多级时效对ZL114A合金组织和拉伸性能的影响

全琪峰，董立新，刘力菱，方华伟

（1.西南交通大学材料科学与工程学院，成都610031；2.重庆铁马工业集团有限公司，重庆400050）

0 前言

ZL114A合金属于Al-Si系铝合金，密度较低，强度较高，具有优良的铸造性能、机械性能、力学性能、抗腐蚀性能和焊接性能，已广泛应用于我国航空航天等领域。随着航空航天领域不断发展，对ZL114A合金的综合性能要求也不断提升。为获得高强度、高塑性的ZL114A合金，我国与国外学者在组织成分、铸造工艺、热处理工艺、改进及晶粒细化等方面进行了科学研究，并取得了不小的成就[1]。

在热处理工艺的研究和改进方面，闫峰等人研究了分级固溶对ZL114A铝合金组织与性能的影响，发现采用分级固溶处理能有效地提高合金的力学性能[2]。李卫超等人研究了固溶温度和固溶时间对ZL114A合金共晶硅形态的影响，发现固溶温度对共晶硅的粒化过程有很大的影响，提高固溶温度可以减少固溶时间[3]。贺晓军等人研究了固溶温度、固溶时间、淬水水温、时效温度和时效时间等工艺参数对ZL114A合金力学性能的影响[4]。

本文在以上热处理工艺的研究的基础上，进一步研究了多级时效对ZL114A合金组织和拉伸性能的影响。

1 实验材料和方法

1.1 实验材料

本实验研究的材料为ZL114合金，其化学成分如表1所示。

表1 ZL114A合金的化学成分（质量分数/%）

其熔炼过程为：加料→熔化→搅拌→调整成分→精炼→变质→浇注。熔炼原料由纯铝锭、ZL114合金回炉料（≤总量的30%）、中间合金、结晶硅和纯镁组成。在浇注前的变质处理过程中加入了炉料重量的0.04%～0.05%的铝锶变质剂。本实验中，未经热处理的铸态ZL114A合金材料的抗拉强度为175.52MPa，伸长率1.9%，图1是铸态ZL114A合金的显微组织。

图1铸态ZL114A合金显微组织

1.2 实验方法

实验材料分为3组，分别命名1组、2组、3组合金试样。1～3号合金试样分别按照表2的热处理实验方案进行处理。在箱式电阻炉中进行固溶处理，在55℃水温的水浴锅中进行淬火处理，在烘箱中进行时效处理。热处理完后在WS-100型电子万能拉伸试验机上拉伸试样，测试其抗拉强度和延伸率。最后用金相试样经粗磨、细磨、抛光后，用浓度为0.2%的HF水溶液腐蚀5～10s，在光学显微镜下观察样品的显微组织。

表2 ZL114A合金的热处理试验方案

2 实验结果与分析

2.1 不同热处理工艺下的拉伸性能

为了测试不同热处理工艺下合金的力学性能，本实验采用WDW-200微控电子试验机对热处理后的合金进行了拉伸试验，实验结果如图2所示。

图3不同热处理工艺下合金的力学性能

由图2可知，相对于第1组和第2组试样，第3组试样的性能十分优异，抗拉强度和伸长率都是最高的，且抗拉强度高达410MPa。说明在其他处理工艺不变的前提下，多级时效相对于传统的时效工艺更能提高ZL114A合金的力学性能。

2.2 多级时效对合金组织和拉伸性能的影响

ZL114合金中强化机制有固溶强化和析出强化，而析出强化是主要的强化机制。按位错通过析出相的方式不同，将析出强化分为两类：当颗粒析出相的尺寸细小且密度大时，这时强化机制为切过机制；当颗粒析出相的尺寸大且与基体不是完全共格关系时，这时为绕过强化机制[5]。

为了探究多级时效提高ZL114A合金的力学性能的微观机理，本文对热处理后的合金试样进行了微观形貌的表征。1、2、3组试样的显微组织如图3所示。共晶硅是ZL114A合金中最主要的析出相，因此共晶硅的形态对强度、塑性的影响最大。

将图3中经过热处理的试样的显微组织与图1中铸态原始试样进行对比。可以看出经过热处理后的试样，α-Al枝晶数少，晶粒趋向于等轴化，共晶硅的形态从针状、纤维状变为球状、颗粒状。颗粒状的共晶硅比起纤维状的共晶硅，更加有助于提高合金的塑性，而细纤维状大大加强了合金的球化和共晶硅的弥散分布。因此，热处理后的试样都比未经热处理的强度和塑性要高。

图3不同热处理工艺下的ZL114A合金显微组织

通过比较图3中三种不同热处理工艺下试样的显微组织进行可以看出：

从α-Al的形态上看，第3组试样的晶粒等轴化程度更最高，晶粒度最细小，晶粒分布均匀弥散；第2组试样的的晶粒等轴化程度居中，晶粒度居中，晶粒不规则；第1组试样的晶粒等轴化程度最低，晶粒度最大，有粗大的枝状晶。

从共晶硅的形态上看，第3组试样的共晶硅多呈球状、棒状，晶粒度最大，但是圆化程度最高，连续性最好，晶粒之间的间距最小，弥散程度最高，各个晶粒之间大小相差不大；第2组试样的共晶硅多呈颗粒状和棒状，晶粒度最小，但晶粒间距较大，晶粒大小参差不齐，连续性最差，弥散程度居中；第1组试样的共晶硅多呈棒状、球状，晶粒度居中，圆化程度最低，晶粒之间间距较小，连续性较好，弥散程度较差。另外，第3组试样α-Al基体中析出相最多，第2组试样居中，第1组试样其次。

综上所述，本实验中的ZL114A合金采用热处理工艺545℃×12h+55℃水淬+155℃×8h+175℃×8h时的强度和塑性最好。另外，贺军等人在对ZL114A合金热处理工艺的研究中，发现单级时效时采用155℃×7.5h得到的ZL114A合金的力学性能最好。但是本文中的研究发现采用单级时效175℃×8h比采用单级时效155℃×8h的强度和塑性都要更好。其中的原因可能在于本文中研究的ZL114A合金材料加入了铝锶变质剂。当然，具体原因还值得深入探讨。

3 结论

本实验中的ZL114A合金材料采用545℃×12h+55℃水淬+155℃×8h+175℃×8h热处理工艺的试样的强度和塑性最好。因为多级时效155℃×8h+175℃×8h使得α-Al晶粒等轴化程度更高，晶粒度更小。同时使得共晶硅析出更充分，共晶硅晶粒圆化程度更高，多呈圆状和颗粒状，颗粒大小较一致，连续性和弥散性较好。