熱處理工藝對ZL114A鋁合金組織 及力學性能的影響

康福偉　李如一　喬昕　張繼敏　樊德智

摘要：為了研究熱處理工藝對ZL114A鋁合金組織和力學性能的影響，利用金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、拉伸實驗機等設備對不同熱處理后的ZL114A鋁合金進行組織觀察和力學性能測試。結果表明，隨著固溶溫度從505℃升高到550℃，合金組織中的共晶硅依次發生熔斷、球化和粗化等現象，而且硬度、抗拉強度和延伸率均出現先增加后降低現象，在535℃/12.h時達到最大值，分別為89?7.HB、280.MPa和6?6%;當固溶溫度達到550℃時，晶粒粗大，出現過燒現象，硬度和抗拉強度急劇降低，因此，適合的固溶工藝為535℃/12.h。經此固溶工藝處理的ZL114A鋁合金經不同溫度6.h時效處理，結果表明，隨著時效溫度從140℃升高到170℃，合金的抗拉強度從286.MPa增加至345.MPa，而延伸率則從6?2%降低至4?0%，在155℃時，其抗拉強度和延伸率分別為315.MPa和5?2%，較鑄態時抗拉強度提高了81?0%，延伸率提高了108?0%。從企業對產品實際性能需求出發，最佳的熱處理工藝制度為535℃/12.h+155℃/6.h。

關鍵詞：

ZL114A合金;熱處理;組織;力學性能

DOI：10?15938/j?jhust?2019?01?019

中圖分類號： TG166?3

文獻標志碼： A

文章編號： 1007-2683（2019）01-0113-05

Effects of Heat Treatment Processing on the Microstructure

and Mechanical Properties of ZL114A Aluminum Alloy

KANG Fu?wei?1，LI Ru?yi?1，QIAO Xin?2，ZHANG Ji?min?1，FAN De?zhi?1

（1?School of Materials Science and Engineering， Harbin University of Science and Technology，Harbin 150040，China;

2?Aero Engine （Group） Corporation of China Harbin DongAn Engine Co?LTD?， Harbin 150066， China）

Abstract：In order to study the effects of heat treatment on microstructure and properties of ZL114A aluminum alloy， microstructure observation and mechanical properties test of ZL114A aluminum alloy after different heat treatment were investigated by optical microscope， scanning electron microscope （SEM）， transmission electron microscope （TEM）， and tensile testing machine?The results show that， with the increasing of the solution temperature from 505℃ to 550℃， fuse， spheroidization and coarsening phenomenon occurred in eutectic silicon of ZL114A alloy， hardness， tensile strength and elongation were increased， reached the maximum value at 535℃/12.h， 89?7.HB， 280.MPa and 6?6%， respectively?At the solution temperature 550℃， because grain become coarse and arise overburnt feature， the hardness and tensile strength decreased dramatically?Therefore， suitable for the solution process is 535℃/12.h?The solution treated ZL114A alloy was aged at various temperature for 6.h， the results show that with the increase of aging temperature from 140℃ to 170℃， the tensile strength increased from 286.MPa to 345.MPa， while the elongation decreased from 6?2% to 4?0%?At 155℃， the tensile strength and elongation were 315.MPa and 5?2%， respectively?Comparing with as?casting ZL114A alloy， the tensile strength increased by 81%， and elongation increased by 108%?According to the actual demand of the enterprise， the optimum heat treatment process is 535℃/12.h +155℃/6.h

Keywords：ZL114A alloy; heat treatment; microstructure; mechanical properties

0引言

ZL114A是一種典型的高強高韌鑄造Al?Si合金，國外與之相似的合金牌號為A357（美國軍標，Al?7Si?0?6Mg），主要用于制造航空航天飛行器復雜零部件以及汽車等承受高負荷的零部件[1-2]。我國航空航天企業生產的ZL114A合金構件通常是按HB5480?91或HB962?2001的鑄造標準進行設計制造的，雖然合金熱處理后的性能指標遠高于GB/T1173?2013的規定，但與國外A357合金砂型鑄件性能相比仍存在一定差距[3-6]。因此，為了提高ZL114A合金的綜合力學性能，近年來研究人員在合金成分優化、熔體精煉、微合金化、熱處理工藝等方面開展了一些研究工作[7-10]，提高了ZL114A合金的力學性能。但在實際生產中仍存在某些問題，如合金零件性能穩定性差，合格率低。通過對某企業廢品零件的分析，發現熱處理工藝是造成該問題的主要原因。ZL114A鋁合金的熱處理工藝主要由固溶淬火與人工時效兩個工藝組成，這兩個工藝對合金第二相大小、形態、數量等有重要影響，從而導致合金性能的變化[11-14]。因此，本文主要研究固溶和時效工藝對ZL114A合金組織和力學性能的影響，以期望對航空復雜零件的生產提供理論指導。

1實驗材料及方法

實驗所用的ZL114A合金成分如表1所示。采用砂型鑄造法澆注實驗用試棒，一箱兩件，圖1（a）為砂箱示意圖，試棒尺寸如圖1（b）所示。試棒經不同固溶工藝處理后，通過組織分析和力學性能測試，優化出最佳固溶工藝。經該固溶工藝處理后，試棒經不同時效工藝處理并進行組織和性能分析，從而優化出最佳時效工藝。熱處理實驗方案如表2所示。用光學顯微鏡和FEI sirion200型掃描電子顯微鏡觀察合金組織，在Instron 5500R萬能試驗機上按照國標GB228?2002進行拉伸實驗，拉伸速率為4.mm/min，每個實驗條件下各拉伸三根試棒，力學性能取平均值。

2實驗結果與分析

2?1固溶處理對ZL114A合金組織及力學性能的影響

固溶溫度和時間對ZL114A合金組織和性能影響較大。圖2是鑄態及不同固溶處理后的ZL114A合金金相組織照片。由圖2（a）可知鑄態組織主要由白色的?α?Al基體，分布在其周圍的深色塊狀共晶Si，細小白色的Mg?2?Si相及雜質鐵相（AlFeMnSi）組成。隨著固溶溫度的升高，共晶Si尺寸變小，形態由塊狀變為條狀和球狀，而組織中的Mg?2?Si相逐漸溶解到基體?α?Al相中，溶入基體中的元素越多，固溶強化效果越好。但溫度達到550℃時，如圖2（e）所示，?α?Al晶粒粗大，出現了組織過燒特征。由此可知，固溶溫度應在550℃以下。

圖3為固溶溫度535℃不同保溫時間的ZL114A合金金相組織。從圖中清晰可見棒狀共晶Si的熔斷、球化及粗化過程。保溫6h后3（a）圖，部分共晶 Si已經開始發生熔斷， 從圖3（b）、3（c）和?3（d）?可以看出，隨著固溶時間的延長，更多的棒狀共晶Si熔斷，并逐漸球化。當固溶保溫時間為14h時，如圖3（e），組織中的共晶Si相開始出現聚集長大，逐漸粗化。

圖4為不同固溶處理對ZL114A合金硬度及拉伸性能的影響。從圖4（a）可見，除550℃外， 隨著固溶溫度升高或保溫時間的延長，合金硬度增加，在535℃/12.h時硬度達到最大值。這主要是由于固溶溫度越高，時間越長，溶解到基體?α?Al中的Mg?2Si越充分，引起的晶格畸變就越嚴重，固溶強化效果就會越好。而溫度達到550℃時隨著保溫時間的延長，硬度降低，由前述可知，這是由于過燒引起的。一般情況下金屬材料的硬度變化規律與其拉伸強度呈正比，除550℃外，其余3個固溶條件下的拉伸試棒力學性能與鑄態試棒拉伸性能對比如圖4（b） 所示。由圖可見，抗拉強度和延伸率都隨著固溶溫度升高和時間的延長而增加，在535℃/12.h時，抗拉強度為280.MPa，延伸率為6?6%，比鑄態時的174.MPa和2?5%提高很多，綜上得出ZL114A合金最佳固溶處理工藝為535℃/12.h。

2?2時效處理對ZL114A合金組織及力學性能的影響

圖5是在535℃×12.h固溶處理后經140℃、155℃、170℃，6.h時效處理的ZL114A合金組織照片。由圖可見隨著時效溫度的升高，析出相數量不斷增多，時效強化作用增強，合金的強度應該逐漸升高。

眾所周知，Al?Si?Mg合金隨著時效溫度的升高，時效沉淀是通過以下步驟完成的，即過飽和?α?固溶體→G?P?區→?β?′相（Mg?2Si）→?β?相（Mg?2Si）。圖6是不同時效處理后的ZL114A合金透射電鏡顯微組織照片。在時效過程中，如圖6（a）所示，白色鋁基體上分布的黑色球狀相為G?P?Ⅰ區，針狀相為G?P?Ⅱ區（即?β?″相）。由于G?P?區與基體呈共格關系，產生共格畸變，使強度提高，由于畸變程度較低，其強化作用有限。隨著時效溫度升高，由圖?6（b）?和6（c）可以看出，針狀?β?″相開始向棒狀?β?′相（Mg?2?Si）轉變，?β?′相沿著鋁基體的[001]面析出，呈現出互相垂直的棒狀形態，且均勻分布于基體上，由于?β′相與基體保持共格關系，在其周圍形成強的畸變應力場，從而使合金強度提高。若溫度再升高，β′相轉變為β相，β?相與基體為非共格關系，強化作用減小，合金強度降低，即過時效。所以在170℃/6.h時效處理下抗拉強度應該最高。

圖7為不同時效溫度下的抗拉強度和延伸率測量值，與上述組織分析結果相一致。可見，隨著時效溫度的升高，抗拉強度隨之增加，但延伸率有所降低，在170℃時分別達到345.MPa和4?0%。從企業對ZL114A合金構件綜合力學性能要求，時效溫度為155℃更合適，此時的抗拉強度和延伸率分別為315.MPa和5?2%。

3結論

1）隨著固溶溫度從505℃ 升高至550℃，ZL114A合金抗拉強度和延伸率均呈現先增加后降

低的變化規律，性能的降低是由于在550℃時出現過燒現象引起的，最佳固溶處理工藝為535℃/12.h，60℃水冷，此時的抗拉強度為280.MPa，延伸率為6?6%。

2）時效溫度從140℃升高至170℃，析出相共格強化作用逐漸增強，導致抗拉強度逐增加，而延伸率則逐漸降低;在155℃時，其抗拉強度和延伸率分別為315.MPa和5?2%;

3）根據企業對ZL114A綜合力學性能要求，最佳熱處理工藝為535℃/12.h （60℃水冷）+155℃/6.h （空冷）。

參 考 文 獻：

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