噴射成形2618 鋁合金組織及性能的研究

高麗娜，肖 建，賈詠馨，聶賽男，蘇睿明

（1.沈陽工業大學 材料科學與工程學院，遼寧沈陽 110807；2.貴州永紅航空機械有限責任公司，貴州貴陽 550009）

2618 鋁合金為Al-Cu-Mg-Fe-Ni 系鋁合金，它是在2024 鋁合金的基礎上通過減少雜質元素Si 的含量并添加Fe 和Ni 元素形成的，在室溫下與2024 鋁合金強度相同[1]。其設計的目的是為了使合金位于α（Al）+S（Al2CuMg）兩相區內，令其既具有原來的室溫強度還具有良好的耐熱性能和較高的合金強度；而Fe 和Ni 的加入可以生成Al9FeNi 這一新的耐熱相，能夠提高合金的耐熱性能[2]。該合金應用廣泛，適用于飛機上的多個重要位置的零部件，包括中央地板、橫梁等重要承力部件上[3-6]。由于2618 鋁合金的特性，使其在高溫場合下的應用更為廣泛。2618 鋁合金在2xxx 系列合金中具有優異的高溫強度。2618 鋁合金可以用在150～250℃的條件下工作，它也用作其他承載結構[7，8]。隨著航空和國防工業的飛速發展，對鋁合金的耐高溫性能提出了更高的要求。王建華等[9]通過變形時效處理來研究2618 鋁合金的組織和力學性能，可以在室溫和高溫下顯著提高2618 鋁合金的拉伸強度和硬度。

王國軍等[10]表明，2618 鋁合金鑄件的顯微組織包括S（Al2CuMg）相、θ（Al2Cu）相、不溶性第二相Al7Cu2Fe 相、Al7Cu4Ni 相和Al9FeNi 相。這些具有較高熔點且幾乎不受后續熱處理影響的不溶性第二相，在熱處理過程中其結構、數量和分布均無明顯變化。如果形成更多的Al7Cu2Fe 和Al7Cu4Ni 相，則Al2CuMg 析出相會減少，合金的性能會降低。合金中的主要難溶相為Al9FeNi[11，12]，其熔點較高，能夠阻止位錯運動，是合金具有優異耐熱性能的主要原因。進一步開發Al-Cu-Mg-Fe-Ni 系合金的關鍵是如何調節這些耐熱相的數量，形態和分布。首先，由于凝固速率低，采用常規鑄造方法制造的鋁合金會出現粗大的晶粒，嚴重的偏析和嚴重的缺陷等[13，14]。噴射成形技術是一種快速發展的成形技術，它是通過快速凝固制備坯料的先進制備技術[15]，其優點是制備的合金組織均勻，晶粒細小、偏析度小、固溶度高、坯錠致密度高。它已被廣泛應用于制造高質量的高級材料[16]。本文采用噴射成形和傳統鑄造的方法制備了2618 鋁合金，并擠壓成棒材，研究了合金的顯微組織和力學性能的差異。

1 試驗方法

試驗采用金屬型鑄造和噴射成形兩種工藝制備2618 鋁合金，合金化學成分（質量分數）：Cu 為2.3%，Mg 為1.5%，Fe 為1.3%，Ni 為1.3%，其余為Al。噴射成形在JWC-100F 型金屬霧化沉積設備上進行，霧化氣體為氮氣，澆注溫度均為700～720℃。所制備的合金坯錠均采用相同的擠壓比進行擠壓，將擠壓后的合金棒切成相應尺寸后在530℃進行2.5h 固溶處理，在190℃下進行時效處理，并確定最佳時效處理參數。采用UH-250型數顯維氏硬度計測量樣品的硬度，每個試樣選取5 個硬度點，測試結果取平均值。通過萬能拉伸試驗機測量合金的拉伸性能，利用TEM-3030 掃描電子顯微鏡和能譜分析儀等對合金微觀組織進行觀察分析。

2 試驗結果與分析

2.1 硬度

圖1 是兩種工藝制備合金在最佳時效處理溫度下的合金硬度變化曲線，通過對比可以發現，在190℃下，硬度曲線整體呈先上升，在時效處理5～8h 處出現一個短暫的下降趨勢，隨后繼續上升，16h 達到硬度峰值，而后硬度曲線再次下降。噴射成形工藝能夠有效地提高合金的力學性能，鑄造態合金在190℃下的最佳硬度為134.5HV，噴射態合金峰值時效硬度為147.3HV，合金硬度提升明顯。

圖1 190℃時效處理后的硬度曲線

2.2 拉伸性能

表1 中分別列出了噴射成形與傳統鑄造工藝制備的2618 鋁合金經190℃時效處理16h 后的不同溫度下測試的拉伸性能。室溫條件下鑄造合金的抗拉強度和伸長率分別為408MPa，6.5%。噴射成形合金抗拉強度和伸長率分別為430MPa 和7.2%。在拉伸溫度分別在100℃、200℃、300℃的條件下，抗拉強度隨拉伸溫度升高逐漸降低。噴射成形合金的高溫性能有明顯提升。

表1 190℃時效處理16h 后鑄造和噴射成形2618 鋁合金不同溫度下的拉伸性能

2.3 組織形貌

圖2 為鑄造和噴射成形合金原始微觀組織，許多研究表明晶粒的大小對合金的性能有很大影響。圖2a 為鑄造態合金微觀組織，其中析出相尺寸大小不一，呈塊狀的最大達40μm，也有呈條狀最小在5μm 左右，或者更細小的析出相。圖2b為噴射成形合金的微觀組織，其中呈塊狀或片狀析出相，最大尺寸約為20μm，也有尺寸在3～5μm 甚至更加細小的析出相，大小差距不大，分布均勻，整體變的更小。噴射成形合金對比鑄造態合金所獲得的合金微觀組織碎化更充分，析出相分布更加均勻。

圖2 2618 鋁合金組織形貌

圖3 為兩種不同時效條件下合金的微觀組織，其中圖3a 為鑄造合金在190℃時效處理16h下的微觀組織，時效處理后第二相充分析出，彌散程度提高。圖3b 為噴射成形合金在190℃時效處理16h 下的組織，分布均勻，析出相碎化充分，析出相尺寸明顯變小，且析出分布廣泛，合金性能優異。

圖3 兩種不同制備工藝下時效處理后合金的微觀組織

圖4 為能譜分析圖，通過能譜分析顯示，其中片狀相為不溶第二相Al9FeNi，這是鑄造合金所呈現出來的合金狀態，片狀相較大。通過噴射成形后，其中的Al9FeNi 相有明顯的碎化，彌散分布更為均勻，增強合金的耐熱性能。

圖4 Al9FeNi 相能譜分析圖

3 結論

（1）530℃固溶處理2.5h 之后，在190℃時效處理16h 的條件下，噴射成形合金硬度達到最大147.3HV。且噴射成形Al-Cu-Mg-Fe-Ni 合金從室溫到300℃下，其抗拉強度和伸長率均優于傳統鑄造合金。

（2）通過噴射成形制備的Al-Cu-Mg-Fe-Ni合金，合金中析出相的碎化程度提高，其中呈塊狀和片狀的析出相尺寸最大在20μm 左右，也有尺寸在3～5μm 甚至更加細小的析出相，Al9FeNi 這種難溶第二相碎化程度提高，彌散分布均勻，更好的提高合金的耐熱性能。