2A12 铝合金热处理工艺分析

田东海，石杰，任伟伟，王铭武，何宗徽

（1.中机第一设计研究院有限公司，合肥 230601；2.中国兵器工业集团北方自动控制技术研究所，太原 030006）

1 引言

2A12 铝合金在航天航空、船舶制造、军工装备产品等领域被广泛使用，具有较高的强度、断裂韧性和疲劳性能、优良的高温蠕变抗力和塑性成型能力以及良好的机械加工性能，是一种典型的Al-Cu-Mg 系可热处理强化型铝合金，其化学组成成分见表1[1]。

表1 铝合金化学成分

研究发现，2A12 铝合金在加工和使用过程中会出现各种问题，比如：切削加工中易出现加工变形，尤其是薄壁薄板类零件； 同时，2A12 铝合金制品表面一般采取陶瓷化和喷涂等多种防护措施，但恶劣的环境会使其在使用过程中出现防护层开裂进而丧失防护性能，再加上受残余应力影响，出现腐蚀、磨损、疲劳、裂纹、断裂等问题。通过热处理可以有效提高铝合金的力学性能，使其强度、韧性、导电性、导热性以及抗腐蚀性增强[2]，不同的热处理方式会对铝合金性能产生不同的影响，本文将对此进行分析。

2 2A12 铝合金常用的热处理方式

2.1 铝合金的时效处理

时效处理是指在室温或者较高温度下将工件存放较长时间，根据热处理温度的不同可分为自然时效和人工时效，在铝合金板材及铸件类加工中应用广泛[3]。经过时效处理后，铝合金的硬度和强度通常都有所增加，但塑性、韧性和内应力相对有所降低。人工时效主要包括单级时效处理以及双级时效处理两种。

单级时效，即在单一温度下对工件进行热处理。依据溶解温度的临界值可有效划分单级时效处理。根据经过时效处理后铝合金的具体组织的不同，可分为峰值时效、欠时效、过时效3 种：峰值时效可使工件的强度达到最大值；欠时效温度相对其余两种时效方式较低，可以保证材料的合金塑性；而过时效温度相对较高，可以保证工件具有良好的综合性能。

双级时效处理是指在不同的热处理温度参数设置下对工件进行两次时效处理，应用极为广泛。相比单级时效，双级时效后工件金相组织的脱溶析出序列更复杂。其中第一级时效以低温预时效为主，在工件热处理过程中属于成核处理环节，热处理后形成的铸锭密度相对较高，铸锭尺寸较大，可作为时效沉淀相的核心进行应用，同时可以保证工件金相组织的均匀性。一般来说，工件预时效温度低于其金相组织的溶解温度，当时效温度比较高时，可以进行保温操作并优先成核；第二级时效温度较高，失效后工件晶内组织形态多为均匀分布的盘状。经过双级时效热处理后，工件强度下降，抗腐蚀性提高。

2021 年，张子琪等[4]研究发现对于旋压变形的2A12 铝合金，经过人工时效比自然时效后的抗拉强度和伸长率分别高出39 MPa 和1.0%。刘春梅等[5]通过实验发现预时效后工件硬度随着预时效温度的增加先增大后减小，并在180 ℃时达到峰值。后来，又从7XXX 系铝合金衍生出非等温失效方式，该方式下铝合金的热处理温度保持变化，陈赓等[6]通过实验发现经过非等温失效后的2A12 铝合金相比传统T74 双级失效后具有更高度的硬度和抗拉强度，综合性能更好。

2.2 铝合金的固溶处理

通过固溶处理，能够使工件的各种相充分溶解，同时强化固溶体，使工件的韧性和抗腐蚀性得到提升，方便后期加工和成型。固溶处理的主要目的是获取过饱和固溶体，改善工件的塑性和韧性的同时还能为沉淀硬化处理做好准备。固溶处理分为单极、高级、强化固溶、高温析出等工艺。工件在固溶处理过程中，其金相组织发生变化，对工件的后续变形和热处理效果产生直接影响。通过固溶处理加热工件，可使其组织第二相能够全部融入固溶体。保温一段时间后，对第二相自溶固体进行快速冷却可以得到过饱和溶质原子和空位。传统铸锭均匀化处理过程中，热处理温度以及变形组织的固溶温度都低于非平衡共晶熔点，使得残留的结晶粒不能彻底溶解，残留的结晶相在晶内以及晶界上聚集分布，进而使工件存在应力集中以及裂纹产生的隐患。铸锭后续变形能够碎化残留的第二相颗粒，但仍会有部分残留在组织内直接影响工件的拉伸强度、断裂韧性和疲劳性等机械性能。目前实际生产中大多采用通过固溶+自然时效方式热处理的2A12 铝合金作为加工原料，其金相组织状态稳定，力学和机械性能良好。

梁孟超[7]研究发现2A12 铝合金的晶粒尺寸随着固溶时效温度的升高而增大，当时效参数为495℃×10 min 时，强度最大，综合性能最好。刘春燕等[8]通过对固溶+ 自然时效后的2A12 铝合金进行过时效试验发现，未变形的2A12 铝合金经过自然时效后相比人工时效，其强度、断后伸长率提高36%；经过分级时效能提升强度约50%，其硬度随着故时效温度的升高而降低，并在（260~280）℃×2 h 时获得100~120 HBS 硬度；300 ℃×2 h 时获得60~105 HBS 硬度的。

2.3 铝合金的均匀化处理

在均匀化热处理工程中工件受热均匀，通过将其铸锭温度控制在与其固相线或者共晶温度接近的温度范围内，并在这一温度参数设置的环境中长时间保温，随后冷却至室温，能够完全溶解工件可溶解的相和组织，使过饱和固溶体和少量弥散析出细小质点。均匀化处理能使非平衡第二相在工件铸锭产生过程中溶解，可降低工件第二相体积分数，提高其热塑性、固溶度和固熔强度。通过均匀化热处理，可提升工件铸锭组织在室温下的塑性、冷热变形工艺性能，减小其热轧开裂的危险系数，提升热轧带板的边缘质量和挤压速度，还能降低工件的抗变形抗力，进而提高整体生产率。

目前，均匀化热处理主要应用于7XXX 系铝合金。2021年张尉等[9]研究发现，经过465 ℃均匀化热处理后，7XXX 铝合金的铸锭晶界处枝晶部分消失，低熔点相溶解不充分，将热处理工艺参数改进为465℃×24 h+478℃/8 h 后，工件铸锭晶界低熔点共晶相基本消失，晶粒增大不明显，同时残留第二相仅为0.8%；改善热处理工艺后工件的抗拉强度为533.5 MPa，屈服强度为455 MPa,延伸率为16.5%。

2.4 铝合金的形变热处理

形变热处理结合铝合金的塑性变形强化和时效强化，改善工件的显微组织，使其韧性、抗应力腐蚀能力等力学性能显著提升，同时，形变热处理还可以简化生产流程，显著提高生产效率。铝合金的形变热处理工艺将塑性变形以及热处理共同作用在工件上，能够有效控制工件形状。形变热处理主要包括低温形变热处理、高温形变热处理、中间形变热处理以及最终形变热处理等类型。其中，中间形变热处理以及对中性面热处理的应用相对广泛； 低温形变热处理技术主要应用于AI-Cu-Mg 系合金，但不适用于Al-Zn-Mg-Cu 系合金；高温形变热处理技术将热加工作为固溶处理环节，之后在短时间内淬火，一般对Al-Cu 以及AI-Mg-Si 系合金有较为优良的处理效果，但是不可应用在Al-Zn-Mg-Cu 系列合金中。

2015 年，薛淼[10]研究发现2A12 铝合金的抗拉强度和屈服强度随着形变热处理中的变形率和失效时间的增大而变化，呈现先增后减状态，当变形率为40%、时效时间为15 h，两者达到最大值——539 N/mm2、370 N/mm2；工件硬化指数与变形率成正比，并在50%变形率时达到0.56 最优值。2016 年，刘松[11]研究发现，经过相同温度参数的热处理工艺后，2A12 合金伸长率随形变量增大而减小，塑性降低，当变形量为40%时抗拉强度达到最大值533.68 MPa。

2.5 铝合金的回归热处理

回归热处理(RHT）是先将强化后的铝合金工件快速加热到一定温度，随后短时保温，使工件材料性能达到新淬火前的状态，其实质就是一种短时加热的过程[12]。经过人工时效热处理后的工件也能进行回归再时效处理。对铝合金工件进行回归处理后再时效处理，可以恢其强度，并提高工件材料的韧性、防腐蚀开裂等综合性能。

宋佩维等[13]通过对2A12-T4 状态的铝合金进行不同时长的回归热处理实验发现，回归热处理工艺为250℃×（20~25）s，热处理的时长与固溶状态的恢复速度成反比，随着热处理时长增加，工件依次显现回归、人工时效和过时效的特征。2014年，赵俊[14]将回归热处理工艺扩展应用到7XXX 铝合金并进行参数优化，通过实验对比分析，发现优化后的回归热处理工艺最优参数为465 ℃×2 h+120℃×12 h+190 ℃×5 min+120 ℃×16 h，对7XXXX 系铝合金进行工艺优化的回归热处理后，其抗拉强度达到727 MPa，屈服强度达到703 MPa，伸长率可达8.3%，综合力学性能得到有效提高。

3 结论与展望

通过不同方式的热处理来改变2A12 铝合金的硬度、屈服强度、塑性、伸长率等各项力学性能指标，可满足各行业的使用需求。因此熟悉并掌握不同热处理方式的作用、特点及具体的工艺参数就显得尤为重要。同时还要认识到目前对于2A12铝合金的热处理方式的研究需更进一步。

1）均匀化热处理方式目前广泛应用于7XXX 系铝合金，对2A12 铝合金的均匀化热处理研究比较匮乏，尚未形成完善成熟的工艺参数及指导文件。因此，研究2A12 铝合金的均匀化热处理就显得很有意义。

2）诸多学者陆续展开对2A12 铝合金进行多种热处理方式混合实验研究，以期得到更为具体详细、贴近实际需求的热处理工艺参数。目前，大多数研究成果停留在试验阶段或针对性较强，尚未具有普适性并应用推广。因此，可以通过增加不同状态和用途的2A12 铝合金样本扩大试验范围，得到更为详细的工艺参数，并推广到实际应用当中。

3）还应认识到目前的热处理技术促进行业发展的同时，也潜存着对环境、人体健康及材料本身的危害隐患。研究2A12铝合金的热处理工艺不应局限于对材料性能的提升和满足使用需求，还应不断创新发展，来减轻对环境和材料本身的破坏，逐步解放人力，实现智能自动化。