2A12 鋁合金熱處理工藝分析

田東海，石杰，任偉偉，王銘武，何宗徽

（1.中機第一設計研究院有限公司，合肥 230601；2.中國兵器工業集團北方自動控制技術研究所，太原 030006）

1 引言

2A12 鋁合金在航天航空、船舶制造、軍工裝備產品等領域被廣泛使用，具有較高的強度、斷裂韌性和疲勞性能、優良的高溫蠕變抗力和塑性成型能力以及良好的機械加工性能，是一種典型的Al-Cu-Mg 系可熱處理強化型鋁合金，其化學組成成分見表1[1]。

表1 鋁合金化學成分

研究發現，2A12 鋁合金在加工和使用過程中會出現各種問題，比如：切削加工中易出現加工變形，尤其是薄壁薄板類零件； 同時，2A12 鋁合金制品表面一般采取陶瓷化和噴涂等多種防護措施，但惡劣的環境會使其在使用過程中出現防護層開裂進而喪失防護性能，再加上受殘余應力影響，出現腐蝕、磨損、疲勞、裂紋、斷裂等問題。通過熱處理可以有效提高鋁合金的力學性能，使其強度、韌性、導電性、導熱性以及抗腐蝕性增強[2]，不同的熱處理方式會對鋁合金性能產生不同的影響，本文將對此進行分析。

2 2A12 鋁合金常用的熱處理方式

2.1 鋁合金的時效處理

時效處理是指在室溫或者較高溫度下將工件存放較長時間，根據熱處理溫度的不同可分為自然時效和人工時效，在鋁合金板材及鑄件類加工中應用廣泛[3]。經過時效處理后，鋁合金的硬度和強度通常都有所增加，但塑性、韌性和內應力相對有所降低。人工時效主要包括單級時效處理以及雙級時效處理兩種。

單級時效，即在單一溫度下對工件進行熱處理。依據溶解溫度的臨界值可有效劃分單級時效處理。根據經過時效處理后鋁合金的具體組織的不同，可分為峰值時效、欠時效、過時效3 種：峰值時效可使工件的強度達到最大值；欠時效溫度相對其余兩種時效方式較低，可以保證材料的合金塑性；而過時效溫度相對較高，可以保證工件具有良好的綜合性能。

雙級時效處理是指在不同的熱處理溫度參數設置下對工件進行兩次時效處理，應用極為廣泛。相比單級時效，雙級時效后工件金相組織的脫溶析出序列更復雜。其中第一級時效以低溫預時效為主，在工件熱處理過程中屬于成核處理環節，熱處理后形成的鑄錠密度相對較高，鑄錠尺寸較大，可作為時效沉淀相的核心進行應用，同時可以保證工件金相組織的均勻性。一般來說，工件預時效溫度低于其金相組織的溶解溫度，當時效溫度比較高時，可以進行保溫操作并優先成核；第二級時效溫度較高，失效后工件晶內組織形態多為均勻分布的盤狀。經過雙級時效熱處理后，工件強度下降，抗腐蝕性提高。

2021 年，張子琪等[4]研究發現對于旋壓變形的2A12 鋁合金，經過人工時效比自然時效后的抗拉強度和伸長率分別高出39 MPa 和1.0%。劉春梅等[5]通過實驗發現預時效后工件硬度隨著預時效溫度的增加先增大后減小，并在180 ℃時達到峰值。后來，又從7XXX 系鋁合金衍生出非等溫失效方式，該方式下鋁合金的熱處理溫度保持變化，陳賡等[6]通過實驗發現經過非等溫失效后的2A12 鋁合金相比傳統T74 雙級失效后具有更高度的硬度和抗拉強度，綜合性能更好。

2.2 鋁合金的固溶處理

通過固溶處理，能夠使工件的各種相充分溶解，同時強化固溶體，使工件的韌性和抗腐蝕性得到提升，方便后期加工和成型。固溶處理的主要目的是獲取過飽和固溶體，改善工件的塑性和韌性的同時還能為沉淀硬化處理做好準備。固溶處理分為單極、高級、強化固溶、高溫析出等工藝。工件在固溶處理過程中，其金相組織發生變化，對工件的后續變形和熱處理效果產生直接影響。通過固溶處理加熱工件，可使其組織第二相能夠全部融入固溶體。保溫一段時間后，對第二相自溶固體進行快速冷卻可以得到過飽和溶質原子和空位。傳統鑄錠均勻化處理過程中，熱處理溫度以及變形組織的固溶溫度都低于非平衡共晶熔點，使得殘留的結晶粒不能徹底溶解，殘留的結晶相在晶內以及晶界上聚集分布，進而使工件存在應力集中以及裂紋產生的隱患。鑄錠后續變形能夠碎化殘留的第二相顆粒，但仍會有部分殘留在組織內直接影響工件的拉伸強度、斷裂韌性和疲勞性等機械性能。目前實際生產中大多采用通過固溶+自然時效方式熱處理的2A12 鋁合金作為加工原料，其金相組織狀態穩定，力學和機械性能良好。

梁孟超[7]研究發現2A12 鋁合金的晶粒尺寸隨著固溶時效溫度的升高而增大，當時效參數為495℃×10 min 時，強度最大，綜合性能最好。劉春燕等[8]通過對固溶+ 自然時效后的2A12 鋁合金進行過時效試驗發現，未變形的2A12 鋁合金經過自然時效后相比人工時效，其強度、斷后伸長率提高36%；經過分級時效能提升強度約50%，其硬度隨著故時效溫度的升高而降低，并在（260~280）℃×2 h 時獲得100~120 HBS 硬度；300 ℃×2 h 時獲得60~105 HBS 硬度的。

2.3 鋁合金的均勻化處理

在均勻化熱處理工程中工件受熱均勻，通過將其鑄錠溫度控制在與其固相線或者共晶溫度接近的溫度范圍內，并在這一溫度參數設置的環境中長時間保溫，隨后冷卻至室溫，能夠完全溶解工件可溶解的相和組織，使過飽和固溶體和少量彌散析出細小質點。均勻化處理能使非平衡第二相在工件鑄錠產生過程中溶解，可降低工件第二相體積分數，提高其熱塑性、固溶度和固熔強度。通過均勻化熱處理，可提升工件鑄錠組織在室溫下的塑性、冷熱變形工藝性能，減小其熱軋開裂的危險系數，提升熱軋帶板的邊緣質量和擠壓速度，還能降低工件的抗變形抗力，進而提高整體生產率。

目前，均勻化熱處理主要應用于7XXX 系鋁合金。2021年張尉等[9]研究發現，經過465 ℃均勻化熱處理后，7XXX 鋁合金的鑄錠晶界處枝晶部分消失，低熔點相溶解不充分，將熱處理工藝參數改進為465℃×24 h+478℃/8 h 后，工件鑄錠晶界低熔點共晶相基本消失，晶粒增大不明顯，同時殘留第二相僅為0.8%；改善熱處理工藝后工件的抗拉強度為533.5 MPa，屈服強度為455 MPa,延伸率為16.5%。

2.4 鋁合金的形變熱處理

形變熱處理結合鋁合金的塑性變形強化和時效強化，改善工件的顯微組織，使其韌性、抗應力腐蝕能力等力學性能顯著提升，同時，形變熱處理還可以簡化生產流程，顯著提高生產效率。鋁合金的形變熱處理工藝將塑性變形以及熱處理共同作用在工件上，能夠有效控制工件形狀。形變熱處理主要包括低溫形變熱處理、高溫形變熱處理、中間形變熱處理以及最終形變熱處理等類型。其中，中間形變熱處理以及對中性面熱處理的應用相對廣泛； 低溫形變熱處理技術主要應用于AI-Cu-Mg 系合金，但不適用于Al-Zn-Mg-Cu 系合金；高溫形變熱處理技術將熱加工作為固溶處理環節，之后在短時間內淬火，一般對Al-Cu 以及AI-Mg-Si 系合金有較為優良的處理效果，但是不可應用在Al-Zn-Mg-Cu 系列合金中。

2015 年，薛淼[10]研究發現2A12 鋁合金的抗拉強度和屈服強度隨著形變熱處理中的變形率和失效時間的增大而變化，呈現先增后減狀態，當變形率為40%、時效時間為15 h，兩者達到最大值——539 N/mm2、370 N/mm2；工件硬化指數與變形率成正比，并在50%變形率時達到0.56 最優值。2016 年，劉松[11]研究發現，經過相同溫度參數的熱處理工藝后，2A12 合金伸長率隨形變量增大而減小，塑性降低，當變形量為40%時抗拉強度達到最大值533.68 MPa。

2.5 鋁合金的回歸熱處理

回歸熱處理(RHT）是先將強化后的鋁合金工件快速加熱到一定溫度，隨后短時保溫，使工件材料性能達到新淬火前的狀態，其實質就是一種短時加熱的過程[12]。經過人工時效熱處理后的工件也能進行回歸再時效處理。對鋁合金工件進行回歸處理后再時效處理，可以恢其強度，并提高工件材料的韌性、防腐蝕開裂等綜合性能。

宋佩維等[13]通過對2A12-T4 狀態的鋁合金進行不同時長的回歸熱處理實驗發現，回歸熱處理工藝為250℃×（20~25）s，熱處理的時長與固溶狀態的恢復速度成反比，隨著熱處理時長增加，工件依次顯現回歸、人工時效和過時效的特征。2014年，趙俊[14]將回歸熱處理工藝擴展應用到7XXX 鋁合金并進行參數優化，通過實驗對比分析，發現優化后的回歸熱處理工藝最優參數為465 ℃×2 h+120℃×12 h+190 ℃×5 min+120 ℃×16 h，對7XXXX 系鋁合金進行工藝優化的回歸熱處理后，其抗拉強度達到727 MPa，屈服強度達到703 MPa，伸長率可達8.3%，綜合力學性能得到有效提高。

3 結論與展望

通過不同方式的熱處理來改變2A12 鋁合金的硬度、屈服強度、塑性、伸長率等各項力學性能指標，可滿足各行業的使用需求。因此熟悉并掌握不同熱處理方式的作用、特點及具體的工藝參數就顯得尤為重要。同時還要認識到目前對于2A12鋁合金的熱處理方式的研究需更進一步。

1）均勻化熱處理方式目前廣泛應用于7XXX 系鋁合金，對2A12 鋁合金的均勻化熱處理研究比較匱乏，尚未形成完善成熟的工藝參數及指導文件。因此，研究2A12 鋁合金的均勻化熱處理就顯得很有意義。

2）諸多學者陸續展開對2A12 鋁合金進行多種熱處理方式混合實驗研究，以期得到更為具體詳細、貼近實際需求的熱處理工藝參數。目前，大多數研究成果停留在試驗階段或針對性較強，尚未具有普適性并應用推廣。因此，可以通過增加不同狀態和用途的2A12 鋁合金樣本擴大試驗范圍，得到更為詳細的工藝參數，并推廣到實際應用當中。

3）還應認識到目前的熱處理技術促進行業發展的同時，也潛存著對環境、人體健康及材料本身的危害隱患。研究2A12鋁合金的熱處理工藝不應局限于對材料性能的提升和滿足使用需求，還應不斷創新發展，來減輕對環境和材料本身的破壞，逐步解放人力，實現智能自動化。