Mg含量對2A14鋁合金組織和力學性能的影響

陳思君， 陳送義， 陳 庚， 袁丁玲 ， 陳康華,3

(1. 中南大學 輕合金研究院， 湖南 長沙 410083；2. 中南大學 有色金屬先進結構材料與制造協同創新中心， 湖南 長沙 410083;3. 中南大學 輕質高強結構材料重點實驗室， 湖南 長沙 410083)

2A14鋁合金屬于典型的可形變和熱處理強化的Al-Cu-Mg-Si系合金，因其具有高強度，較好的耐腐蝕性和可鍛造性，在航空航天領域有著廣泛的應用，通常被作為飛機起落架、輪轂等結構件[1-2]。有關研究[3-4]發現，2A14鋁合金中存在著細小的θ(Al2Cu)、Q(AlCuMgSi)、S(Al2CuMg)等強化析出相，以及粗大的Al6FeMnSi、Al12Mn3Si或AlCuSiMnFe雜質相。這些相的種類、大小和分布方式都會極大影響材料的強韌性，因而調控合金成分來調控合金組織狀態，從而改善合金的最終性能是合金成分設計發展的重要思路。

Eskin[5]研究發現，當Mg∶Si<1(Mg和Si的質量比)時，Al-Cu-Mg-Si合金中的強化析出相主要為β″和θ′相，但在隨后的退火過程中會依據銅原子的含量轉變為β′或Q相。Rakhmonov等[6]發現在Al-Cu鑄造合金中，微量Mg的添加促進了共格θ″相轉變為半共格的θ′相，且析出相在基體上分布更加致密均勻，延長了合金在高溫條件下的服役壽命。陳送義等[7]研究發現降低銅元素含量有利于降低Al2Cu和AlCuMnSi等相的數量，減小第二相與基體的電位差，使合金抗腐蝕性能增加；Li等[8]研究表明，在高Cu/Mg 比的Al-Cu-Mg-Si合金中，隨著Si含量在0.65%～1.28%(質量分數，下同)范圍內增加，剩余結晶相Q相和時效析出相Q′和θ′數量均增加，進而使強度隨之增加，但耐腐蝕性能逐漸降低。此外，Li等[9]發現Mg含量并不能影響Al-3.5Cu-xMg合金達到峰值時效的時間，但會影響S+θ′時效析出相的析出行為，以及PFZ的寬度，從而影響斷裂韌性和抗剝落腐蝕性能；Liu等[10]研究表明Mg能顯著影響Ω相的形核和晶粒的再結晶程度，隨著Mg含量的增加，合金在室溫下的硬度和強度先增加后減小。Kim等[11]研究發現Mg能降低Al-Cu 合金在自然時效過程中團簇形成的溫度，加速團簇形成，使合金硬度增加。

2A14鋁合金中的Mg在剩余結晶相及時效析出相的形成中扮演著重要的角色，對合金的強韌性起著關鍵作用。本文采用高純中間合金熔煉，極大減少了合金中粗大雜質相的數量，在高純合金中調控Mg含量，研究其組織與性能之間的關系具有重要意義。

1 試驗材料及方法

不同Mg含量2A14鋁合金的實測化學成分如表1所示。合金采用高純Al(99.99%)，高純Mg(99.99%)，以及Al-44.21%Cu、Al-21.25%Si、Al-10.75%Mn、Al-5.10%Ti中間合金(均為質量分數)熔煉，采用六氯乙烷精煉3次后于750 ℃靜置15 min，然后倒入φ100 mm冷水模具中凝固。鑄錠經495 ℃均勻化退火處理，再擠壓成板帶材(擠壓比10∶1)。合金的熱處理制度為503 ℃固溶3 h(立即室溫水淬)，再在160 ℃時效16 h。具體工藝路線如圖1所示。

圖1 2A14鋁合金熱處理及熱變形工藝Fig.1 Heat treatment and hot deformation processfor the 2A14 aluminum alloy

表1 2A14鋁合金實測化學成分(質量分數，%)

采用光學顯微鏡(OM, Leical DM2700M)觀察合金鑄態、均勻化態、時效態的組織形貌。……