法

實驗材料分為3組，分別命名1組、2組、3組合金試樣。1～3號合金試樣分別按照表2的熱處理實驗方案進行處理。在箱式電阻爐中進行固溶處理，在55℃水溫的水浴鍋中進行淬火處理，在烘箱中進行時效處理。熱處理完后在WS-100型電子萬能拉伸試驗機上拉伸試樣，測試其抗拉強度和延伸率。最后用金相試樣經粗磨、細磨、拋光后，用濃度為0.2%的HF水溶液腐蝕5～10s，在光學顯微鏡下觀察樣品的顯微組織。

表2 ZL114A合金的熱處理試驗方案

2 實驗結果與分析

2.1 不同熱處理工藝下的拉伸性能

為了測試不同熱處理工藝下合金的力學性能，本實驗采用WDW-200微控電子試驗機對熱處理后的合金進行了拉伸試驗，實驗結果如圖2所示。

圖3不同熱處理工藝下合金的力學性能

由圖2可知，相對于第1組和第2組試樣，第3組試樣的性能十分優異，抗拉強度和伸長率都是最高的，且抗拉強度高達410MPa。說明在其他處理工藝不變的前提下，多級時效相對于傳統的時效工藝更能提高ZL114A合金的力學性能。

2.2 多級時效對合金組織和拉伸性能的影響

ZL114合金中強化機制有固溶強化和析出強化，而析出強化是主要的強化機制。按位錯通過析出相的方式不同，將析出強化分為兩類：當顆粒析出相的尺寸細小且密度大時，這時強化機制為切過機制；當顆粒析出相的尺寸大且與基體不是完全共格關系時，這時為繞過強化機制[5]。

為了探究多級時效提高ZL114A合金的力學性能的微觀機理，本文對熱處理后的合金試樣進行了微觀形貌的表征。1、2、3組試樣的顯微組織如圖3所示。共晶硅是ZL114A合金中最主要的析出相，因此共晶硅的形態對強度、塑性的影響最大。

將圖3中經過熱處理的試樣的顯微組織與圖1中鑄態原始試樣進行對比。可以看出經過熱處理后的試樣，α-Al枝晶數少，晶粒趨向于等軸化，共晶硅的形態從針狀、纖維狀變為球狀、顆粒狀。顆粒狀的共晶硅比起纖維狀的共晶硅，更加有助于提高合金的塑性，而細纖維狀大大加強了合金的球化和共晶硅的彌散分布。因此，熱處理后的試樣都比未經熱處理的強度和塑性要高。

圖3不同熱處理工藝下的ZL114A合金顯微組織

通過比較圖3中三種不同熱處理工藝下試樣的顯微組織進行可以看出：

從α-Al的形態上看，第3組試樣的晶粒等軸化程度更最高，晶粒度最細小，晶粒分布均勻彌散；第2組試樣的的晶粒等軸化程度居中，晶粒度居中，晶粒不規則；第1組試樣的晶粒等軸化程度最低，晶粒度最大，有粗大的枝狀晶。

從共晶硅的形態上看，第3組試樣的共晶硅多呈球狀、棒狀，晶粒度最大，但是圓化程度最高，連續性最好，晶粒之間的間距最小，彌散程度最高，各個晶粒之間大小相差不大；第2組試樣的共晶硅多呈顆粒狀和棒狀，晶粒度最小，但晶粒間距較大，晶粒大小參差不齊，連續性最差，彌散程度居中；第1組試樣的共晶硅多呈棒狀、球狀，晶粒度居中，圓化程度最低，晶粒之間間距較小，連續性較好，彌散程度較差。另外，第3組試樣α-Al基體中析出相最多，第2組試樣居中，第1組試樣其次。

綜上所述，本實驗中的ZL114A合金采用熱處理工藝545℃×12h+55℃水淬+155℃×8h+175℃×8h時的強度和塑性最好。另外，賀軍等人在對ZL114A合金熱處理工藝的研究中，發現單級時效時采用155℃×7.5h得到的ZL114A合金的力學性能最好。但是本文中的研究發現采用單級時效175℃×8h比采用單級時效155℃×8h的強度和塑性都要更好。其中的原因可能在于本文中研究的ZL114A合金材料加入了鋁鍶變質劑。當然，具體原因還值得深入探討。

3 結論

本實驗中的ZL114A合金材料采用545℃×12h+55℃水淬+155℃×8h+175℃×8h熱處理工藝的試樣的強度和塑性最好。因為多級時效155℃×8h+175℃×8h使得α-Al晶粒等軸化程度更高，晶粒度更小。同時使得共晶硅析出更充分，共晶硅晶粒圓化程度更高，多呈圓狀和顆粒狀，顆粒大小較一致，連續性和彌散性較好。