熱處理對Al-W合金組織及性能的影響

張明新，劉 杰，黃海軍，韓 偉，李鑫劍，王 偉，王立江，支志恒

(天津那諾機械制造有限公司 天津300457)

近年來，隨著能源問題的日益嚴重，對鋁合金材料輕質量、高強度、耐高溫等性能的要求不斷提高。現今超音速飛機機身表面等部位因使用溫度大于300℃[1-2]，這些部件大多采用鈦合金等材料，重量較大且造價高，為減輕重量提高推重比，急需研發替代這些材料的高溫高強鋁合金，而該項技術只有美、日等少數國家掌握[3-4]。由于 W具有高的熔點和良好的熱穩定性，已經在鎳基高溫合金中獲得成功應用，成為提高鎳基合金高溫性能的主要元素之一，但是在鋁合金中的應用不多[5-6]。本文在前人研究的基礎上，選用 W 含量為 7%的 Al-W 二元鋁合金進行熱處理實驗，主要研究了不同溫度、時間的固溶時效處理對合金性能的影響，以期為后續的高溫鋁合金的設計與開發提供基礎性參考。

1 實驗材料及方法

本文采用W含量為7%的Al-W二元合金，截取制備高 8mm左右的圓柱試樣，并在 SX2-8-10型箱式電阻爐中采用表 1所示熱處理工藝對試樣進行固溶時效處理，要求固溶處理后立即水冷處理。熱處理后的試樣在 Olympus激光共聚焦顯微鏡下觀測合金組織變化，利用HB-3000B型布氏硬度計測試合金硬度，ML-100磨粒磨損試驗機測試耐磨性。

2 實驗結果及分析

2.1 固溶處理對合金微觀組織的影響

不同固溶溫度對合金組織的影響見圖1。

表1 熱處理工藝表Tab.1 Heat treatment process

由圖 1可以看出，在固溶處理時，固溶溫度不同導致試樣中過剩相殘留程度不同。490℃時第二相殘余最多，510℃其次，530℃時第二相基本上得到了充分的溶解。但是經 530℃固溶后，基體中仍有殘余的第二相，導致這種現象的原因可能如下：530℃還不是最佳溫度，應該繼續提高溫度；Al-W 二元合金中形成的第二相在固溶處理時并未全溶。基于以上兩點考慮，又繼續提高溫度進行固溶處理，但是后續升溫的固溶處理中，出現過燒現象導致實驗失敗，因此選擇530℃為固溶溫度。

2.2 時效處理對合金微觀組織的影響

不同時效溫度對合金組織的影響見圖2。

圖1 Al-W合金不同溫度固溶處理后金相組織Fig.1 Microstructures of Al-W alloys with solid solution treatment under different temperatures

圖2 不同時效溫度下Al-W合金組織Fig.2 Microstructures of Al-W alloy with aging treatment under different temperatures

由圖2可以看出，合金經160℃×10h時效處理后，合金組織中析出物數量也較少，析出物主要分布在晶界處，這是因為第二相在合金的晶界處析出時所需要的驅動力小。隨著時效溫度的提高，析出物的數量增多并且析出物的尺寸也變大，而且分布越來越均勻。隨著溫度的提高，析出相逐漸增多，在溫度達到220℃時，析出物較多，且分布最為均勻，因此確定時效溫度為220℃。

由圖 3可以看出，合金經 220℃×6h時效處理后，析出物較少，而且偏聚比較嚴重，隨著時效處理時間的延長，析出物的數量增多而且分布比較均勻。綜合比較，可以看出在 220℃×10h的時效處理時，合金中第二相的分布最好。

2.3 熱處理對合金力學性能的影響

按照試驗要求將試樣進行了不同溫度的固溶處理，測得不同溫度下固溶處理的試樣的布氏硬度值如表2所示。

表2 不同固溶溫度下的布氏硬度Tab.2 Hardness under different solid solution temperatures

圖3 不同時間下時效處理的Al-W合金組織Fig.3 Microstructures of Al-W alloy under different aging treatment time

根據表2中不同固溶溫度下的硬度數據，得到了固溶溫度與布氏硬度關系曲線如圖4所示。

圖4 固溶溫度與布氏硬度的關系曲線Fig.4 Curve of solid solution temperature and hardness

由表2和圖4可知，隨著固溶溫度的提高試樣的硬度增大。結合固溶處理對合金微觀組織的影響分析可知，隨固溶溫度升高，合金中的第二相溶入基體中的數量增多，減少了第二相在基體中的偏聚，進而提高了合金基體的硬度。本試驗測試的為布氏硬度，代表了合金的整體硬度，因為合金基體硬度提高，合金抵抗變形能力增強，所以布氏硬度增大。

根據表 3中時效溫度和時效時間對試樣布氏硬度的影響，得到了不同的時效溫度和不同的時效時間與布氏硬度之間的關系曲線如圖5。

從表3和圖5可以看出，當時效溫度相同的情況下，隨著時間的延長，合金的布氏硬度值增大，160℃時合金的布氏硬度值最低。這是因為時效溫度偏低時，強化相析出進行得不夠充分，則合金的硬度較低；隨著溫度的不斷升高，強化相析出量增多，所以在220℃的時候試樣的硬度最高。

表3 不同時效溫度和時間下的布氏硬度Tab.3 Hardness under different aging temperaturesand time

圖5 時效溫度和時效時間與布氏硬度之間的關系曲線Fig.5 The relationship curve of aging temperature，time and hardness

在時效溫度為 190℃的時候，發現在時效時間6h和8h的數據中，8h的試樣硬度低于 6h的試樣硬度，其原因可能是：①在實驗截取試樣的時候，由于試樣截取的部分不同，導致所截取到的試樣中合金成分并不是非常的均勻，這樣就導致在進行各種測試的時候影響其總體性能趨勢；②在進行固溶之后，第二相有殘余，并且第二相的分布并不是很均勻，導致在時效處理的時候，造成局部的不均勻，降低時效強化的作用，這樣就會導致該試樣的硬度值降低。

由表 4可以看出，隨著固溶溫度的提高，試樣的耐磨性能提高。在 490℃固溶條件下，第二相并沒有完全溶解到基體中，而在 530℃固溶條件下，試樣中第二相基本溶入了基體中，固溶程度比較高。固溶能使晶界位錯增加，所以固溶越完全試樣的耐磨性越高。不同時效時間和時效溫度時合金的耐磨性能見表5。

表4 不同固溶溫度下的單位面積磨損量Tab.4 Wear resistance under different solid solution temperatures

根據不同的時效溫度和不同時效時間對試樣耐磨性能的影響，得到了時效溫度、時間和磨損質量差之間的關系曲線如圖6所示。

由圖6和表5可以看出：在160℃/6h條件下進行時效處理時，合金的耐磨性較差。可能是因為時效處理的溫度較低和時間較短，析出相數量較少，尺寸也較小并且分布不很均勻，導致試樣的表面硬度降低，所以在進行耐磨測試的時候，容易被突點犁入，耐磨性就低；在 190℃/10h條件下進行時效處理，局部析出相較大，并且局部不均勻，導致其在進行耐磨性測試時，大尺寸強化相易發生脫落，故耐磨性效果差；在 220℃/10h條件下處理的試樣，其析出相數量較多且分布均勻，故耐磨性最好。

3 結 論

Al-W 二元合金最佳熱處理工藝為：530℃固溶處理 80min，220℃時效處理 10h。在固溶處理條件下，合金的耐磨性和硬度隨著固溶溫度的升高而增強；隨著時效溫度的升高和時效時間的延長，合金的硬度增大、耐磨性增強。