20X0鋁鋰合金鑄錠雙級均勻化工藝研究

滕明和，張 敏

（西南鋁業（集團）有限責任公司，重慶 401326）

20X0鋁鋰合金鑄錠雙級均勻化工藝研究

滕明和，張 敏

（西南鋁業（集團）有限責任公司，重慶 401326）

研究了雙級均勻化制度對20X0鋁鋰合金組織的影響，并對均勻化效果進行了綜合評價。確定該合金的雙級均熱制度為470℃/8h+495℃/24h，在工業化生產中已經得到了應用。

晶內偏析；共晶組織；過燒；晶格畸變

0　前言

20X0鋁鋰合金是2011年4月在美國鋁業協會注冊的可代替傳統2X24系列合金的一代鋁鋰合金，主要應用于飛機機身和下翼蒙皮制造，是我國實現飛機輕量化制造的重要備選材料。眾所周知，由于溶質重新分配和非平衡結晶，合金在凝固時存在枝晶偏析，在晶界和晶內各組元分布不均勻，必須通過均勻化處理消除或降低晶內化學成分和組織的不均勻性，從而提高合金的塑性，改善合金的熱加工性能和最終使用性能[1、2]。本文通過研究雙級均勻化制度對該鋁鋰合金組織的影響，并通過金相法、面掃描、電導率等方式對均勻化效果進行了綜合評價，制定出該合金合理的雙級均勻化制度，為該合金的工業化生產提供技術支持。

1　試樣材料及方法

試驗所用材料為自產的20X0合金半連續鑄造方鑄錠，鑄錠尺寸為300mm×1200mm×4000mm，合金的化學成分見表1。

表1　20X0合金的化學成分（質量分數/%）

在已經預先退火的鑄錠上切取25mm×25mm×25mm的小塊試樣，先后進行鑄錠過燒試驗、一級均熱后過燒試驗、雙級均勻化試驗。鑄錠過燒試驗制度：485℃/2h、495℃/2h、505℃/2h、515℃/2h、525℃/2h。一級均熱后過燒試驗制度：470℃/8h+485℃/24h、470℃/8h+495℃/24h、470℃/8h+505℃/24h、470℃/8h+515℃/24h。雙級均勻化試驗制度：470℃/8h+485℃/24h、470℃/8h+495℃/24h。以上試驗均到溫裝爐，到溫計時，出爐空冷。

過燒試驗和均熱試驗在高溫均熱爐內進行，用掃描電鏡、能譜分析儀、金相顯微鏡進行檢測。

2　試驗結果及分析

2.1鑄態組織特征

圖1是20X0合金分別通過掃描電鏡和金相觀察得到的微觀組織。從圖1可以看出，大量的非平衡共晶組織沿著晶界富集，枝晶偏析明顯。圖2是20X0合金的面掃描元素分布。從圖2可以看出，鑄錠中的Mg、Mn、Zn、Ag元素基本均勻分布，而Cu元素則在晶界處富集。由以上分析結果可知，20X0合金存在著嚴重的元素偏析，對合金的熱加工性能有著極為不利的影響，必須通過均勻化退火予以消除或降低其影響。

圖1　鑄態顯微組織

圖2　元素面掃描元素分布

2.2過燒溫度分析

2.2.1鑄態過燒溫度分析

圖3和圖4分別為20X0合金的DSC分析結果和金相檢測結果。從圖3可以看出，試樣的吸熱峰值溫度為507.15℃，有融化跡象的溫度約為497℃。從圖4（b）可以看出，試樣在495℃保溫2h后，出現了過燒。由于試驗誤差和檢測手段不同的影響，DSC分析結果和金相檢測結果有所差別。結合二者檢測結果得出，20X0合金的過燒溫度范圍為490℃～495℃。

圖4　金相檢測結果

2.2.2一級均熱后過燒溫度分析

圖5為20X0合金經470℃/8h均熱后的DS C分析結果。從圖5可以看出，試樣的吸熱峰值溫度為520.83℃，有融化跡象的溫度約為500.58℃。與圖3比較可知，有融化跡象出現的溫度向后推移了約3℃，吸熱峰值向后推移了約13℃。圖6為金相檢測結果。從圖6可以看出，試樣經470℃/8h均熱后，第二級均熱溫度為505℃時出現了過燒。

圖5　DSC分析結果

結合二者檢測結果可以得出，20X0合金經一級均熱后的過燒溫度范圍為500℃～505℃。與未進行一級均熱的分析結果比較可知，20X0合金經一級均熱后，過燒點向后推移了約10℃。

圖6　金相檢測結果

2.3均勻化效果評價

2.3.1通過金相法評價均勻化效果

從圖6（a）、（b）可以看出，當第二級保溫溫度為485℃時，晶界富集的非平衡共晶組織逐漸溶解，但由于均勻化溫度偏低，元素擴散緩慢，在晶界處仍有明顯的非平衡共晶組織；當第二級保溫溫度為495℃時，晶界殘留化合物數量較少，晶界變得更加清晰平直，表明合金已充分均勻化。

2.3.2通過面掃描評價均勻化效果

考慮到鑄錠組織中的Mn、Mg、Zn、Ag元素基本均勻分布，而Cu元素在晶界處富集，因此，面掃描時只考慮Cu元素分布的變化。從圖7可以看出，隨著第二級均勻化溫度的提高，富集于晶界處的Cu原子逐漸向晶內擴散，第二級均勻化退火溫度為485℃時，Cu元素擴散不充分，第二級均勻化退火溫度為495℃時，Cu元素基本均勻分布。

圖7　不同均熱制度均勻化后Cu元素分布

2.3.3通過電導率評價均勻化效果

表2　電導率檢測結果（MS/M）

從表2可以看出，電導率隨著均勻化溫度的提高逐漸增加。這是因為在均勻化過程中，鑄造應力進一步消失，晶內的合金元素偏析程度逐漸減小，減弱了基體點陣的晶格畸變程度，使得基體點陣中電子散射源的密度減小，導電電子的平均自由程增大，從而合金電導率增大[3、4、5]。因此，在表2均熱制度中，在確保鑄錠不發生過燒的情況下，470℃/8h+495℃/24h均勻化效果最好。

3　結論

（1）鑄態20X0鋁鋰合金組織中存在嚴重的元素偏析，鑄錠中的Mn、Mg、Ag、Zn元素基本均勻分布，而Cu元素則在晶界處明顯富集。

（2）結合DSC分析和金相檢測綜合判斷，20X0合金的過燒溫度范圍為490～495℃，經一級均熱后過燒溫度范圍為500～505℃，過燒點向后推移了約10℃。

（3）通過金相法、面掃描、電導率等方式對均勻化效果進行了綜合評價，確定20X0鋁鋰合金的最佳均熱制度：470℃/8h+495℃/24h，目前該工藝已經應用到工業生產中。

[1]王祝堂，田榮璋.鋁合金及其加工手冊[M].中南工業大學出版社，2000

[2]《鋁合金熱處理》編寫小組.《鋁合金熱處理》[M].冶金工業出版社，1972

[3]李成侶，潘清林.2124合金雙級均勻化工藝研究[J]. 中國有色金屬學報，2010. 2

[4]李松瑞，周善初.金屬熱處理[M].中南大學出版社，2003

[5]李薦，錢曉明.6061鋁合金均勻化熱處理效果評價及工藝優化研究[J].材料熱處理技術，2011. 11

（編輯：楊毅）

Research on Two-stage Homogenization Process for 20X0 Al-Li Alloy Ingot

TENG Ming-he，ZHANG Min
（Southwest Aluminum（Group）Co.，Ltd.，Chongqing 401326，China）

Effect of two-stage homogenization system on microstructure of 20X0 Al-Li alloy was researched，and homogenization effectiveness was evaluated. It was determined that homogenization system of the alloy was 470℃/8h+495℃/24h，which had been applied in industrial production.

grain segregation; eutectic structure; overburning; lattice distortion

TG166.3

B

1005-4898（2016）02-0027-05

10.3969/j.issn.1005-4898.2016.02.05

滕明和（1985-），男，貴州思南縣人，大學本科。

2016-01-20