均匀化时间对2024铝合金组织及性能的影响

2021-08-31冯艳飞王东辉谢方亮

热处理技术与装备 2021年4期

冯艳飞，王东辉，杨路，谢方亮，郑建，王克

(营口忠旺铝业有限公司，辽宁营口 115000)

2024铝合金是Al-Cu-Mg合金，属于热处理可强化铝合金，具有强度高、比重低、耐热性和加工性能好等优点，主要用作飞机蒙皮、骨架及卫星等航天器上要求承受高循环载荷的结构件，已成为航空工业中使用最为广泛的铝合金材料之一[1-3]。然而，2024铝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，必须通过均匀化处理消除或降低铸锭的化学成分和组织的不均匀性，促进合金低熔点可溶解共晶相完全分解或接近完全溶解及化学成分分布趋于均匀[4-6]。而温度和时间是铸锭均匀化处理的两个最重要工艺参数，本文通过研究495 ℃均匀化温度下保温不同时间后2024铝合金组织、电导率、硬度及拉伸力学性能的变化，优化2024合金的均匀化工艺，为实际生产提供理论及参考依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验材料为2024铝合金，其主要化学成分如表1所示，铸锭成分符合国标要求，主要合金元素为Cu、Mg、Mn，微量合金元素Cr、Ti、Zn及少量杂质元素Fe和Si。

表1 2024合金的化学成分(质量分数，%)Table 1 Chemical composition of 2024 alloy(mass fraction，%)

1.2 试验方法

采用半连续铸造方法进行铸造，铸造温度735 ℃。生产规格为φ198 mm×1400 mm的2024铝合金圆锭。对其铸锭头尾各切除300 mm，再沿铸锭轴向截取厚度300 mm铸锭并进行轴向机加。铸锭试验料分为铸锭的中心位置(距轴心≤40 mm)、R/2位置(40 mm<距轴心≤65 mm)和R位置(距轴心>65 mm)，本试验选用R位置的试验料，将铸锭边部棒料分别机加成大小为25 mm×25 mm×200 mm试样。在495 ℃均匀化温度下分别保温8、12、16、20、24和28 h，观察试样显微组织，测试试样电导率、硬度及拉伸力学性能。

选用Keller腐蚀液(1% HF、1.5% HCl、2.5% HNO3、95% H2O，体积分数)进行腐蚀，采用Axio-Imager蔡司显微镜观察金相显微组织，。采用Sigmatest2.069涡流电导仪在室温(23 ℃)进行电导率测量，采用加载1 kg、10 s载荷的FV-810型维氏硬度计进行硬度测量，均实测5个点以上，求其平均值作为电导率和维氏硬度值。采用ZX-LX-004电子万能试验机进行拉伸试验，施加载荷100 kN，为保证拉伸力学测试的真实性，实测3组取其平均值。

2 试验结果与讨论

2.1 均匀化时间对组织的影响

图1为2024铸造合金边部(简称“R”)位置的显微组织。图1(a)和1(b)为合金的金相组织，可看出其晶粒大小不均匀，晶粒度为3级，晶粒平均尺寸约为143 μm。合金中出现大量发达枝晶，且晶界内有十分清晰的骨骼状组织，连续枝晶网格显著，甚至出现了二次枝晶，需要进一步热处理以消除。图1(c)为合金的SEM组织形貌，发现晶界存在大量的析出相及共晶组织，铸态合金中析出相和第二相的EDS结果如表2所示，推断A点为Mg2Si+S(CuMgAl2)，B点为S(CuMgAl2)，C点为S(CuMgAl2)+θ(Al2Cu)，D点为Mg2Si+S(CuMgAl2)。

(a)、(b)金相组织；(c)SEM图1 2024铝合金铸态显微组织(a) and (b) metallographic structure; (c) SEMFig.1 Microstructure of as-cast 2024 aluminum alloy

表2 2024铸态合金的EDS能谱分析(原子分数，%)Table 2 EDS spectrum analysis of 2024 as-cast alloy(atom fraction，%)

图2为495 ℃均匀化温度下，不同均匀化处理时间的2024铝合金显微组织。随着均匀化时间的延长，合金中粗大的共晶组织、枝晶和非平衡低熔点共晶相逐渐溶解，晶界上的残留相由连续分布逐渐转变间断连续分布，最后转变不连续分布状态。合金在495 ℃均匀化处理8～24 h时，枝晶网络溶解不充分，晶界上存在未固溶的粗大共晶组织、非平衡相及枝晶逐渐随均匀化时间的延长而不断减少；均匀化处理28 h后，合金中的枝晶网络非常稀疏，非溶相和枝晶偏析基本消除，残留相非常稀少。这主要是由于在较高温均匀化处理，晶界上偏聚的合金化元素或相已基本完全固溶到基体中，晶界及其边沿呈合金元素贫化状态，结合图3中SEM组织分析更加明显。合金组织主要由树状α(Al)和枝晶间低熔点共晶体组成，基体α(Al)呈等轴状，枝晶网络上存在共晶体，主要为α(Al)+S(CuMgAl2)共晶体和少量的α(Al)+S(CuMgAl2)+(Al2Cu)共晶体等，还有少量的Mg2Si、(FeMnSi)6相。经495 ℃×8 h和495 ℃×28 h均匀化处理后，析出相和第二相的EDS分析结果如表3所示，结合图3推断可能的结果：A点为S(CuMgAl2)，B点为S(CuMgAl2)，C点为S(CuMgAl2)+(Al2Cu)+(FeMnSi)6，D点为Mg2Si+S(CuMgAl2)。

(a)495 ℃×8 h；(b)495 ℃×12 h；(c)495℃×16 h；(d)495 ℃×20 h；(e)495 ℃×24 h；(f)495 ℃×28 h图2 不同均匀化处理的2024铝合金显微组织Fig.2 Microstructure of 2024 aluminum alloy with different homogenization treatment

(a)495 ℃×8 h；(b)495 ℃×28 h图3 不同均匀化处理的2024铝合金SEM组织Fig.3 SEM of 2024 aluminum alloy with different homogenization treatment

表3 不同均匀化处理2024铝合金的EDS能谱分析(原子分数，%)Table 3 EDS energy spectrum analysis of 2024 aluminum alloy withdifferent homogenization treatment(atom fraction，%)

2.2 均匀化时间对电导率的影响

图4为495 ℃均匀化温度下，不同均匀化时间与2024合金电导率的关系。可以看出，铸态合金电导率为29.95 %IACS；随着均匀化时间的延长，合金电导率逐渐增加，经495 ℃×28 h均匀化处理后合金电导率最佳，为36.66 %IACS，较铸态合金导电率提高了22.4%。

图4 不同均匀化处理后合金的电导率Fig.4 Conductivity of the alloy after different homogenization treatment

2.3 均匀化时间对力学性能的影响

图5为495 ℃均匀化温度下，不同均匀化时间与2024合金维氏硬度的关系。可以看出，铸态合金维氏硬度为96.8 HV；随着均匀化时间的延长，合金维氏硬度逐渐增大，经495 ℃×28 h均匀化处理后合金的维氏硬度最大，为143.5 HV，较铸态合金相比维氏硬度显著提高了48.2%。这主要与均匀化过程弥散相数量、尺寸和分布有关。

图5 不同均匀化处理后合金维氏硬度Fig.5 Vickers hardness of the alloy after different homogenization treatment

图6为495 ℃均匀化温度下保温不同时间后，2024铝合金铸锭的常温力学拉伸试验结果。可以看出，随均匀化时间的延长，合金抗拉强度不断增大；屈服强度呈先增大后减小再增大趋势，但整体屈服强度均高于未均匀化处理的；而延伸率变化与屈服强度相反。经495 ℃×8 h均匀化处理后，合金的屈服强度最大，屈服强度、抗拉强度及延伸率分别为243.2 MPa、349.5 MPa和4.4%；经495 ℃×16 h均匀化处理后，合金的延伸率最大，屈服强度、抗拉强度及延伸率分别为221.2 MPa、356.6 MPa和7.8%；经495 ℃×28 h均匀化处理后，合金的抗拉强度最大，屈服强度、抗拉强度及延伸率分别为229.9 MPa、367.5 MPa和5.4%。