固溶時效處理對2A14鋁合金沖擊性能的影響

譚國寅

(昆明冶金研究院有限公司, 云南 昆明 650031)

Al-Cu-Mg系變形鋁合金屬于可熱處理強化的鋁合金,經熱處理后具有較好的力學性能,在航空、航天、軍工等領域得到了較廣泛的應用[1-2]。隨著世界工業的迅猛發展,對合金材料的綜合性能提出了越來越高的要求。2A14鋁合金正是其中的優異代表,其比強度高,加工性好,具有優良的可鍛性和可焊接性,可加工成多種多樣的零部件,如飛機翼肋、輪轂及大型車輛的承重件等[3-5]。

正因為2A14鋁合金的性能如此優異,在航空工業中被大量用于高載荷、高負重的零部件和構件,其在服役過程中往往需要承受較大的沖擊過載,因此提升該合金的沖擊性能就顯得尤為重要。固溶時效處理是合金加工過程中的重要步驟,通過固溶處理可減少粗大第二相,優化合金組織,從而提升產品的最終性能[6-7]。本文主要通過研究固溶時效處理對2A14鋁合金沖擊性能的影響,獲得鋁合金組織中第二相粒子的演變過程及其沖擊載荷,以期提高該鋁合金的沖擊性能,滿足航空工業對高強度鋁合金材料的性能要求。

1 試驗材料與方法

試驗用2A14鋁的合金化學成分(質量分數,%)為4.51Cu、0.92Si、0.70Mg、0.56Mn,Al余量。將高純鋁、鋁硅中間合金、純鎂錠、鋁銅中間合金、金屬錳添加劑按合金成分要求配料,在800 ℃下進行熔煉。待金屬完全熔化后,將合金降溫至740 ℃,投入精煉劑進行精煉,扒渣后水冷澆鑄成L=250 mm,D=25 mm的鑄棒。隨后,進行固溶時效處理。結合前期試驗制定固溶時效工藝為:505 ℃固溶60 min,水淬;165 ℃時效6 h。

將鑄態與固溶時效后的試樣在MLA650F型掃描電鏡(SEM)下進行微觀組織表征和EDS分析,在JB-300C型擺錘式沖擊試驗機上進行沖擊性能測試。沖擊試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm,在標準試樣上用拉床預制好V型缺口,如圖1所示。不同狀態試樣均取3根沖擊樣,沖擊吸收能量取3次沖擊試驗結果的平均值。

圖1 標準沖擊試樣尺寸Fig.1 Size of standard impact specimen

2 試驗結果與討論

2.1 固溶時效處理對組織的影響

利用SEM對鑄態及固溶時效態的試樣進行顯微觀察,如圖2所示。從圖2(a)可以看出,隨著冷卻過程的進行,鑄態試樣中大部分的結晶相沿晶界析出,形狀為細長條狀,呈網狀分布。通過EDS分析發現,其主要是AlCuMgSi相。同時,晶內還存有少量的細小圓形Al2Cu相。這些細長條狀AlCuMgSi相的長寬比很大,質地較脆,在協調變形過程中極易從粒子中部斷裂,無法有效地釘扎位錯,降低了材料的性能。

從圖2(b)可以看出,經過固溶時效處理后的試樣中,原本呈網狀分布的AlCuMgSi相在高溫作用下重熔進鋁基體中。這是由于在固溶階段的高溫作用下,原子的擴散運動增強,在凝固過程中來不及平衡分布的溶質元素能夠重新分配。通過觀察可以發現,固溶時效后AlCuMgSi相的形貌類似短棒狀,長寬比相較鑄態有所減少,尤其在寬度方向上的長大尤為顯著;在晶內析出的細小Al2Cu相也在熱激活作用下長大。這些短棒狀AlCuMgSi及彌散分布的細小Al2Cu相能夠更好地釘扎位錯[8-9],有助于材料沖擊性能的提升。

通過SEM對固溶時效態試樣中的短棒狀AlCuMgSi相進行更為細致的觀察,發現該粒子內部存在著與外部不同的另一種相。結合EDS分析可知(見圖3),第二相核心部位含有較多的Cu、Fe元素。這是由于在鑄造過程中冷卻速度過快,2A14合金中含有的高熔點合金元素Cu、Fe最先凝固析出,基體中的溶質原子來不及均勻擴散,導致Cu、Fe元素產生局部富集。含有較多Fe元素的AlCuMgSi相粒子具有較高的熔點,具有較好的熱穩定性。隨著固溶時效過程的進行,第二相粒子以這些高熔點質點為異質核心并不斷長大[10-11],最終形貌演化成短棒狀,如圖3所示。

圖3 時效態試樣的AlCuMgSi相形貌及EDS分析Fig.3 AlCuMgSi phase morphology and EDS analysis of the aged specimen

2.2 固溶時效處理對沖擊性能的影響

將固溶時效處理后的試樣進行沖擊性能測試,試驗結果發現,固溶時效態試樣的沖擊吸收能量(3.8 J)較鑄態(1.2 J)提升了2.17倍。這是由于鑄態試樣中存在的網狀第二相長寬比過大,在沖擊載荷的作用下,網狀第二相粒子的尺寸長、寬度窄,粒子中部產生巨大的應力集中,從中部斷裂成幾節,從圖2(a)中也能觀察到相應的斷裂痕跡,降低了鋁合金的沖擊性能,從而在宏觀上表現為試樣具有較低的沖擊吸收能量。經固溶時效后,原本的網狀第二相重熔進基體中,演化成更為穩定的短棒狀析出相。這些短棒狀析出相與鑄態相比,在寬度方向上得到了明顯的增長,顯著降低了粒子的應力集中,使第二相粒子從中部斷裂需要更高的應力,從而提高了試樣斷裂的沖擊吸收能量,提高了試樣的沖擊性能。同時,晶內存在的細小Al2Cu相呈球形分布,尺寸為5 μm左右,這些彌散分布的析出相能更好地協調塑性變形,進一步提高了鋁合金的沖擊性能。

3 結論

1) 鑄態下存在的第二相主要以細長條狀的AlCuMgSi相粒子為主,晶內含有少量的圓形Al2Cu相。細長條狀的AlCuMgSi相粒子的長寬比高,質地較脆,發生塑性變形時極易從粒子中部斷裂,無法有效提升材料的沖擊性能。

2) 固溶時效后存在的短棒狀AlCuMgSi相核心部位含有較多的Cu、Fe元素,高熔點溶質元素Cu、Fe提高了第二相粒子的熱穩定性。隨著固溶時效過程的進行,第二相粒子以耐熱相為核心不斷長大,最終演化成了短棒狀的形貌。

3) 固溶時效后,原本的網狀第二相重熔進入基體,轉變成了更為穩定的短棒狀析出相,可以吸收更多的沖擊載荷。同時晶內存在的細小Al2Cu相也顯著長大,彌散分布的析出相能夠更好地協調塑性變形,進一步提高了沖擊性能。