均勻化時間對2024鋁合金組織及性能的影響

馮艷飛，王東輝，楊 路，謝方亮，鄭 建，王 克

(營口忠旺鋁業有限公司，遼寧 營口 115000)

2024鋁合金是Al-Cu-Mg合金，屬于熱處理可強化鋁合金，具有強度高、比重低、耐熱性和加工性能好等優點，主要用作飛機蒙皮、骨架及衛星等航天器上要求承受高循環載荷的結構件，已成為航空工業中使用最為廣泛的鋁合金材料之一[1-3]。然而，2024鋁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，必須通過均勻化處理消除或降低鑄錠的化學成分和組織的不均勻性，促進合金低熔點可溶解共晶相完全分解或接近完全溶解及化學成分分布趨于均勻[4-6]。而溫度和時間是鑄錠均勻化處理的兩個最重要工藝參數，本文通過研究495 ℃均勻化溫度下保溫不同時間后2024鋁合金組織、電導率、硬度及拉伸力學性能的變化，優化2024合金的均勻化工藝，為實際生產提供理論及參考依據。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為2024鋁合金，其主要化學成分如表1所示，鑄錠成分符合國標要求，主要合金元素為Cu、Mg、Mn，微量合金元素Cr、Ti、Zn及少量雜質元素Fe和Si。

表1 2024合金的化學成分(質量分數，%)Table 1 Chemical composition of 2024 alloy(mass fraction，%)

1.2 試驗方法

采用半連續鑄造方法進行鑄造，鑄造溫度735 ℃。生產規格為φ198 mm×1400 mm的2024鋁合金圓錠。對其鑄錠頭尾各切除300 mm，再沿鑄錠軸向截取厚度300 mm鑄錠并進行軸向機加。鑄錠試驗料分為鑄錠的中心位置(距軸心≤40 mm)、R/2位置(40 mm<距軸心≤65 mm)和R位置(距軸心>65 mm)，本試驗選用R位置的試驗料，將鑄錠邊部棒料分別機加成大小為25 mm×25 mm×200 mm試樣。在495 ℃均勻化溫度下分別保溫8、12、16、20、24和28 h，觀察試樣顯微組織，測試試樣電導率、硬度及拉伸力學性能。

選用Keller腐蝕液(1% HF、1.5% HCl、2.5% HNO3、95% H2O，體積分數)進行腐蝕，采用Axio-Imager蔡司顯微鏡觀察金相顯微組織，。采用Sigmatest2.069渦流電導儀在室溫(23 ℃)進行電導率測量，采用加載1 kg、10 s載荷的FV-810型維氏硬度計進行硬度測量，均實測5個點以上，求其平均值作為電導率和維氏硬度值。采用ZX-LX-004電子萬能試驗機進行拉伸試驗，施加載荷100 kN，為保證拉伸力學測試的真實性，實測3組取其平均值。

2 試驗結果與討論

2.1 均勻化時間對組織的影響

圖1為2024鑄造合金邊部(簡稱“R”)位置的顯微組織。圖1(a)和1(b)為合金的金相組織，可看出其晶粒大小不均勻，晶粒度為3級，晶粒平均尺寸約為143 μm。合金中出現大量發達枝晶，且晶界內有十分清晰的骨骼狀組織，連續枝晶網格顯著，甚至出現了二次枝晶，需要進一步熱處理以消除。圖1(c)為合金的SEM組織形貌，發現晶界存在大量的析出相及共晶組織，鑄態合金中析出相和第二相的EDS結果如表2所示，推斷A點為Mg2Si+S(CuMgAl2)，B點為S(CuMgAl2)，C點為S(CuMgAl2)+θ(Al2Cu)，D點為Mg2Si+S(CuMgAl2)。

(a)、(b)金相組織；(c)SEM圖1 2024鋁合金鑄態顯微組織(a) and (b) metallographic structure; (c) SEMFig.1 Microstructure of as-cast 2024 aluminum alloy

表2 2024鑄態合金的EDS能譜分析(原子分數，%)Table 2 EDS spectrum analysis of 2024 as-cast alloy(atom fraction，%)

圖2為495 ℃均勻化溫度下，不同均勻化處理時間的2024鋁合金顯微組織。隨著均勻化時間的延長，合金中粗大的共晶組織、枝晶和非平衡低熔點共晶相逐漸溶解，晶界上的殘留相由連續分布逐漸轉變間斷連續分布，最后轉變不連續分布狀態。合金在495 ℃均勻化處理8～24 h時，枝晶網絡溶解不充分，晶界上存在未固溶的粗大共晶組織、非平衡相及枝晶逐漸隨均勻化時間的延長而不斷減少；均勻化處理28 h后，合金中的枝晶網絡非常稀疏，非溶相和枝晶偏析基本消除，殘留相非常稀少。這主要是由于在較高溫均勻化處理，晶界上偏聚的合金化元素或相已基本完全固溶到基體中，晶界及其邊沿呈合金元素貧化狀態，結合圖3中SEM組織分析更加明顯。合金組織主要由樹狀α(Al)和枝晶間低熔點共晶體組成，基體α(Al)呈等軸狀，枝晶網絡上存在共晶體，主要為α(Al)+S(CuMgAl2)共晶體和少量的α(Al)+S(CuMgAl2)+(Al2Cu)共晶體等，還有少量的Mg2Si、(FeMnSi)6相。經495 ℃×8 h和495 ℃×28 h均勻化處理后，析出相和第二相的EDS分析結果如表3所示，結合圖3推斷可能的結果：A點為S(CuMgAl2)，B點為S(CuMgAl2)，C點為S(CuMgAl2)+(Al2Cu)+(FeMnSi)6，D點為Mg2Si+S(CuMgAl2)。

(a)495 ℃×8 h；(b)495 ℃×12 h；(c)495℃×16 h；(d)495 ℃×20 h；(e)495 ℃×24 h；(f)495 ℃×28 h圖2 不同均勻化處理的2024鋁合金顯微組織Fig.2 Microstructure of 2024 aluminum alloy with different homogenization treatment

(a)495 ℃×8 h；(b)495 ℃×28 h圖3 不同均勻化處理的2024鋁合金SEM組織Fig.3 SEM of 2024 aluminum alloy with different homogenization treatment

表3 不同均勻化處理2024鋁合金的EDS能譜分析(原子分數，%)Table 3 EDS energy spectrum analysis of 2024 aluminum alloy withdifferent homogenization treatment(atom fraction，%)

2.2 均勻化時間對電導率的影響

圖4為495 ℃均勻化溫度下，不同均勻化時間與2024合金電導率的關系。可以看出，鑄態合金電導率為29.95 %IACS；隨著均勻化時間的延長，合金電導率逐漸增加，經495 ℃×28 h均勻化處理后合金電導率最佳，為36.66 %IACS，較鑄態合金導電率提高了22.4%。

圖4 不同均勻化處理后合金的電導率Fig.4 Conductivity of the alloy after different homogenization treatment

2.3 均勻化時間對力學性能的影響

圖5為495 ℃均勻化溫度下，不同均勻化時間與2024合金維氏硬度的關系。可以看出，鑄態合金維氏硬度為96.8 HV；隨著均勻化時間的延長，合金維氏硬度逐漸增大，經495 ℃×28 h均勻化處理后合金的維氏硬度最大，為143.5 HV，較鑄態合金相比維氏硬度顯著提高了48.2%。這主要與均勻化過程彌散相數量、尺寸和分布有關。

圖5 不同均勻化處理后合金維氏硬度Fig.5 Vickers hardness of the alloy after different homogenization treatment

圖6為495 ℃均勻化溫度下保溫不同時間后，2024鋁合金鑄錠的常溫力學拉伸試驗結果。可以看出，隨均勻化時間的延長，合金抗拉強度不斷增大；屈服強度呈先增大后減小再增大趨勢，但整體屈服強度均高于未均勻化處理的；而延伸率變化與屈服強度相反。經495 ℃×8 h均勻化處理后，合金的屈服強度最大，屈服強度、抗拉強度及延伸率分別為243.2 MPa、349.5 MPa和4.4%；經495 ℃×16 h均勻化處理后，合金的延伸率最大，屈服強度、抗拉強度及延伸率分別為221.2 MPa、356.6 MPa和7.8%；經495 ℃×28 h均勻化處理后，合金的抗拉強度最大，屈服強度、抗拉強度及延伸率分別為229.9 MPa、367.5 MPa和5.4%。

圖6 不同均勻化處理后合金的力學性能Fig.6 Mechanical properties of the alloy after different homogenization treatment

圖7為495 ℃均勻化溫度下保溫不同時間后，2024合金拉伸斷口SEM形貌。可以看出，拉伸變形過程中的滑移面較多，尤其是495 ℃×28 h均勻化處理后，由大量大小不同、深淺不一的韌窩組成，且在韌窩的底部均勻分布細小的彌散相。

(a)495 ℃×8 h；(b)495 ℃×16 h；(c)495 ℃×20 h；(d)495 ℃×28 h圖7 不同均勻化處理后拉伸斷口形貌Fig.7 Tensile fracture morphology with different homogenizaton treatment

3 結論

1)2024鋁合金鑄態晶粒不均勻，出現大量枝晶，連續枝晶網格顯著，甚至出現了二次枝晶，在晶界處存在大量的析出相及共晶組織。經495 ℃×28 h均勻化處理后，枝晶網絡非常稀疏，非溶相和枝晶偏析基本消除。

2)在495 ℃均勻化溫度下，隨著均勻化時間的延長，電導率逐漸增加，495 ℃×28 h均勻化處理后電導率最大為36.66 %IACS，較鑄態電導率提高了22.4%。

3)合金經495 ℃×28 h均勻化后，維氏硬度和強度最高，分別為143.5 HV和367.5 MPa，較鑄態分別提高了48.2%和35.6%。