2A12鋁合金凝固過程析出相的熱力學研究

陳華標，羅德維，孟 毅，吳道祥，林林

（1.西南鋁業（集團）有限責任公司，重慶401326；2.重慶大學材料科學與工程學院，重慶400044）

0 前言

Al-Cu-Mg 系變形鋁合金由德國工程師維爾姆于1906 年首次開發成功，后來由杜拉金屬公司制造，故而又稱杜拉鋁。該系列合金強度較高，韌性較好，綜合機械性能優異，填補了當時航空領域對高強韌輕質合金需求的空白，給飛機工業帶來了革命性的變化。2A12是Al-Cu-Mg系中非常優越的變形鋁合金，具有強度高、韌性好、密度小、耐熱性優良等優勢，可用于制造飛機機翼、肋板、腹板以及對比強度要求較高的航天器結構件上，在航空航天工業中具有廣泛的應用[1]。

2A12鋁合金除主合金元素Cu、Mg外，還添加了少量的Mn 元素，以及熔煉過程中難以避免引入的極少量雜質元素Fe 和Si。該合金中元素Cu、Mg與基體Al 經固溶、淬火、時效后，形成彌散分布的納米級S′和θ′析出相，可明顯阻礙位錯滑移，是提升該合金綜合力學性能的關鍵因素[2]。2A12 熔煉過程中，源自原輔材料及熔煉工具的少量雜質Fe 和Si 通常不可避免地進入熔體中，二者通常參與形成粗大脆性化合物，如Al7Cu2Fe、Fe3SiAl12等，嚴重影響合金的性能[3]。為此，2A12鋁合金中通常還會加入少量的Mn。基體中Mn與Fe形成Al6（Fe，Mn），這既弱化了粗大脆性相Al7Cu2Fe的生成，降低了雜質Fe的有害作用，又避免了基體中主合金元素Cu 的損失，輔助提升了合金的性能[4]。

在2A12 鋁合金凝固過程中，隨著溫度的降低和溶質的析出，基體中通常會形成Al6Mn、Al7Cu2Fe、Al2Cu、Mg2Si、Al2CuMg 等析出物，特別是Al2CuMg此類粗大脆性相，均勻化處理后難以回溶到基體組織中而遺傳下來，在后續壓力加工中因與基體不同質而造成嚴重的應力集中，成為裂紋源而嚴重影響材料的性能及其穩定性[5-8]。因此，在合金凝固過程中應該盡可能減少Al2CuMg此類粗大脆性相的形成[9]。在保證合金基本性能的前提下，如何優化成分設計以減少凝固過程粗大脆性相的析出是提高材料性能及其穩定性的關鍵問題之一。

鑒于合金凝固過程相的析出與合金的成分密切相關，而2A12 鋁合金國標成分范圍內主元素Cu（3.8%～4.9%）和Mg（1.2%～1.8%）的含量區間較為寬泛，即使Cu 和Mg 含量均在國標成分范圍內，但由于二者相對含量不同而大概率會導致其析出相含量存在較大差異。為此，本文將基于熱力學計算的方法，研究2A12 鋁合金國標成分范圍內Cu 和Mg 的變化對其凝固過程中析出相的影響，探索基于優化合金配比區間減少凝固過程中Al2CuMg此類粗大脆性相析出量的可能性。

1 研究方法

JMatPro 是英國Thermotech 公司開發的一款材料設計軟件，基于完善的數據庫可進行鋁合金、鈦合金、鎂合金等多種類合金的熱力學、動力學計算及性能預測[10]。本文基于JMatPro 平臺研究了2A12鋁合金國標成分范圍內組元Cu（依次選取3.8%、4.0%、4.2%、4.4%、4.6%、4.9%）及組元Mg（依次選取1.2%、1.4%、1.6%、1.8%）對其凝固歷程中析出相的影響。在此基礎上，對比研究國產和進口2A12 鋁合金由于成分的細微不同導致的凝固析出相的差異，為實際熔煉過程中通過收窄合金配比區間來減少Al2CuMg此類粗大脆性相析出量的探索提供理論指導。2A12 鋁合金國標成分范圍及國產和進口料成分的細微差異如表1所示。

表1 2A12鋁合金成分范圍及國產與進口料成分差異（質量分數/%）

2 結果與討論

2.1 2A12凝固過程各相析出的熱力學條件

以國內某廠2A12 鋁合金的成分進行熱力學計算，其凝固歷程如圖1所示。該合金從641 ℃開始凝固，501℃凝固結束，凝固區間寬度為140 ℃。從圖1（b）可以看出，2A12 鋁合金凝固過程中主要 的 析 出 相 有Al6Mn、 Al7Cu2M、 S- Al2CuMg、Al2Cu、Mg2Si，且所有的凝固析出相均在凝固區間內析出。隨著凝固的進行，Al6Mn 于623 ℃最先析出，Al7Cu2M 緊隨其后于559 ℃析出，S-Al2CuMg、Al2Cu、Mg2Si 在凝固末期依次于507 ℃、504 ℃、503 ℃析出。2A12 鋁合金完全凝固后，Mg2Si、Al7Cu2M、Al6Mn、Al2Cu和S-Al2CuMg的析出量分別為0.13%、0.29%、1.09%、2.84%和3.40%，在所有的析出相中粗大脆性相S-Al2CuMg的析出量占主導地位。

圖1 國產2A12合金凝固歷程

2A12 鋁合金鑄錠經498 ℃/18 h 均勻化退火后，晶界間殘留物如圖2 所示。從掃描電鏡SEM拍到的析出相形貌及EDS 能譜分析的成分比例可以確定，晶界上大量的微米級凝固析出相大部分為S-Al2CuMg，此相的析出量占主導地位，熱力學分析結果與實際一致。另外，此結果表明，凝固過程析出的微米級S-Al2CuMg 相經均熱處理難以消除，將隨坯料遺傳到隨后工序的加工制品中，成為惡化材料性能及其穩定性的潛在影響因子。因此，在保證合金基本性能的前提下應盡可能優化合金成分配比以減少2A12 凝固過程微米級脆性相的析出。在后續的分析討論中，將重點關注凝固過程中粗大脆性相的析出條件及析出量。

圖2 2A12鋁合金均勻化退火后晶界殘留的S相

2.2 國標范圍內Cu含量對析出相的影響

除基體元素Al外，S-Al2CuMg相的元素組成為Cu 和Mg，鑒于2A12 鋁合金國標成分Cu 范圍在3.8%～4.9%之間，成分區間跨度較大，本節將研究Cu 含量變化（依次取值3.8%、4.0%、4.2%、4.4%、4.6%、4.9%）對2A12 凝固過程析出相的影響。不同Cu 含量下，2A12 凝固析出相Al6Mn、Al7Cu2M、Al2Cu 和Mg2Si 的析出量變化情況分別如圖3（a）～（d）所示。在2A12 國標成分范圍內，Cu 的變化對該合金的凝固區間影響非常小。Al6Mn、Al7Cu2M 和Mg2Si 的析出時機基本無變化，當Cu 含量在3.8%～4.9%區間內變化時，三種相析出量的變化區間分別為1.12%～1.06%、0.23%～0.35%、0.134%～0.129%，隨Cu 含量的變化甚小。當Cu 含量從3.8%增加到4.9%后，Al2Cu 的析出時機基本未改變，但析出量卻從2.12%增加到了3.47%，增加了63.67%。由此可見，Cu含量的變化對2A12鋁合金凝固過程Al2Cu析出量的影響較大。

圖3 不同Cu含量下Al6Mn、Al7Cu2M、Al2Cu及Mg2Si析出量變化

在2A12 凝固過程中S-Al2CuMg 析出相隨Cu 含量的變化如圖4 所示。S-Al2CuMg 相的析出量隨著Cu含量的增加而小幅度增加，當Cu含量從3.8%增加到4.9%后，S-Al2CuMg 相析出時機基本無變化，但析出量卻從3.23%增加到3.53%，增幅9.28%。相較Al2Cu 而言，Cu 含量的變化對S-Al2CuMg 相析出量的影響并不十分顯著。

圖4 不同Cu含量下S-Al2CuMg析出量變化

2.3 國標范圍內Mg含量對析出相的影響

2A12 凝固析出相Al6Mn、Al7Cu2M、Al2Cu 和Mg2Si隨Mg含量的變化分別如圖5所示。與Cu元素一致，國標范圍內Mg含量的變化對2A12的凝固區間幾乎無影響，對Al6Mn、Al7Cu2M 和Mg2Si 的析出時機和析出量的影響甚小。與Cu元素相反，Al2Cu析出量隨著Mg 含量的增加而減少，當Mg 含量從1.2%增加到1.8%后，Al2Cu 析出量從3.32%降低至1.88%，降低了43.4%，即Mg 含量的增加抑制了Al2Cu的析出。

圖5 不同Mg含量下Al6Mn、Al7Cu2M、Al2Cu及Mg2Si析出量變化

在國標成分范圍內，Mg含量的變化對2A12凝固過程中S-Al2CuMg相的析出影響很大，結果如圖6所示。當Mg 含量從1.2%依次增加到1.4%、1.6%、1.8%后，S-Al2CuMg 相析出溫度從504 ℃依次提前到507 ℃、510 ℃、512 ℃，其析出量從2.78%依次增加到3.40%、4.02%和4.63%，顯然Mg 含量的增加會促使S-Al2CuMg相析出提前且析出量大幅度增加。當2A12鋁合金中Mg含量達到1.8%后，相較于1.2%的Mg 含量而言，S-Al2CuMg 相析出量增加了66.54%，增幅非常大。由此可見，在2A12 凝固過程中S-Al2CuMg相的析出對Mg 含量的變化非常敏感，即使Mg 含量在國標成分區間內變化，其對S-Al2CuMg相析出量的影響也非常顯著。在保證合金性能的前提下，適當降低2A12中的Mg含量有利于減少凝固過程中粗大脆性相S-Al2CuMg 的析出。因此在合金配比中Mg取中低值較好。

圖6 不同Mg含量下S-Al2CuMg析出量變化

2.4 國產與進口2A12凝固析出相對比

從前面表1 可以看出，國產與進口2A12 的成分區別主要體現在Cu和Mg差異上，微量元素和雜質元素相差甚小。基于國產和進口2A12 的成分，二者凝固析出相的熱力學計算結果如圖7所示。

圖7 國產與進口2A12凝固析出相對比

從圖7 可知，Al6Mn、Al7Cu2M、Al2Cu 和Mg2Si的析出溫度以及析出量的差異甚小。不同的是，相比進口2A12鋁合金而言，國產2A12凝固過程中粗大脆性相S-Al2CuMg析出有所提前，其析出量也由2.75%增加到3.40%，增加了23.63%。這主要是因為國產2A12 中Mg 含量較進口的高，而元素Mg 會促使2A12 鋁合金凝固過程中S-Al2CuMg 相的析出。由此可見，在保證合金性能的前提下，適當降低2A12 中的Mg 含量或者在配料時Mg 含量取中下限，有利于減少粗大脆性相S-Al2CuMg的析出。

3 結論

（1） 2A12 鋁 合 金 凝 固 析 出 相Al6Mn、Al7Cu2M、S-Al2CuMg、Al2Cu、Mg2Si均在凝固區間641～501℃內析出。經均勻化處理后，晶界處S-Al2CuMg此類粗大脆性相難以重新溶入基體。

（2）在2A12 鋁合金國標成分區間內，Cu 和Mg 的變化對凝固析出相Al6Mn、Al7Cu2M、Mg2Si 的影響甚小；Al2Cu 的析出量隨Cu 含量的增加而增加，但隨Mg 含量的增加而減少；粗大脆性相S-Al2CuMg 的析出量對Mg 含量較敏感，1.8%上限Mg 含量相較于1.2%下限Mg 含量，S-Al2CuMg 相析出量增加66.54%。

（3）國產2A12 鋁合金中檢測到的Mg 含量較進口的Mg 含量高，粗大脆性相S-Al2CuMg 析出量多23.63%。在保證合金性能的前提下，Mg含量取中下限有利于減少其凝固過程中粗大脆性相S-Al2CuMg的析出。