均勻化工藝對2024高強度鋁合金組織及性能的影響

孫 巍，馮艷飛，2，祝 哮，鄭 建，趙懷鵬

(1.營口忠旺鋁業有限公司，遼寧 營口115000；2.內蒙古科技大學材料與冶金學院，內蒙古 包頭 014010)

2024鋁合金是Al-Cu-Mg合金，又稱高強度硬鋁，屬于熱處理可強化鋁合金，因其具有較高的比強度、優良的耐熱性和加工性能，用于制作航空航天設施等重要承受高循環載荷的結構件，已成為航空航天工業中使用最為廣泛的鋁合金材料之一[1-4]。2024高強度鋁合金在半連續鑄造過程中極易產生嚴重的枝晶偏析，在晶界處形成非平衡凝固共晶組織造成后續力學性能顯著降低。然而，均勻化工藝是鋁合金擠壓、鍛造和軋制等熱塑性加工前重要的一項工藝[5、6]。目前，關于鋁合金工藝的研究報道較少，特別是均勻化后不同冷卻方式的顯微組織及性能的變化過程。本文結合工廠實際生產，就不同均勻化工藝和冷卻方式對2024鋁合金組織、電導率、硬度及拉伸力學性能的影響進行初步探索和研究，為進一步后續研究提供實際生產指導和參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為2024鋁合金，其主要化學成分見表1,鑄錠成分符合國標要求，主要合金元素為Cu、Mg、Mn，微量合金元素Cr、Ti、Zn及少量雜質元素Fe和Si。

表1 2024合金的化學成分(質量分數，%)

1.2 試驗過程

2024鋁合金采用半連續鑄造方法進行鑄造，鑄造溫度735℃，生產規格為Ф198mm×1400mm的2024鋁合金圓錠。對其鑄錠進行去頭尾各切除300mm處理，之后在鑄錠沿軸向截取厚度300mm鑄錠并進行軸向機加，鑄錠試驗料分別進行鑄錠的中心位置(距軸心≤40mm)、R/2位置(距軸心>40mm，且≤65mm)和R位置(距軸心>65mm)區分。本試驗選用中心位置的試驗料進行試驗，將鑄錠中心位置棒料分別機加成大小為25mm×25mm×200mm試樣，依次經(480℃、495℃、510℃)×8h×空冷或水冷均勻化熱處理(表2)，并觀察其顯微組織、電導率、硬度及拉伸力學性能。試驗金相、導電率和硬度試樣大小均為25mm×25mm×25mm，金相試樣經過磨樣、拋光等，選用Keller腐蝕液(1%HF、1.5%HCl、2.5%HNO3、95%H2O，體積分數)進行組織腐蝕后，采用Axio-Imager蔡司顯微鏡觀察金相顯微組織。采用Sigmatest2.069渦流電導儀在室溫(23℃)進行電導率測量，以及采用加載1kg、10s載荷的FV-810型維氏硬度計進行硬度測量，均實測5個點以上，求其平均值作為電導率和維氏硬度值。拉伸試驗采用ZX-LX-004電子萬能試驗機，施加載荷100kN。保證拉伸力學測試的真實性，實測3組，取其平均值作為力學性能。

表2 均勻化工藝

2 試驗結果與討論

2.1 均勻化工藝對2024鋁合金組織的影響

圖1和圖2分別為2024鋁合金在均勻化溫度480℃、495℃和510℃保溫8h后經空冷和水冷方式處理的微觀顯微組織。從圖中可以看出，2024鑄態鋁合金組織晶粒大小不均勻，出現大量發達枝晶，晶界內有十分清晰的骨骼狀組織，連續枝晶網格顯著，甚至出現了二次枝晶等。2024鋁合金鑄態組織中主要相為α(Al)、T(CuMg4Al6)與S(CuMgAl2)相，還可能有少量θ(CuAl2)、Al2Mg3、Mg2Si、Al6(Fe，Mn)和Al7Cu2Fe相。晶界集中析出大量的T(CuMg4Al6)、S(CuMgAl2)、以及少量的CuAl2、Al2Mg3、Mg2Si、Al6(Fe，Mn)Al7Cu2Fe析出相及共晶組織。但經過不同均勻化處理后，隨著均勻化溫度升高(圖1和2中(b)(c)(d))，合金中粗大的CuAl2、T(CuMg4Al6)、S(CuMgAl2)、Al2Mg3、Mg2Si、Al6(Fe，Mn)Al7Cu2Fe共晶組織和非平衡低熔點共晶相逐漸溶解，枝晶網絡逐漸變稀，晶界上的殘留相及共晶組織由連續分布逐漸轉變為間斷連續沿晶界分布。在合金經495℃×8h均勻化后，枝晶網絡溶解相對較充分，晶界上粗大的共晶組織和非平衡相明顯減少。

(a)鑄態；(b)480℃×8h；(c)495℃×8h；(d)510℃×8h

(a)鑄態；(b)480℃×8h；(c)495℃×8h；(d)510℃×8h

而在經510℃×8h均勻化后，合金出現粗大的低熔點共晶和晶界復熔過燒現象，低熔點共晶相呈明顯復熔狀，晶界局部明顯粗化和加寬，并在出現晶粒交界處呈現明顯的三角形復熔區，晶界附近甚至出現了黑色的過燒坑等，尤其水冷方式顯著。另外，經均勻化后采用不同的冷卻方式(空冷和水冷)處理分析發現，合金經水冷方式較空冷方式處理后的枝晶及晶界分布更加均勻、細小的彌散相和共晶組織。

圖3為鑄態及均勻化工藝495℃×8h空冷和水冷的SEM形貌。從圖中可以發現，(a)為鑄態合金形貌，鑄態合金組織存在大量的非平衡共晶相，且大多數非平衡共晶相呈連續的網膜狀，還有些球狀和塊狀的第二相零散分布在枝晶內或枝晶網膜上；(b)為495℃×8h+空冷形貌，(c)為495℃×8h+水冷形貌。通過對比發現，經過均勻化處理的合金組織主要由樹狀α(Al)和枝晶間低熔點共晶體組成，基體α(Al)呈等軸狀，枝晶網絡上存在共晶體，主要為α(Al)+S(CuMgAl2)共晶體和少量的為α(Al)+CuAl2+S(CuMgAl2)共晶體等，還有少量的Mg2Si、Al6(Fe，Mn)相。經495℃×8h+空冷和水冷均勻化處理后，枝晶上的結晶相已經明顯呈斷續，且數量變少，尤其水冷卻方式效果更加顯著。這可能主要是由于冷卻速度越快，固溶過飽和狀態后的α(Al)基體中彌散相析出的越少，越能保證基體組織的合金元素彌散均勻分布，效果越好。另外，合金內部低熔點的結晶相在均勻處理后大部分均溶解到合金基體中，殘留結晶相有少量呈聚集現象。合金中的枝晶網絡非常稀疏，非溶相和枝晶偏析基本消除，與此同時殘留相非常稀少。這主要是由于在較高溫均勻化下，晶界上偏聚的合金化元素或相已基本完全固溶到基體中，晶界及其邊沿呈合金元素貧化狀態。

(a)鑄態；(b)495℃×8h+空冷；(c)495℃×8h+水冷

2.2 均勻化工藝對2024合金電導率的影響

圖4為2024鋁合金分別在均勻化溫度480℃、495℃和510℃保溫8h后經空冷和水冷方式處理與電導率關系。從圖中可以看出，一方面，在保溫時間不變情況下，隨均勻化溫度升高，電導率呈先增大后減小的趨勢；另一方面，合金的電導率隨著冷卻速度的加快(水冷速度>空冷速度)呈現減小的趨勢。均勻化工藝495℃×8h空冷和水冷方式處理的電導率最大，分別為36.29% IACS和33.42% IACS，這主要是由于合金的電導率隨著固溶度的升高而降低。

2.3 均勻化工藝對2024合金力學性能的影響

圖5分別為2024合金在不同均勻化溫度480℃、495℃、510℃保溫8h后經空冷和水冷方式處理室溫的維氏硬度和拉伸性能。

圖4 不同均勻化工藝的2024鋁合金電導率

(a)維氏硬度；(b)抗拉強度；(c)屈服強度；(d)延伸率

從圖中5可知，合金的維氏硬度、屈服強度、抗拉強度和延伸率隨著均勻化冷卻速度的加快，均呈現增大的趨勢。另一方面，隨著均勻化溫度的升高，電導率、硬度和拉伸性能均呈先增大后減小的趨勢。這主要是由于隨著均勻化冷卻速率的加快或溫度的提高，加快了固溶度變成過飽和狀態，即有固溶強化的作用。特別說明的是合金經水冷方式處理后，其力學性能均提高，這可能主要是由于冷卻速度越快，固溶過飽和狀態后的α(Al)基體中的彌散相析出的越少，越能保證基體組織合金元素的彌散均勻分布效果越好。在495℃×8h水冷方式處理時，其硬度、屈服強度、抗拉強度和延伸率分別為153.4HV、269.8MPa、402.5MPa和10.6%，較鑄態合金性能相比分別提高了43.4%、59.2%、55.3%和132.5%，力學性能最佳，尤其是延伸率改善非常明顯，為2024鋁合金耐高載荷受力結構件產品性能提供了保證。

為了更好的檢驗2024鋁合金經不同均勻化處理后臨界強度的應力情況，選取了冷卻方式不同的斷口進行對比分析。根據斷口主要分為裂紋萌生、裂紋亞擴展及失穩擴展、斷裂三個階段。而斷裂的主要原理是，原子平面滑移，在材料內部夾雜物，析出相，晶界或其他塑性變形不連續處發生位錯塞積，產生應力集中，開始形成顯微空洞并長大[7]。圖6為495℃下不同均勻化溫度及冷卻方式處理的合金拉伸斷口SEM形貌。從圖中可以看出，隨著均勻化溫度的升高，合金拉伸變性過程中的滑移面數量呈先增加后減少趨勢，在495℃×8h均勻化處理時，力學性能最佳，尤其是水冷方式的。結合斷口分析，主要表現為水冷方式的韌窩大且深，塑性變形較為充分，斷裂方式主要為韌性斷裂，其斷口主要由大量大小不同、深淺不一的韌窩和微坑組成，且在韌窩和微坑的底部可見均勻細小的彌散相等，具體相推斷見表3。

(a)空冷；(b)水冷

表3 不同冷卻方式的EDS能譜分析(單位：原子數百分比，%)

3 結論

(1)2024鑄態鋁合金分別在均勻化溫度480℃、495℃和510℃保溫8h后經冷卻方式處理后，鑄態合金中粗大的枝晶和非平衡低熔點共晶逐漸溶解，晶界上的殘留相由連續分布逐漸轉變為不連續分布狀態，非平衡低熔點共晶和枝晶偏析基本消除，尤其經495℃×8h水冷均勻化處理效果最為顯著。

(2)在保溫時間不變情況下，隨均勻化溫度升高(480℃～510℃)，電導率呈先增大后減小的趨勢，并且合金的電導率隨著冷卻速度的加快呈現減小的趨勢。在均勻化工藝495℃×8h空冷和水冷方式處理的電導率最大，分別為36.29% IACS和33.42% IACS。

(3)通過對比發現，合金均勻化工藝495℃×8h的硬度和拉伸性能最佳，尤其是經水冷方式處理的，其硬度、屈服強度、抗拉強度和延伸率分別為153.4HV、269.8MPa、402.5MPa和10.6%，較鑄態合金相比分別提高了43.4%、59.2%、55.3%和132.5%。