熱變形方式對2D70鋁合金組織與性能的影響

朱國鋒

摘 要：利用光學顯微鏡、力學性能測試和投射電鏡對分別對合金棒材鍛造過程中的組織和進行熱處理過程中的組織進行觀察，對兩種情況下的合金組織進行對比觀察。結果表明，強變形工藝所獲得的合金組織相對常規變形方式的均勻且各類第二相分布合理；合金棒材抗過時效能力在195℃人工時效階段更具優越性，2D70合金熱穩定性相對較好。

關鍵詞：耐熱鋁合金；強變形；鍛造；組織變化

引言

2D70鋁合金屬于耐熱鋁合金，這種鋁合金強度高、具有耐高溫性能，是可熱處理強化合金，有著良好的綜合性能，廣泛應用于航空航天領域。對于軍用飛機的中央地板、接頭肋、橫梁和框板飛機的翼梁等部件，往往是用2D70鋁合金制造的。2D70合金是降低Si元素含量形成的，同時加入A19FeNi的Fe和Ni等能形成穩定金屬間化合物。2D70鋁合金在常溫下與普通合金的強度相差無幾，但是在高溫下的強度卻比普通合金高很多，具有良好的工藝性能，2D70鋁合金主要用于制造需要耐高溫的機械零件，溫度大約為150℃到250℃之間。隨著我國航空航天事業的飛速發展，我國對于耐熱合金的改進也提出了新的要求。世界對于2D70合金的研究相對較少，尤其是熱變形方式對于2D70合金影響的研究更是很少。本實驗旨通過研究2D70耐熱鋁合金在鍛造過程中和熱變形過程中微觀組織、力學性能的變化，以此作為熱變形工藝優化的實驗及理論基礎。

1 實驗方法

實驗用2D70鋁合金制成的合金棒材作為實驗品，如表1所示。首先對合金棒材進行鍛造，隨后對鍛造后的合金棒材進行了熱變形加工和常規變形加工，使合金棒材中大量可溶非平衡共晶得到了最大限度的消耗。在此基礎上進行固溶處理，固溶制度所采用的是540℃×2.5h，完成后進行淬火處置，為了準確探究熱變形方式對合金棒材鍛造過程中組織性能的影響，實驗采用不同的熱變形方式。選取1/3半徑處作為最具代表性的方式，進行橫縱截面合金組織進行對比并分析不同固溶態和變形態材料的差異性，從而進行比較研究。用JEM-2011型電鏡進行高分辨透射電鏡的觀察。表1為實驗合金化學分析結果。

表1 合金化學成分分析

2 結果與討論

2.1 2D70棒材在鍛造過程中的組織分析

耐熱系合金化學組成、相組成都是比較復雜的，從合金棒材鍛造過程中掃描電鏡相片可以看出，2D70合金作為一種耐熱性合金也是一種較為復雜的合金，該合金中有大量的低熔點、非平衡共晶相，除此之外還有較多尺寸較大的條狀及塊狀相的存在。該合金在鍛造過程中，出現冷卻速度較大的非平衡凝固過程。高溫一次析出相為Al9FeNi，Al7Cu4Ni和Al7Cu2Fe相首先析出，低于固相線后，在一定的異質核心周圍的隨著熔體溫度的降低發生凝固析出。蜂窩狀的共晶組織最為典型，化學成分計量與Al2CuMg相較為接近，其中，Cu，Fe，N元素沒有Mg元素的分布均勻，存在嚴重偏析。共晶相、塊狀相中Cu元素大量存在，Fe主要分布在塊狀相以及條狀相當中。從合金中衍射花樣圖譜以及典型析出相的形貌分析結果來看，大量塊狀相為Al9FeNi相，條狀相為Al7Cu4Ni相，可以確定的是合金共晶組織中黑色部分為Al2CuMg/Al2Cu，這與SEM分析結果是一致。其中晶格常數為a=0.8574nm，b=0.9001nm，c=0.8601nm的是Al9FeNi相為單斜結構。按照理想情況，2D70合金中主要是Fe、Ni與鋁形成Al9FeNi三元相，其中Fe，Ni元素按照1∶1比例添加最為合適。這種組織相因其熱穩定性相對較好，所以對于合金的強度有著顯著提高，尤其是在高溫下，耐熱性能也得到顯著提升。如果Fe或Ni偏析，則因為出現局部“過剩”的Fe或Ni而相應地形成Al7Cu2Fe或Al7Cu4Ni相兩種脆性相，因此使得使合金的力學性能降低。

2.2 熱變形工藝對合金棒材組織的影響

通過實驗我們可以觀察到常規變形方式形成的棒材與強變形方式形成的棒材的鍛造態和均勻化狀態。通過透射電鏡我們觀察到：常規變形方式的棒材的均勻度不如強變形方式的棒材，常規變形方式的棒材的狀態是有一定程度的破裂，分布不均，棒材的形態有著很大的差異。從橫縱截面的觀察中看到局部發生了團簇現象。而由強變形方式制成的棒材在透射電鏡中呈現的是網狀型晶體分布，晶體之間的網狀較細，分布均勻。晶粒尺寸的為大約為100-490μm之間，晶粒之間有大量的混色和黑色混雜的共生相。棒材組織中，在晶體分布的晶界處，低熔點化合物發生了回熔的情況，雖然我們可以看到第二相在合金棒材中還是大量的存在著，但是共晶體的數量相對于之前而言卻是減少的，而剩余存在在合金棒材中的第二相大多為高熔點的Al9FeNi、Al7Cu4Ni結晶相等。觀察強變形方式棒材的均勻化態，我們可以看出晶體內元素的分布是不均勻的并且還存在羽毛狀相。由此可見，對于這種情況需要進行處理，通過一定的均勻化處理來是不均勻的晶體元素分布達到相對均勻化，使棒材在冷卻時的內應力得到有效的降低。通過兩種方式的棒材的鍛造態和均勻化處理后的狀態觀察，強變形方式的棒材相對常規變形方式的鑄錠具有明顯的優勢。兩種工藝對合金棒材變形態和固溶態組織都有著相似的影響，但是比較而言，熱變形工藝還是具有相對的有利點。

3 結束語

（1）常規變形方式與強變形方式相比較而言，強變形方式對2D70的強度影響較大，強變形方式可以提高2D70鋁合金的強度。通過實驗，2D70鋁合金在強變形方式的處理之下，在195℃高溫處理之下，它的極限抗壓能力得到相應的提升，屈服強度也得到增強具有更強的抗過時效能力，所以，熱變形工藝可以使2D70鋁合金的強度得到有效的增強，對于鍛造強度較大的機械品有很大的優勢。

（2）2D70鋁合金第二相組織形態受到變形方式的影響。常規變形方式與強變形方式向比較，強變形方式制成的棒材相對均勻，第二相不易發生變化。而常規變形方式制成的棒材的組織分布不均，2D70鋁合金的第二相容易受到影響而發生變化。

參考文獻

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