20X0铝锂合金铸锭双级均匀化工艺研究

滕明和，张 敏

（西南铝业（集团）有限责任公司，重庆 401326）

20X0铝锂合金铸锭双级均匀化工艺研究

滕明和，张 敏

（西南铝业（集团）有限责任公司，重庆 401326）

研究了双级均匀化制度对20X0铝锂合金组织的影响，并对均匀化效果进行了综合评价。确定该合金的双级均热制度为470℃/8h+495℃/24h，在工业化生产中已经得到了应用。

晶内偏析；共晶组织；过烧；晶格畸变

0　前言

20X0铝锂合金是2011年4月在美国铝业协会注册的可代替传统2X24系列合金的一代铝锂合金，主要应用于飞机机身和下翼蒙皮制造，是我国实现飞机轻量化制造的重要备选材料。众所周知，由于溶质重新分配和非平衡结晶，合金在凝固时存在枝晶偏析，在晶界和晶内各组元分布不均匀，必须通过均匀化处理消除或降低晶内化学成分和组织的不均匀性，从而提高合金的塑性，改善合金的热加工性能和最终使用性能[1、2]。本文通过研究双级均匀化制度对该铝锂合金组织的影响，并通过金相法、面扫描、电导率等方式对均匀化效果进行了综合评价，制定出该合金合理的双级均匀化制度，为该合金的工业化生产提供技术支持。

1　试样材料及方法

试验所用材料为自产的20X0合金半连续铸造方铸锭，铸锭尺寸为300mm×1200mm×4000mm，合金的化学成分见表1。

表1　20X0合金的化学成分（质量分数/%）

在已经预先退火的铸锭上切取25mm×25mm×25mm的小块试样，先后进行铸锭过烧试验、一级均热后过烧试验、双级均匀化试验。铸锭过烧试验制度：485℃/2h、495℃/2h、505℃/2h、515℃/2h、525℃/2h。一级均热后过烧试验制度：470℃/8h+485℃/24h、470℃/8h+495℃/24h、470℃/8h+505℃/24h、470℃/8h+515℃/24h。双级均匀化试验制度：470℃/8h+485℃/24h、470℃/8h+495℃/24h。以上试验均到温装炉，到温计时，出炉空冷。

过烧试验和均热试验在高温均热炉内进行，用扫描电镜、能谱分析仪、金相显微镜进行检测。

2　试验结果及分析

2.1铸态组织特征

图1是20X0合金分别通过扫描电镜和金相观察得到的微观组织。从图1可以看出，大量的非平衡共晶组织沿着晶界富集，枝晶偏析明显。图2是20X0合金的面扫描元素分布。从图2可以看出，铸锭中的Mg、Mn、Zn、Ag元素基本均匀分布，而Cu元素则在晶界处富集。由以上分析结果可知，20X0合金存在着严重的元素偏析，对合金的热加工性能有着极为不利的影响，必须通过均匀化退火予以消除或降低其影响。

图1　铸态显微组织

图2　元素面扫描元素分布

2.2过烧温度分析

2.2.1铸态过烧温度分析

图3和图4分别为20X0合金的DSC分析结果和金相检测结果。从图3可以看出，试样的吸热峰值温度为507.15℃，有融化迹象的温度约为497℃。从图4（b）可以看出，试样在495℃保温2h后，出现了过烧。由于试验误差和检测手段不同的影响，DSC分析结果和金相检测结果有所差别。结合二者检测结果得出，20X0合金的过烧温度范围为490℃～495℃。

图4　金相检测结果

2.2.2一级均热后过烧温度分析

图5为20X0合金经470℃/8h均热后的DS C分析结果。从图5可以看出，试样的吸热峰值温度为520.83℃，有融化迹象的温度约为500.58℃。与图3比较可知，有融化迹象出现的温度向后推移了约3℃，吸热峰值向后推移了约13℃。图6为金相检测结果。从图6可以看出，试样经470℃/8h均热后，第二级均热温度为505℃时出现了过烧。

图5　DSC分析结果

结合二者检测结果可以得出，20X0合金经一级均热后的过烧温度范围为500℃～505℃。与未进行一级均热的分析结果比较可知，20X0合金经一级均热后，过烧点向后推移了约10℃。

图6　金相检测结果

2.3均匀化效果评价

2.3.1通过金相法评价均匀化效果

从图6（a）、（b）可以看出，当第二级保温温度为485℃时，晶界富集的非平衡共晶组织逐渐溶解，但由于均匀化温度偏低，元素扩散缓慢，在晶界处仍有明显的非平衡共晶组织；当第二级保温温度为495℃时，晶界残留化合物数量较少，晶界变得更加清晰平直，表明合金已充分均匀化。

2.3.2通过面扫描评价均匀化效果

考虑到铸锭组织中的Mn、Mg、Zn、Ag元素基本均匀分布，而Cu元素在晶界处富集，因此，面扫描时只考虑Cu元素分布的变化。从图7可以看出，随着第二级均匀化温度的提高，富集于晶界处的Cu原子逐渐向晶内扩散，第二级均匀化退火温度为485℃时，Cu元素扩散不充分，第二级均匀化退火温度为495℃时，Cu元素基本均匀分布。

图7　不同均热制度均匀化后Cu元素分布

2.3.3通过电导率评价均匀化效果

表2　电导率检测结果（MS/M）

从表2可以看出，电导率随着均匀化温度的提高逐渐增加。这是因为在均匀化过程中，铸造应力进一步消失，晶内的合金元素偏析程度逐渐减小，减弱了基体点阵的晶格畸变程度，使得基体点阵中电子散射源的密度减小，导电电子的平均自由程增大，从而合金电导率增大[3、4、5]。因此，在表2均热制度中，在确保铸锭不发生过烧的情况下，470℃/8h+495℃/24h均匀化效果最好。

3　结论

（1）铸态20X0铝锂合金组织中存在严重的元素偏析，铸锭中的Mn、Mg、Ag、Zn元素基本均匀分布，而Cu元素则在晶界处明显富集。

（2）结合DSC分析和金相检测综合判断，20X0合金的过烧温度范围为490～495℃，经一级均热后过烧温度范围为500～505℃，过烧点向后推移了约10℃。

（3）通过金相法、面扫描、电导率等方式对均匀化效果进行了综合评价，确定20X0铝锂合金的最佳均热制度：470℃/8h+495℃/24h，目前该工艺已经应用到工业生产中。

[1]王祝堂，田荣璋.铝合金及其加工手册[M].中南工业大学出版社，2000

[2]《铝合金热处理》编写小组.《铝合金热处理》[M].冶金工业出版社，1972

[3]李成侣，潘清林.2124合金双级均匀化工艺研究[J]. 中国有色金属学报，2010. 2

[4]李松瑞，周善初.金属热处理[M].中南大学出版社，2003

[5]李荐，钱晓明.6061铝合金均匀化热处理效果评价及工艺优化研究[J].材料热处理技术，2011. 11

（编辑：杨毅）

Research on Two-stage Homogenization Process for 20X0 Al-Li Alloy Ingot

TENG Ming-he，ZHANG Min
（Southwest Aluminum（Group）Co.，Ltd.，Chongqing 401326，China）

Effect of two-stage homogenization system on microstructure of 20X0 Al-Li alloy was researched，and homogenization effectiveness was evaluated. It was determined that homogenization system of the alloy was 470℃/8h+495℃/24h，which had been applied in industrial production.

grain segregation; eutectic structure; overburning; lattice distortion

TG166.3

B

1005-4898（2016）02-0027-05

10.3969/j.issn.1005-4898.2016.02.05

滕明和（1985-），男，贵州思南县人，大学本科。

2016-01-20