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基于JMatPro對2324鋁合金析出相的熱力學(xué)模擬計算

2021-03-14 12:18:04趙明銘郭二軍馮義成付金來王麗萍付原科
關(guān)鍵詞:時效鋁合金

趙明銘 郭二軍 馮義成 付金來 王麗萍 付原科

摘 要:2324鋁合金具有優(yōu)異的綜合性能,尤其是高的損傷容限性能,作為結(jié)構(gòu)材料在先進大飛機上得到廣泛應(yīng)用,其熱處理工藝是保證高綜合性能的關(guān)鍵。本文以工業(yè)用2324鋁合金為研究對象,采用JMatPro軟件模擬計算2324鋁合金的平衡相組成、亞穩(wěn)相、TTT/CCT曲線、等溫時效相組成,并優(yōu)化其熱處理工藝參數(shù)。研究結(jié)果表明,2324鋁合金在室溫條件下的相組成為88.02% α(Al)、7.28% S(Al2CuMg)、2.45% Al6Mn、1.35% Al2Cu、0.63% E(AlCrMgMn)和0.27% Mg2Si,其中S相是主要的強化相;合金的亞穩(wěn)相為S′相、Q′相和η′相,其中S′相為時效過程主要強化相;通過TTT曲線計算表明,在熱處理過程中,GP區(qū)、η′、S′、η(MgZn2)、S相的鼻尖溫度依次升高,分別為170、300、350、360、420℃,對應(yīng)的孕育時間分別為5.45、40.91、15.23、920.62、305.83s。CCT曲線計算表明,在熱處理過程中,GP區(qū)、η′、S′、η(MgZn2)、S相不析出的臨界冷卻速率分別為0.95、1.72、5.22、0.16,0.90℃/s;在190℃時效時,S′相的析出量較大,完全時效時間也較短。時效時間為5~10h時,強化相含量較高,GP區(qū)也有一定含量;因此,綜合上述結(jié)果可以得出最佳的熱處理工藝:固溶處理時,冷卻介質(zhì)的冷卻速度大于5.22℃/s,試樣固溶轉(zhuǎn)移時間小于5.45s,時效的溫度和時間分別設(shè)置為190℃,5~10h。

關(guān)鍵詞:鋁合金;JMatPro軟件;時效;析出相

DOI:10.15938/j.jhust.2021.06.015

中圖分類號: TG146.2

文獻標志碼: A

文章編號: 1007-2683(2021)06-0112-06

Thermodynamic Simulation of Precipitation Phase

Evolution in 2324 Aluminum Alloy by Jmat Pro

ZHAO Ming-ming1, GUO Er-jun1, FENG Yi-cheng1, FU Jin-lai2, WANG Li-ping1, FU Yuan-ke1

(1.School of Material Science and Engineering, Harbin University of Science and Technology, Harbin 150040, China;

2.Northeast Light Alloy Co., Ltd., Harbin 150060, China)

Abstract:2324 aluminum alloy has excellent comprehensive performance, especially high damage tolerance performance. As a structural material, it has been widely used in advanced large aircraft, and its heat treatment process is the key to ensure high comprehensive performance. This paper takes 2324 aluminum alloy for industrial use as the research object. The equilibrium phase composition, metastable phase, TTT/CCT curve and isothermal aging phase composition of 2324 aluminum alloy are simulated by JMatPro software, and the heat treatment process parameters are optimized. The results show that the phase composition of 2324 aluminum alloy at room temperature is 88.02% α(Al), 7.28% S(Al2CuMg), 2.45% Al6Mn, 1.35% Al2Cu, 0.63% E(AlCrMgMn) and 0.27% Mg2Si, among which S phase is the main strengthening phase. The metastable phase of the alloy is S′ phase, Q′ phase and η′ phase, among which S′ phase is the main strengthening phase during the aging process. The TTT curve calculation show that during the heat treatment, the tip temperatures of GP zone, η′, S′, η(MgZn2) and S phase increase successively, which are 170℃, 300℃, 350℃, 360℃ and 420℃ respectively, and the corresponding incubation times are 5.45s, 40.91s, 15.23s, 920.62s and 305.83s respectively. The CCT curve calculation shows that the critical cooling rates of GP zone, η′, S′, η(MgZn2) and S phase without precipitation during heat treatment are 0.95℃/s, 1.72℃/s, 5.22℃/s, 0.16℃/s and 0.90℃/s respectively. When aging at 190℃, the precipitation amount of S′ phase is larger, and the complete aging time is shorter. When the aging time is 5~10h, the strengthening phase content is higher, and there is also a certain content for GP zone. Therefore, by the above results, the optimal heat treatment process can be obtained: the cooling rate of the cooling medium is greater than 5.22℃/s in the solid solution treatment, the solid solution transfer time of the sample is less than 5.45s, and the aging temperature and time are respectively set at 190℃ and 5~10h.

Keywords:aluminum alloy; JMatPro; aging; precipitation

0 引 言

近年來,隨著全球經(jīng)濟和科技的迅猛發(fā)展,資源緊張、環(huán)境污染等問題日益突出,人類對資源的可持續(xù)發(fā)展越發(fā)重視。輕量化是解決這些問題的有效手段,也是當代社會可持續(xù)發(fā)展的必要途徑。作為輕量化的典型代表,鋁合金在汽車、建筑以及航空航天等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。

2000系鋁合金作為一種典型的Al-Cu-Mg系高強鋁合金,具有密度低、強度高、良好的機械加工性能和高的耐腐蝕性能、較高的損傷容限、抗疲勞性能和抗應(yīng)力腐蝕性能好等良好的綜合性能,在航空航天及汽車制造業(yè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,如汽車、飛機骨架零件,飛機螺旋槳等[1-5]。隨著近年來,大飛機技術(shù)發(fā)展,對鋁合金的綜合性能的要求越來越高,尤其是對高損傷容限性能要求更為苛刻。2324鋁合金是在2024鋁合金的基礎(chǔ)上,降低Fe、Si雜質(zhì)和Cu的含量研制出的新型高純鋁合金,合金中的主要成分Cu含量降低,一方面能減少淬火殘留相,有利于提高塑性和韌性,增加損傷容限性能,但犧牲了部分強度[6-9]。因此,對于在保證2324鋁合金高損傷容限性能的同時,提高2324鋁合金的強度性能的研究就具有重要意義。調(diào)控2324鋁合金中析出相的尺寸和數(shù)量,可顯著提高其強度,固溶和時效處理工藝參數(shù)對析出相的尺寸和數(shù)量影響顯著。因此,通過優(yōu)化2324鋁合金熱處理工藝可以在保證高損傷容限性能的同時一定程度提高合金的強度性能 [10-13]。JMatPro軟件可以計算不同時效參數(shù)下合金相組成變化,在節(jié)能環(huán)保的同時提高了實驗效率,顯著減少試驗工作量。因此,本文以工業(yè)2324鋁合金為研究對象,通過對2324鋁合金平衡相組成、亞穩(wěn)相、TTT/CCT曲線及析出相進行熱力學(xué)計算,為優(yōu)化2324鋁合金熱處理工藝和調(diào)整析出相的組態(tài)提供理論依據(jù)。

1 材料及研究方法

本研究所用材料為2324鋁合金,其標準成分如表1所示。

計算時使用質(zhì)量分數(shù)為Cu 4.0%、Mg 1.5%、Mn 0.5%、Fe 0.12%、Si 0.1%、Zn 0.25%、Ti 0.15%、Cr 0.1%,Al 93.28%。JMatPro軟件是一款功能強大的金屬材料相圖和性能計算軟件,以熱力學(xué)模型、熱力學(xué)數(shù)據(jù)為計算基礎(chǔ),對所有的物理模型的建立都經(jīng)過了廣泛的驗證[14-16]。調(diào)用Step Temperature、Metastable Phases、TTT/CCT Diagrams,Isothermal等模塊計算平衡相組成、亞穩(wěn)相、TTT/CCT曲線、等溫時效相組成。鋁合金熔點為568-652℃,為了研究2324鋁合金完整的冷卻過程,在Step Temperature模塊將起始溫度設(shè)置為700℃,終了溫度設(shè)置為100℃;通過平衡相圖分析可以得到固溶溫度,將此溫度設(shè)置為Metastable Phases模塊的熱處理溫度,TTT/CCT Diagrams模塊的起始溫度;將Isothermal模塊時效時間設(shè)置為0~100h,選取時效溫度分別為130、160、190、220、250℃,計算不同時效溫度下2324鋁合金的相組成變化。

2 結(jié)果與討論

2.1 熱力學(xué)平衡相

通過JMatPro軟件計算的2324鋁合金中平衡相組成如圖1所示。從圖中可以看出,2324鋁合金的液相線溫度為649℃,在該溫度下,開始快速大量析出α(Al)固溶體相,并在519℃時析出量達到最高,為97.9%,之后析出逐漸減緩。在614℃時,開始析出Al6Mn相,其在570℃析出量達最高,為1.18%。隨后與液相發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變生成α(Al)固溶體相,合金的固相線溫度為519℃,在此溫度下包晶轉(zhuǎn)變結(jié)束。固相線溫度以下從506℃開始合金發(fā)生固態(tài)相變,從α(Al)固溶體中依次析出Mg2Si相、S(Al2CuMg)相、θ(Al2Cu)相、E(AlCrMgMn)相,析出溫度分別為506℃、490℃、454℃和396℃。根據(jù)計算結(jié)果可知,2324鋁合金在室溫下的平衡相組成為88.02% α(Al)、7.28% S(Al2CuMg)、2.45% Al6Mn、1.35% Al2Cu、0.63% E(AlCrMgMn)和0.27% Mg2Si,其中S(Al2CuMg)相為主要的強化相。我們選擇510℃作為固溶溫度,在低于固相線溫度下除Al6Mn相外其他相均能完全固溶到Al基體中,與此同時未固溶Al6Mn相彌散沉淀起到細化晶粒作用。

2.2 亞穩(wěn)相

為預(yù)測時效過程中的析出強化對2324鋁合金的顯微組織及性能的影響,利用JMatPro軟件對2324鋁合金的亞穩(wěn)相組成進行了計算,計算結(jié)果如圖2所示。結(jié)果顯示,合金的亞穩(wěn)相為S′相、Q′相和η′相,其中S′相為主要的亞穩(wěn)相。2324鋁合金時效過程中的脫溶序列一般為SSSS(super saturated solid solution)→co-cluster/GPB→GPB2/S′′→S′/S[17]。其中,S′相與基體呈半共格關(guān)系,為合金的主要析出強化相,與亞穩(wěn)相的模擬計算結(jié)果相符合。

2.3 合金的TTT曲線和CCT曲線

圖3為2324鋁合金的TTT曲線,從圖中可以看出合金的TTT曲線整體呈“C”形,考慮相有GP區(qū)、亞穩(wěn)相η′和S′相、平衡相η(MgZn2)和S相。其中,GP區(qū)的開始轉(zhuǎn)變溫度最低,為200℃,鼻尖溫度及對應(yīng)的孕育時間分別為170℃和5.45s。其余相η′、S′、η(MgZn2)和S相的鼻尖溫度依次升高,分別為300、350、360、420℃,對應(yīng)的孕育時間分別為40.91、15.23、920.62、305.83s,此時的孕育期最短,開始轉(zhuǎn)變溫度分別為350、400、410、480℃。從圖中還可以看出,隨著時間的延長,亞穩(wěn)相S′相和η′相、平衡相S相和η(MgZn2)相的曲線幾乎完全重合。

圖4為2324鋁合金的CCT曲線,考慮相有GP區(qū)、η′、S′、η(MgZn2)和S相,綜合反映了合金在連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變過程中各相轉(zhuǎn)變與溫度和時間之間的關(guān)系,能為鋁合金熱處理工藝的設(shè)計提供重要參考。根據(jù)計算結(jié)果可知,GP區(qū)、η′、S′、η(MgZn2)、S相不析出的臨界冷卻速率分別為0.95 、1.72、5.22、0.16,0.90℃/s,結(jié)合TTT曲線判斷,2324鋁合金進行固溶處理時,冷卻介質(zhì)的冷卻速度大于5.22℃/s,試樣固溶轉(zhuǎn)移時間小于5.45s的冷卻速度可抑制其他相的析出,從而獲得過飽和固溶體。

2.4 合金等溫時效相組成

2324鋁合金經(jīng)固溶熱處理后獲得過飽和固溶體,固溶體在時效過程中逐漸形成GP區(qū)、亞穩(wěn)相和平衡相,首先形成的是溶質(zhì)原子的偏聚區(qū)(GP區(qū)),接著脫溶出η′、Q ′和 S′亞穩(wěn)相,亞穩(wěn)相與α(Al)固溶體成共格或半共格關(guān)系,亞穩(wěn)相是合金中主要的沉淀強化相并隨著時間的延長逐漸長大過渡為平衡相。

2.4.1 時效溫度對合金相組成的影響

如圖5所示為不同時效溫度下合金各相隨時間變化的曲線,從圖中可以看出,時效溫度能顯著提高各相的析出速率。時效溫度為130℃時,GP區(qū)含量很高,隨著時效溫度的上升,GP區(qū)含量逐漸降低,且溫度高于190℃時GP區(qū)消失,而亞穩(wěn)相S′相和η′相的析出時間縮短,析出速率增加,Q ′相無明顯變化,析出量極低,可忽略不計。當時效溫度為190℃時,平衡相S相和η相的析出曲線明顯上升,含量高于GP區(qū),但相比于時效強化相S′的含量低,并繼續(xù)隨時效溫度的上升而增加,在250℃時分別與S′相和η′相的析出曲線相交,此時合金中的析出相粗大,產(chǎn)生過時效,合金的性能降低。這是因為時效動力學(xué)是由溶質(zhì)原子擴散所控制,溫度是影響原子擴散系數(shù)最主要的因素,時效溫度越高,溶質(zhì)原子的擴散系數(shù)越大,過飽和固溶體的分解速度也就越快。析出相數(shù)量越多、顆粒越細小、分布越均勻,對基體的強化效果就越好。梁孟超等[18]在不同溫度下對2A12鋁合金進行人工時效處理,結(jié)果發(fā)現(xiàn):隨著時效溫度的升高,達到峰值所需要的時效時間逐漸縮短,這與我們的模擬結(jié)果是完全吻合的。

表2為不同溫度下S′相的析出變化情況。從表中數(shù)據(jù)可以看出,時效溫度為130℃時,S′相的析出量最高,但所需完全時效的時間也最長,隨著溫度的升高,S′相的析出速率增加,在190℃時,S′相的析出量較多,且所需時效時間較短,由于S′相為合金時效的主要強化相,GP區(qū)和平衡相若過多會影響析出相的強化作用,為獲得良好的性能,確定最佳時效溫度為190℃。

2.4.2 時效時間對合金相組成的影響

按照設(shè)計的時間組:0.5、1、2、5、10、25、50、100h,依次進行實驗?zāi)M,計算不同時效時間下2324鋁合金的相組成變化情況,預(yù)測時效時間對2324鋁合金析出相的影響。圖6為190℃時不同時效時間下合金相組成的變化曲線。從圖中可以看出,隨著時效時間的延長,亞穩(wěn)相析出量增加,此時能有效提高合金強度。當時間進一步延長時,亞穩(wěn)相停止析出,并逐漸過渡為平衡相,平衡相大量增多,此時合金已到達過時效狀態(tài),性能開始降低。對于時效初期,當時效時間為0.5h和1h時在2324鋁合金中的銅和鎂原子發(fā)生偏聚,會形成短程有序的結(jié)構(gòu)即GP區(qū),此時的GP區(qū)尺寸較小,處于不穩(wěn)定狀態(tài),S′相容易在溶質(zhì)原子團簇以及位錯附近析出,時效初期S′相很難析出,但隨時間的延長S′相的析出量增加,但未達到平臺,合金為欠時效狀態(tài),強度不高;當時效時間為2h時,S′相析出初步開始出現(xiàn)峰值,但平衡相S相和η相含量極低,幾乎無變化,此時高含量的S′相雖然能提高合金強度,但可能引起高彈性應(yīng)力場而造成較高的殘余應(yīng)力;當時效時間為5h時,GP區(qū)含量適當,較為穩(wěn)定,平衡相開始出現(xiàn)明顯增加,此時S相剛開始轉(zhuǎn)換,板條細小塑性韌性較好;當時效時間為10h時,各相含量較為均勻,強化相含量較高,平衡相和GP區(qū)也有一定含量;當時效時間為25h時,平衡相含量逐漸高于GP區(qū);當時效時間為50、100h時,隨著時效時間的延長,GP區(qū)尺寸過大,S′相也慢慢長大粗化并轉(zhuǎn)化為粗大的S相,S相為S′相熱力學(xué)穩(wěn)定相,但此時的S相粗大且脆性較大,合金的塑性韌性較差,合金達到過時效狀態(tài)。王奎民等[13]通過性能測試和透鏡觀察研究了預(yù)時效時間對2324鋁合金組織和性能的影響,研究發(fā)現(xiàn):隨著時間的延長,合金內(nèi)部GP區(qū)不斷長大,平衡相S相直徑和長度都相應(yīng)長大,這與我們模擬的結(jié)果是一致的。因此,確定最佳時效時間為5~10h,這個時間段內(nèi)合金不僅能夠獲得高強度,還能具有較好的塑韌性配合。

5 結(jié) 論

1)合金在室溫條件下的相組成為88.02% α(Al)、7.28% S(Al2CuMg)、2.45% Al6Mn、1.35% Al2Cu、0.63% E(AlCrMgMn)和0.27% Mg2Si,亞穩(wěn)相為S′相、Q′相和η′相,其中S′相為時效過程中主要強化相。

2)合金的TTT曲線中,合金GP區(qū)、η′、S′、η(MgZn2)、S相的鼻尖溫度依次升高,分別為170、300、350、360、420℃,對應(yīng)的孕育時間分別為5.45、40.91、15.23、920.62、305.83s,開始轉(zhuǎn)變溫度分別為200、350、400、410、480℃,GP區(qū)、η′、S′、η(MgZn2)、S相不析出的臨界冷卻速率分別為0.95、1.72、5.22、0.16,0.90℃/s。

3)隨著時效溫度上升或時效時間延長,合金亞穩(wěn)相的析出速率增加,晶粒長大,亞穩(wěn)相逐漸過渡為平衡相,且時效溫度對析出相的影響大于時效時間。S′相是合金的主要強化相,但合金的綜合性能與亞穩(wěn)相、平衡相和GP區(qū)的數(shù)量分布均有關(guān),考慮到合金的綜合性能,確定最佳時效溫度為190℃,時效時間為5~10h。

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(編輯:王 萍)收稿日期: 2020-10-29

基金項目:

黑龍江省“百千萬”工程科技重大專項(2019ZX10A01).

作者簡介:

趙明銘(1994—),男,碩士研究生;

郭二軍(1963—),男,教授,博士研究生導(dǎo)師.

通信作者:

馮義成(1978—),男,教授,碩士研究生導(dǎo)師,E-mail:fyc7806067@163.com.

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