2024高强度硬铝合金铸态组织及性能研究

曹 帅，冯 枭，冯艳飞，吴金凤，王维宇，祝 哮

(营口忠旺铝业有限公司，辽宁 营口 115000)

2024高强度硬铝是Al-Cu-Mg合金，属于热处理可强化铝合金，具有质轻、耐磨、弹性好、比强度和比刚度高、抗冲击性能好等综合性能，是应用最为广泛的结构铝合金之一[1-4]。在我国国民生产、国防科技及航空航天领域等广泛应用，特别是用于飞机的机身、机翼及连接件、骨架以及高要求的承受循环载荷的结构件[5-7]。然而，高强度硬铝在凝固时存在枝晶偏析，在铸锭心部和边部晶粒尺寸分布不均，为了更好了解和适应新时代各行业对此类合金性能的不同需要，必须先研究合金铸态组织及性能是否满足需求。本文选取2024高强度硬铝为研究对象，对其铸锭径向不同位置的组织及性能进行分析研究。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验材料为2024高强度硬铝，化学成分见表1。铸锭成分符合国标要求，铸锭边部和心部位置成分偏析≤0.01%，铸锭内部成分均匀，试验合金成分配比属于成分下限，主要合金元素为Al、Cu、Mg和Mn。

表1 2024高强度硬铝合金的化学成分(质量分数，%)Table 1 Chemical composition of 2024 high strength hard aluminum alloy (mass fraction，%)

1.2 试验过程

2024高强度硬铝圆铸锭采用半连续铸造方法，铸造温度为735 ℃，生产规格为φ198 mm×1400 mm，铸锭头尾各切除300 mm。采用线切割机截取尺寸大小为25 mm×25 mm×25 mm的试样，进行金相组织观察，电导率、硬度及拉伸力学性能测试。试样经过打磨、抛光后选用Keller腐蚀液(1%HF+1.5%HCl+2.5%HNO3+95%H2O)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FV-810型维氏硬度计进行硬度测量，均实测5个点以上，求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性能检测，施加载荷100 kN，实测3组，取平均值作为力学性能。

2 试验结果与讨论

2.1 低倍组织分析

图1为2024合金铸锭径向截面低倍组织。由图1可以看出，低倍组织晶粒度和疏松均为1级，铸锭表面存在偏析层，铸锭无气孔、夹杂、裂纹等铸造缺陷，铸锭边部表面偏析层厚度≤8 mm。

图1 2024合金铸锭径向截面低倍组织(a)和偏析层厚度(b)Fig.1 (a)Macrostructure and (b)the thickness of segregation layer of 2024 alloy ingot in radial section

2.2 合金过烧温度分析

铝合金过烧是指低熔点共晶体的复熔，共晶体复熔要消耗熔化热，在差热分析曲线上表现为定温吸热反应。某合金差热分析曲线上出现有定温吸热反应，则差热分析曲线上的共晶体复熔定温反应点在温度曲线上投影的温度就是该合金的过烧温度。图2为2024合金差热分析曲线，经测定并分析2024铸态合金的过烧温度为499.1 ℃，但由于考虑测量结果的滞后性及该合金在508 ℃发生共晶反应，实际的过烧温度应该在500～501 ℃。文献[6-7]研究表明2024合金的过烧温度为500或501 ℃。

图2 2024合金铸锭差热分析曲线Fig.2 Differential thermal analysis curve of 2024 alloy ingot

2.3 显微组织分析

图3为2024铸态合金晶粒度图。可知，铸锭径向截面中心、R/2和R(边部)位置的晶粒度依次为2、2和2.5级；铸锭横截面中心、R/2和R位置的平均晶粒大小差异较大，平均晶粒尺寸依次为172、161和143 μm。铸锭晶粒大小差异主要是由于铸锭凝固是从铸锭轴向外表面向里先开始形核与长大，铸锭在凝固初期，铸锭壁面上形成极大的过冷度，且粗糙的壁表面可以作为自发形核，铸锭表面迅速形成细小的等轴晶。随着凝固继续进行，晶粒择优生长方向和热流方向一致的晶粒生长较快，所以取向垂直于壁面的晶粒生长最快，晶粒之间形成是互相竞争生长的结果。晶粒取向与壁面垂直的晶粒生长比周围晶粒早，形成柱状区。而剩余晶粒取向和型壁不垂直的晶粒则受到抑制，停止生长。沿壁面方向散热逐渐迟缓，同时已成长的柱状晶由于结晶潜热的释放而温度逐渐升高，中心的凝固温度降低，中心温度梯度减小，因而柱状晶停止生长，在中心形成粗大的等轴区。

图4为2024铸态合金的金相组织形貌。研究表明，2024高强度硬铝铸锭中主要相为α(Al)与S(CuMgAl2)相，还可能有少量θ(CuAl2)和Mg2Si相。从图4可以看出，基体α(Al)呈等轴状，枝晶网络上存在大量共晶体，主要为α(Al)+S(CuMgAl2)相，存在少量的其他相。铸态铝合金析出相及共晶组织大量集中或偏聚在晶界上，并且晶粒大小不均匀，还出现大量发达枝晶，连续枝晶网格显著，甚至出现了二次枝晶等。

(a)中心位置；(b)R/2位置；(c)R位置图3 2024铸态合金晶粒度(a) center; (b) R/2 position; (c) R positionFig.3 Grain size of 2024 as-cast alloy

(a)中心位置；(b)R/2位置；(c)R位置图4 2024铸态合金的金相组织(a) center; (b) R/2 position; (c) R positionFig.4 Metallographic structure of 2024 as-cast alloy

图5为2024铸态合金的显微组织形貌及第二相能谱分析位置。从图5中可以看出，铸态合金的晶界成连续的网状分布，部分晶界存在较大的析出相和共晶组织，枝晶网络发达，晶界内有十分清晰的骨骼状组织。表2为不同位置EDS能谱分析结果。

(a)中心位置；(b)R/2位置；(c)R位置图5 2024铸态合金的显微组织形貌(a) center; (b) R/2 position; (c) R positionFig.5 Microstructure of 2024 as-cast alloy

表2 2024铸态合金不同位置的EDS能谱分析(原子百分比，%)Table 2 EDS spectrum analysis of 2024 as-cast alloy atdifferent positions (atomic percentage，%)

2.4 电导率及力学性能分析

表3为2024铸态合金径向截面中心、R/2和R位置的常温电导率及力学性能检测结果。从表中可以看出，铸锭中心、R/2和R位置的电导率变化不大，但硬度和拉伸力学性能均呈现出铸锭R位置较大、中心位置较小的趋势。这主要由于铸锭不同位置的晶粒大小不同。

表3 2024铸态合金的常温力学性能及电导率Table 3 Mechanical properties and electrical conductivity of2024 as-cast alloy at room temperature

3 结论

1)2024高强度硬铝铸锭无疏松、夹杂、裂纹等铸造缺陷，铸锭偏析层厚度≤8 mm；合金的过烧温度为499.1 ℃，铸锭边部和心部位置成分偏析≤0.01%。

2)铸锭径向截面中心、R/2和R(边部)位置的晶粒度依次为2、2和2.5级，平均晶粒大小差异较大，中心位置平均晶粒尺寸远大于R位置晶粒尺寸，铸锭径向截面中心、R/2和R位置的晶粒平均尺寸依次为172、161和143 μm。

3)合金主要由α(Al)、S(CuMgAl2)、θ(CuAl2)和Mg2Si相组成。组织出现大量发达枝晶，连续枝晶网格显著，甚至出现了二次枝晶，在晶界处存在大量的析出相及共晶组织。

4)铸锭中心、R/2和R位置的电导率变化不大，但硬度和拉伸力学性能均呈现出铸锭R位置较大、中心位置较小的趋势。