2A12合金化銑樣品表面粗晶形成機理研究

李政龍，馮 旺

（西南鋁業（集團）有限責任公司，重慶400050）

0 前言

Al-Cu-Mg系硬鋁合金因其具備較高的強度、良好的加工性能與疲勞性能而廣泛應用于工程領域。2A12合金是其中一種典型的可熱處理強化鋁合金，其在國際牌號中對應2024合金，是飛機機身結構件材料的重要選擇對象，例如：A340空客機翼下表面蒙皮采用2024-T351鋁合金，A380客機主翼盒與外翼盒下蒙皮均采用了2024-HDT/2024A-T351鋁合金，擠壓框選用了2024-T42鋁合金[1]等。拉伸成形（拉形）是飛機蒙皮類零件的重要成形方式，該技術具備模具簡易、成型件回彈小等諸多優點，已實現了飛機上30%蒙皮類零件的成形[2]。在鋁合金蒙皮拉形過程中主要的失效形式包括起皺、破裂和表面缺陷。橘皮是拉形中最早出現的一種表面缺陷，由材料晶粒組織粗大引起。2A12合金在退火、淬火等熱處理過程和軋制、成形等變形過程中均可能形成粗晶組織。

我公司供用戶的某批次2A12合金退火板材在經過預拉形、淬火、拉形校正、放置4天后，對板材化銑時發現化銑面晶粒粗大。經現場調查，該批次板材鑄錠化學成分和均勻化工藝、板材軋制和退火工藝、出廠力學性能等指標均滿足相關標準要求。為探索化銑板材表面粗晶形成機理及其改進措施，對存在問題的化銑樣品進行了從宏觀到微觀的理化綜合分析，并開展了驗證試驗和成因分析。

1 試驗方案

在該缺陷樣品上取樣，分別采用Leica DVM6數碼顯微鏡、時代TIME3321型手持式粗糙度儀、瑞士ARL 4460型光電直讀光譜儀和Olympus BHM金相顯微鏡進行宏觀觀察、表面粗糙度測量、化學成分檢測和組織分析，并通過驗證試驗進一步明確粗晶形成機理。

2 試驗過程和結果

圖1示出了化銑樣品宏觀形貌。化銑面不同位置沿軋制方向和垂直于軋制方向的表面粗糙度檢測結果見表1。

圖1 樣品化銑面宏觀形貌

表1 表面粗糙度檢測結果

圖1及表1表明，樣品化銑表面較粗糙，晶粒組織粗大。

將樣品表面打磨后進行化學成分分析，結果見表2。

表2 化銑板化學成分檢測結果

由表2可知，樣品各化學元素含量均滿足標準要求。

在樣品上截取高倍試樣并磨制其縱截面，其典型顯微組織見圖2，陽極附膜后偏光組織見圖3。

圖2 樣品縱截面典型顯微組織

圖3 樣品陽極覆膜后典型偏光組織

由圖2可知，樣品未見過燒現象，未化銑一側的包鋁層厚度均勻，顯微組織中化合物分布大致均勻。

由圖3可知，樣品基材晶粒組織呈粗大的長纖維狀。

3 驗證試驗

為了驗證上述缺陷的成因，從我公司現場取與該批次樣品成分相當的2A12合金退火板材模擬用戶工藝開展了驗證試驗。

分別對原始板材樣品進行0%～10%不同變形量的一次預拉伸，經淬火、自然時效96 h后分別檢測包鋁層和基材的表面低倍晶粒度。檢測結果見表3。

表3 不同變形量預拉伸樣品表面低倍檢測結果

從表3可以看出，1#樣品（未經預拉伸變形）板材淬火后晶粒細小，包鋁層、基材低倍晶粒度均為1級；經一次3%以下預拉伸變形后，淬火后包鋁層、基材晶粒組織均未見明顯長大；當一次預拉伸變形量達到4%時，淬火后包鋁層局部已可見粗大晶粒；預拉伸變形量超過5%時，淬火后樣品包鋁層、基材均出現了粗大晶粒。

選取表3中預拉伸變形量為0%（1#）、5%（6#）、6%（7#）淬火后樣品進行高倍分析，其陽極覆膜后縱截面偏光組織見圖4。

圖4 不同預拉伸變形量下淬火后樣品縱截面組織

由圖4可知，淬火后1#樣品縱截面組織中晶粒尺寸較細小，分布均勻；6#樣品淬火后基材顯微組織中已出現少量尺寸較大的晶粒，7#樣品淬火后基材晶粒已明顯粗大。

4 分析與討論

2A12合金和其他變形鋁合金類似，在冷變形后的退火、淬火等熱處理過程中都伴隨著組織與性能的演變，可能發生回復、再結晶和晶粒長大。冷變形合金在較低溫度退火時，首先發生回復過程：由于儲存能不足以發生大角晶界的遷移，晶粒組織仍保持變形時的纖維狀，此時合金強度和硬度并不會明顯下降。當退火溫度足夠高或保溫時間足夠長時，原始晶界部分弓出或晶界或亞晶界吞并形成新的再結晶核心，伴隨著大角晶界的遷移，核心朝著取向差大的形變晶粒長大[3]。再結晶是變形后金屬基體產生無畸變再結晶核心并通過晶界遷移長大的過程。驗證試驗中，退火后未經冷變形的1#樣品淬火時效后未見粗大晶粒，而經4%、5%預拉伸變形的樣品淬火后其包鋁層、基材均開始出現粗大晶粒。可見退火后一定程度的冷變形為淬火過程中再結晶和晶粒長大提供了形變儲能。此外，淬火過程中加熱的較高溫度使得金屬間化合物能夠充分回溶，從而減少了對晶粒長大的抑制作用，為晶粒長大提供了有利條件。

林順巖等人研究了臨界變形加工對LD2合金力學性能的影響。對于一定的鋁合金制品，熱處理后可能產生粗大晶粒的主要包括兩種情況：一種是當變形量在臨界變形范圍內且熱處理溫床較高時出現，另一種是在較大冷變形程度和較高溫度退火條件下發生了二次再結晶[4]。本文中的驗證試驗表明，2A12退火包鋁板材的包鋁層和基材均存在臨界變形量，在臨界變形范圍內進行熱處理易造成晶粒組織的局部異常長大或普遍粗大，影響材料的塑性。

金家山在研究LD10鋁合金板材拉伸成形粗晶問題中報道了與本文所述類似的案例。該合金退火態板材經一定程度的拉伸后進行淬火，隨后立即進行第二次拉形，經二次拉形的樣品表面即出現了“橘皮”狀。將拉形板材切片化銑，銑去包鋁層后基材呈現了粗大晶粒。他們嘗試開展了多道次小變形量拉伸、中間退火試驗，在淬火、化銑后仍出現了粗晶。這是由于中間退火后樣品組織未完全再結晶。第二次拉伸時，殘留畸變的區域因變形儲能達到了臨界變形量。因此，只有對退火后冷變形量進行控制，才能盡可能地預防臨界變形導致的粗大晶粒。報道中提出了使用高精度超聲測厚儀對拉形過程中樣品估計變形量最大的幾點進行測量[5]，當其中一點材料減薄率達到最小臨界變形量時即停止拉形，可有效控制粗晶組織的產生。可見，通過精確控制變形量預防拉形粗晶產生的方法是可取的。

近年來，計算機輔助工程（CAE）技術已成為預測傳統拉形缺陷的一種有效方法。通過計算機仿真模擬，可在研發階段即對模具成形性進行分析，從而優化成形工藝方案，預防成形缺陷，降低生產成本。孔慶猛[6]采用ANSYS/LS-DYNA軟件對蒙皮拉形過程進行了動態仿真模擬研究。通過虛擬試拉，驗證了拉形軌跡、預測拉形成形缺陷，并根據仿真結果對模型進行優化，以最優模擬數據轉化為機床代碼進行加工試驗，制造出等效應力應變大小、分布符合要求、與模具貼合良好的蒙皮件。

5 結論

（1）2A12合金拉形化銑板材粗晶成因為：預拉形時板材局部區域變形量達到了臨界變形度，在隨后的淬火加熱過程中溫度、形變儲能、第二相回溶對晶粒長大抑制作用的減弱等因素促使了晶粒的長大。

（2）對于一定成分的鋁合金，加工時需盡可能地避免臨界變形導致的晶粒粗大。

（3）在板材拉形過程中，可采用在較大變形區域測厚、數值仿真模擬等手段預防臨界變形導致的組織缺陷，提升產品質量。