孔淑萍,朱慶豐，3,凌 放,孫 上,左玉波

(1.東北大學 材料電磁過程研究教育部重點實驗室,遼寧 沈陽 110819； 2.東北大學 材料科學與工程學院,遼寧 沈陽 110819； 3.材料先進制備技術教育部工程研究中心，遼寧 沈陽 110819)

2×××系鋁合金又稱Al-Cu-Mg系合金，具有良好的綜合性能，被廣泛應用于航天航空工業(yè)[1]。從20世紀30年代2024-T3鋁合金在飛機上得到成功應用以來，不斷有新的2×××鋁合金被開發(fā)注冊。在2024鋁合金的基礎上，通過降低Fe、Si含量，美國鋁業(yè)公司于1970年開發(fā)了韌性更好的2124鋁合金。1978年通過進一步降低Fe、Si含量，限制Cu元素，開發(fā)了2224鋁合金，已經(jīng)用于制造波音767等飛機的結構件。1995年又開發(fā)出綜合性能更好的2524鋁合金，該合金已于1999年起，用于制造歐洲空客公司的A340-600型客機[2]。美鋁公司于1999年注冊了2026鋁合金，通過優(yōu)化合金元素和增加Zr元素，進一步提高了合金的綜合性能，其疲勞強度和斷裂韌性較2024鋁合金有較大程度的提高，是飛機下翼面桁條的擠壓型材的理想材料。我國研制ARJ2l-700采用了2026鋁合金[3]。

2026鋁合金作為一種新合金已經(jīng)獲得了較廣泛的研究，Li[4]等人研究了2026鋁合金的疲勞性能，發(fā)現(xiàn)粗大含F(xiàn)e相的附近容易萌生疲勞裂紋，而不同再結晶程度的晶界特征對疲勞裂紋的擴展有不同的影響。Lam D F[5]等人研究了2026鋁合金T3511狀態(tài)的拉伸性能，發(fā)現(xiàn)樣品寬度的增加通常會導致應變集中系數(shù)的增加。Jiang D B[6]等人研究了均勻化退火對2026鋁合金組織的影響，明確了該合金的最優(yōu)均勻化退火工藝。2026鋁合金高溫壓縮熱變形行為也獲得了廣泛的研究[7-10]，這些研究明確了該合金的最優(yōu)成形工藝。

盡管上述研究圍繞著合金組織與性能之間的關系及形變熱處理制度開展了較為廣泛的研究，并取得了很多有價值的結果，但2026鋁合金作為一種新合金，其變形及熱處理制度的研究還不夠系統(tǒng)。固溶工藝是決定可時效強化鋁合金組織特征的重要環(huán)節(jié)，直接影響著合金最終性能。固溶制度的選擇既要獲得盡可能多的過飽和固溶體又要避免過燒，同時還要調控合金的再結晶程度。已有大量科研工作者對不同合金的固溶工藝開展了較為詳細的研究，并發(fā)現(xiàn)固溶工藝對合金的組織及性能有明顯的影響。朱冉冉[11]等人研究單級固溶處理對7136鋁合金的影響，試驗出對7136鋁合金來說較為適宜的固溶制度。李華冠[12]研究固溶處理對新型鋁鋰合金的組織與性能影響，指出隨著固溶溫度的升高，合金彌散的析出相長大，抗拉強度和屈服強度升高，韌性下降。李俊[13]等人研究了不同雙級固溶處理對2A14鋁合金力學性能及組織的影響，獲得了較高程度的過飽和固溶體，僅發(fā)生了部分再結晶，獲得最佳工藝。但有關2026鋁合金固溶制度研究的相關報道仍比較少，本試驗主要研究固溶溫度對2026鋁合金組織及自然時效后性能的影響，旨在為高質量2026鋁合金材料制備提供技術支持。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗材料為2026鋁合金鑄錠經(jīng)均勻化退火、擠壓變形后得到的棒材。其均勻化退火溫度為465 ℃，保溫30 h，擠壓速度為60 mm/min，擠壓過程中擠壓筒的溫度為440 ℃，擠壓比為28.7，擠壓后的棒材直徑為28 mm。用直讀光譜儀測得合金的成分如表1所示。

表1 2026鋁合金的實測成分(質量分數(shù)/%)Table 1 Measured composition of 2026 aluminum alloy(wt/%)

1.2 試驗方法

將擠壓棒材連續(xù)鋸切成120 mm長的小段，在井式退火爐中進行固溶處理，用測溫偶檢測試樣溫度。當試樣溫度達到設定溫度開始計時，保溫1 h后，將試樣迅速取出并進行淬火，淬火水溫為20 ℃，淬火轉移時間小于15 s。通過改變固溶溫度明確試樣的再結晶及過燒情況，將具體的固溶溫度分別設定為480 ℃、500 ℃、510 ℃、520 ℃、535 ℃、540 ℃、545 ℃、550 ℃、555 ℃。對固溶淬火后的試樣進行微觀組織觀察，在圓棒試樣1/2半徑處取金相試樣，經(jīng)過粗拋、精拋后用OlympusBX53-P偏光顯微鏡觀察試樣的過燒情況，對試樣進行陽極覆膜，觀察試樣的再結晶情況。

將淬火后的試樣經(jīng)過40 d的自然時效后加工成如圖1所示的標準拉伸試樣。每組試驗取3個標準拉伸試樣，并用100 kN電子萬能試驗機測試試樣的拉伸性能，拉伸結果取平均值，拉伸方向為擠壓方向，速率設定為2 mm/min。

圖1 拉伸試樣尺寸圖(單位：mm)Fig.1 Schematic diagram of a tensile sample

2 試驗結果

2.1 微觀組織

圖2為不同固溶溫度處理、淬火后試樣1/2半徑處徑向的偏光組織。由圖2可以看出，不同的固溶處理溫度條件下試樣的偏光組織存在較大的差異。當固溶溫度在480 ℃～535 ℃范圍內(nèi)時，試樣的偏光組織呈纖維狀，沒有明顯的再結晶現(xiàn)象，如圖2a～e及圖2e中A區(qū)域對應的高倍照片圖3a所示；當固溶溫度在540 ℃～545 ℃范圍內(nèi)時，試樣的偏光組織仍主要呈纖維狀，但部分纖維狀組織已經(jīng)發(fā)生了局部再結晶現(xiàn)象，如圖2f～g及圖3g中B區(qū)域對應的高倍照片圖3b所示；當固溶溫度在550 ℃～555 ℃范圍內(nèi)時，發(fā)生明顯再結晶現(xiàn)象，晶粒較為粗大，且在555 ℃發(fā)生完全再結晶，如圖2h～i及圖2i中C區(qū)域對應的高倍照片圖3c所示。

圖2 2026鋁合金棒材經(jīng)不同固溶溫度保溫1 h、淬火后的偏光組織Fig.2 Polarization microstructure of 2026 Al alloy bar sample at different solution temperatures holding 1h after quenching

圖3 圖2局部放大的偏光圖Fig.3 Partially enlarged polarization figures of Fig. 2

圖4為不同溫度固溶處理后試樣1/2半徑處徑向的金相顯微組織。由圖4可以看出，不同的固溶處理溫度條件下試樣的微觀組織存在較大的差異。當固溶溫度在480 ℃～510 ℃范圍內(nèi)時，可以看到殘余相大面積的回溶，灰白片狀物(圖5a中的標注1)隨著溫度的升高而減少，可以從圖4中a、c中 A、B區(qū)域對應的高倍照片圖5a、b中看出，利用Image-Proplus 6.0軟件統(tǒng)計其殘余相的所占面積，其殘余相的所占面積百分比由480 ℃的1.8%下降到510 ℃的0.6%；當固溶溫度為520 ℃時，合金開始發(fā)生過燒，出現(xiàn)復熔球如圖4d所示，經(jīng)測量這些復熔球的直徑在5 μm～10 μm之間，隨著溫度的升高，復熔球直徑的尺寸有明顯的變大，過燒現(xiàn)象加??；當固溶溫度為555 ℃時，如圖4i中C區(qū)域對應的高倍照片圖5c中所示，復熔球直徑可達15 μm(圖5c中的標注2)，同時還出現(xiàn)晶界變粗(圖5c中標注3)，以及三角形晶界的現(xiàn)象。

圖4 2026鋁合金棒材不同固溶溫度保溫1 h、淬火后的金相組織Fig.4 Microstructures of 2026 Al alloy rod at different solid solution temperatures holding 1h after quenching

圖5 圖4局部放大的顯微圖Fig.5 Partially enlarged micrograph of Fig. 4

2.2 拉伸性能

不同溫度固溶試樣經(jīng)淬火和40 d自然時效后的拉伸性能如圖6所示。由圖6可以看出，隨著固溶溫度的升高，合金的強度及伸長率先升高，再持平，后下降。當固溶溫度由480 ℃升高到510 ℃，合金的屈服強度由342 N/mm2提高到406 N/mm2，抗拉強度由507 N/mm2提高到589 N/mm2，伸長率由16.1%提升到17.1%；當固溶溫度510 ℃～545 ℃時，試樣強度變化并不明顯，屈服強度在395 N/mm2～409 N/mm2波動，抗拉強度在567 N/mm2～588 N/mm2波動，伸長率由17.1%下降到14.6%；固溶溫度提高至555 ℃，試樣的屈服強度為342 N/mm2，抗拉強度為481 N/mm2，伸長率為10.1%。

圖6 拉伸性能隨固溶溫度的變化曲線Fig.6 The variation curves of tensile properties with solution temperature

3 分析與討論

當擠壓溫度低于再結晶溫度時，鋁合金擠壓變形后會形成纖維狀組織，在基體內(nèi)還會存在一些析出相和殘余相。在固溶過程中，隨著固溶溫度的升高纖維狀組織會發(fā)生回復和再結晶[14]，而析出相和殘余相則會發(fā)生回溶或局部熔化(過燒)，因此固溶溫度直接影響合金的再結晶程度、固溶量和過燒程度。本試驗條件下，2026鋁合金試樣當固溶溫度達到540 ℃時，開始發(fā)生局部再結晶；當固溶溫度達到550 ℃時，試樣發(fā)生比較完全的再結晶；當固溶溫度為520 ℃時，殘余相開始熔化形成小尺寸復熔球；當固溶溫度升至555 ℃時，復熔球的數(shù)量尺寸開始增大。對于本試驗條件下的2026鋁合金棒材通過調控固溶溫度無法獲得無過燒相的再結晶組織。

2026鋁合金固溶時效后的拉伸性能受基體再結晶程度、過燒程度和析出相數(shù)量等因素的影響。再結晶降低了合金的形變儲能，可以提高塑性，但會降低強度。析出相數(shù)量的增加提高合金的強度，但會降低塑性。過燒相對合金的危害與其形狀和尺寸有關，由于拉伸過程的加工硬化現(xiàn)象，當過燒相尺寸較小時不會對拉伸性能有明顯影響[15]，當過燒相尺寸較大且數(shù)量較多時則會顯著降低拉伸性能。本試驗條件下，隨著固溶溫度的提高，鋁基體中溶質元素的溶解度增加，更多的溶質元素溶入基體中，在后續(xù)的時效過程中可以析出更多的強化相，有利于提高強度。隨著固溶溫度的提高，2026鋁合金通過回復再結晶釋放形變儲能，會在一定程度下降低合金的強度。盡管當固溶溫度為520 ℃時，試樣發(fā)生了輕微過燒，但其對強度的影響有限，而固溶量增加對強度的增加效果明顯，因此當固溶溫度由480 ℃升至520 ℃，合金的強度增加。當固溶溫度在520 ℃～545 ℃時，隨著固溶溫度的升高一方面元素固溶量增加有利于增加強度，另一方面復熔球的數(shù)量增加不利于增加強度，二者綜合作用下，強度在一定范圍內(nèi)波動。溫度升至555 ℃時，試樣的復熔球數(shù)量和尺寸明顯增加，過燒缺陷對拉伸性能的影響占主導，合金的強度和塑性均明顯降低。

4 結 論

1)2026鋁合金擠壓棒材經(jīng)520 ℃1 h固溶后發(fā)生輕微過燒并出現(xiàn)復熔球，繼續(xù)提高固溶溫度過燒相的數(shù)量和尺寸增加；當固溶溫度提高到555 ℃時復熔球直徑可達15 μm，并出現(xiàn)復熔的三角晶界。

2)2026鋁合金擠壓棒材經(jīng)540 ℃1 h固溶后發(fā)生較明顯的局部再結晶，經(jīng)555 ℃1 h固溶后發(fā)生完全再結晶。

3)不同溫度(480 ℃～555 ℃)固溶、淬火后的2026鋁合金擠壓棒材經(jīng)40 d的自然時效后，試樣的屈服強度和抗拉強度先從480 ℃固溶時的342 N/mm2和507 N/mm2增加到510 ℃固溶時的406 N/mm2和589 N/mm2，再降低至555 ℃時的342 N/mm2和481 N/mm2。伸長率由480 ℃固溶時的16.1%增加至510 ℃固溶時的17.1%，再降至555 ℃固溶時的10.1%。最佳固溶制度為510 ℃1 h。