熱處理工藝對2A12鋁合金性能的影響*

陳 庚，苗景國，方 琴，苗 驍，葉 靚，鄧佳俊

（1.四川工程職業(yè)技術學院，四川 德陽 618000；2.天津職業(yè)技術師范大學，天津 300222）

0 引言

2A12鋁合金是最為常見的一種2×××系高強硬鋁合金，美國牌號2024，廣泛應用于航空航天、交通運輸、工業(yè)設備等重要領域[1-2]。為了提升此類材料的使用壽命和綜合性能，通常利用熱處理來達到目的。2A12鋁合金目前最常見的熱處理工藝為固溶結合時效處理。閆凡等[3]研究了雙級時效處理對變形2A12鋁合金組織與性能的影響，發(fā)現(xiàn)雙級時效對鐓粗變形2A12鋁合金抗拉強度的提升效果明顯強于單級時效。杜森[4]研究了退火、固溶處理對2A12鋁合金包鋁薄板組織性能及表面形貌的影響，發(fā)現(xiàn)經(jīng)380 ℃/2.5 h退火熱處理后的合金板材具有較低的強度以及較高的延伸率，再對2A12鋁合金包鋁板材直接進行495 ℃/10 min的固溶熱處理后效率更高，可以獲得更佳的性能與表面形貌。桂文奇[5]研究了T6工藝對2024鋁合金析出相及性能的影響，研究表明T6態(tài)熱處理能夠有效提升2024鋁合金的力學性能。劉春梅等[6]研究了預時效處理對2A12鋁合金形變熱處理工藝的影響，結果顯示經(jīng)過180 ℃/30 min預時效處理的試樣在終時效后具有最高的硬度，其顯微組織中第二相粒子較為細小且分布均勻，從而具有最佳的綜合力學性能。由此可見，2A12鋁合金傳統(tǒng)的熱處理工藝已經(jīng)研究得較為透徹，尋求一種全新的熱處理工藝成為廣大研究人員不斷追求的方向。

非等溫時效工藝是近年來新興起來的一種熱處理工藝，它通過不斷改變溫度對合金進行時效處理，在鋁合金的熱處理應用上已日趨成熟[7]。付多輝等[8]研究了7055鋁合金非等溫時效析出過程及力學性能變化，余罡等[9]研究了非等溫時效對7003鋁合金組織和性能的影響，李吉臣等[10]研究了非等溫時效對7B50鋁合金組織及性能的影響。從目前的研究中可以發(fā)現(xiàn)，非等溫時效處理的研究主要集中在7×××系鋁合金上，在2×××系鋁合金上的應用鮮有文獻研究。本文通過對2A12鋁合金進行非等溫時效處理研究，并與傳統(tǒng)的T74雙級時效處理進行比較，探討非等溫時效工藝對2A12鋁合金組織和性能的影響，為2A12鋁合金的系統(tǒng)研究提供一些參考依據(jù)。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗用2A12鋁合金由某公司購得，化學成分如表1所示。利用切割機將2A12鋁合金切割成20 mm×20 mm×5 mm的試驗試樣和標準尺寸的拉伸試樣。具體熱處理工藝為：1）T74處理：固溶處理，495 ℃×50 min，水淬，轉移時間小于5 s；雙級時效處理，120 ℃×3 h+180 ℃×6 h，水淬，轉移時間小于5 s。2）非等溫時效處理：固溶處理，495 ℃×50 min，水淬，轉移時間小于5 s；非等溫時效處理，30 ℃~170 ℃/20（即以20 ℃/h的升溫速率從30 ℃升高到170 ℃），水淬，轉移時間小于10 s。

表1 2A12鋁合金的化學成分 （質量分數(shù)，%）

1.2 檢測方法

用LEICA MDMI5000M+DFC450/M80+IC3D型徠卡金相顯微鏡觀察金相組織；用JMHV0.2S-1000維氏硬度計檢測硬度（5點取平均值）；用WDW-50電子萬能試驗機檢測抗拉強度（3根取平均值）。通過晶間腐蝕試驗來檢測合金的抗腐蝕性能，具體步驟為試樣鑲樣后進行打磨、拋光處理，用丙酮和去離子水清洗，并將不同熱處理工藝下獲得的試樣同時浸泡在10 wt.%的NaOH溶液中10 min~15 min；隨后放入30 vol.%HNO3溶液中至試樣表面光亮，取出后用去離子水洗凈吹，將試樣懸掛在腐蝕液中，腐蝕液為114 g NaCl+20mL H2O2稀釋至2 000 mL；燒杯放在恒溫水浴鍋中，溫度控制在30±2 ℃，腐蝕時間為6 h，每組參數(shù)腐蝕3個試樣；最后沿垂直于腐蝕面的方向對腐蝕好的試樣進行取樣，對截面進行打磨、拋光處理，用LEICA MDMI5000M+DFC450/M80+IC3D型徠卡金相顯微鏡觀察、測量每個樣品的最大晶間腐蝕深度。

2 試驗結果及分析

2.1 兩種熱處理工藝對2A12鋁合金組織的影響

圖1為不同熱處理工藝下2A12鋁合金的金相組織形貌。從圖中可以看出，在T74態(tài)下2A12鋁合金的組織呈現(xiàn)出較明顯的纖維狀排列，較多的、細小的彌散強化相從飽和固溶體中析出，晶粒整體表現(xiàn)出細小的形態(tài)，但仍存在少量個別晶粒合并的現(xiàn)象。一級時效中形成的G.P.區(qū)經(jīng)過二次加熱后，產(chǎn)生了彌散分布的、細小的S′相[11]，此外，θ相和S相也逐漸脫溶析出，在晶界上均勻地排列，在一定程度上起到了強化的作用[12]。相較而言，在非等溫時態(tài)下，晶粒的形狀更加規(guī)則一致，晶粒尺寸較明顯地變大，但是更多的第二相粒子溶入到晶內和晶界，組織中殘余的第二相粒子數(shù)量較T74態(tài)更少，且分布更加均勻，這使得2A12鋁合金的硬度和強度有所提升。

圖1 不同熱處理工藝下2A12鋁合金的金相組織

2.2 兩種熱處理工藝對2A12鋁合金力學性能的影響

表2為不同熱處理工藝下2A12鋁合金的力學性能。

由表2可知，在T74態(tài)下合金的硬度和抗拉強度值均較低，僅為118 HV和428 MPa。在經(jīng)過了非等溫時效處理后，合金的硬度和抗拉強度值獲得了較明顯的提升，分別達到了139 HV和442 MPa，較T74態(tài)提高了18%和3%。造成這樣的結果，和非等溫時效處理過程中析出的強化相粒子的種類和所占比重密切相關。在析出時，析出相會與位錯發(fā)生纏結，同時引發(fā)晶格畸變，并在二者的相互作用下引發(fā)共格應變強化，使得合金的硬度和抗拉強度不斷提高[13]。

表2 不同熱處理工藝下2A12鋁合金的力學性能

2.3 兩種熱處理工藝對2A12鋁合金抗腐蝕性能的影響

圖2為不同熱處理工藝下2A12鋁合金的晶間腐蝕結果，由圖2可知，兩種熱處理工藝下2A12鋁合金均呈現(xiàn)出較典型的網(wǎng)狀沿晶腐蝕特點。

圖2 不同熱處理工藝下2A12鋁合金的耐腐蝕性能

進一步測量可知，T74態(tài)下試樣的晶間腐蝕深度約為99.5 μm，非等溫時效態(tài)下試樣的晶間腐蝕深度更大，達到了118.2 μm。合金的腐蝕與所含元素有關，2A12鋁合金S′相中的Mg元素具有高的活性，會在腐蝕過程中優(yōu)先溶解，而該相中的Cu元素活性不足，隨著腐蝕的不斷進行，會產(chǎn)生富集現(xiàn)象，并形成無沉淀析出帶，進而產(chǎn)生陽極溶解。T74態(tài)經(jīng)過了雙級時效處理，在合金中的S′相數(shù)量不多，并且晶界上的析出相呈斷續(xù)分布，進一步阻礙了腐蝕的擴展，因而抗腐蝕能力較強[14]。相較而言，非等溫時效態(tài)下合金中的S′相尺寸更大，晶界上的析出相更多，抗腐蝕性能略差。

此外，在兩種熱處理工藝下，晶間腐蝕層間均出現(xiàn)了局部輕微的點蝕現(xiàn)象（如圖中箭頭所示），這和基體中含有的AlCuFeMnSi相有關，它與基體Al相存在電位差，同時該相的電位高于基體Al相，導致其周圍的基體Al相發(fā)生了陽極溶解，并使得AlCuFeMnSi相發(fā)生了脫落，進而形成了點蝕現(xiàn)象。

3 結論

1）在T74態(tài)下2A12鋁合金的硬度和抗拉強度值均低于非等溫時效態(tài)。

2）兩種熱處理工藝狀態(tài)下2A12鋁合金的晶間腐蝕結果均呈現(xiàn)出較明顯的網(wǎng)狀沿晶腐蝕特點，非等溫時效態(tài)下的腐蝕深度更大，抗腐蝕能力略低于T74態(tài)。

3）綜合來看，經(jīng)非等溫時效處理后，2A12鋁合金的綜合性能更好。