劉兆偉，謝方亮，張 偉，李秋梅，董劉穎，張 宇

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽 111003)

2D70合金具有高純度、高強(qiáng)度、耐高溫性、低淬火敏感性等良好的綜合性能，是可熱處理強(qiáng)化的Al-Cu-Mg-Fe-Ni系鋁合金。主要應(yīng)用在飛行器發(fā)動機(jī)和汽車零部件上，并可制造用于在150℃條件下長時(shí)間工作的受力結(jié)構(gòu)件。隨著航空、國防工業(yè)的快速發(fā)展，對合金耐熱性能提出了更高要求，因此有必要對該合金進(jìn)行更為深入的研究[1-3]。

2D70合金采用半連續(xù)鑄造，該過程冷卻速率較大，為非平衡凝固，容易生成粗大的一次析出相及大量低熔點(diǎn)共晶相，通過均勻化熱處理能使鑄錠中的非平衡共晶組織在基體中分布趨于均勻，消除鑄造應(yīng)力，提高鑄錠塑性，減小變形抗力，改善加工產(chǎn)品的組織和性能[4]。因此，本實(shí)驗(yàn)的主要研究內(nèi)容是找出2D70合金的最佳均勻化制度，并找出適合于2D70合金工業(yè)生產(chǎn)的均勻化效果評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 材料制備

試驗(yàn)材料為采用半連續(xù)鑄造技術(shù)制備的Φ582mm的2D70合金鑄棒，采用ARL 4460型直讀光譜儀測得其化學(xué)成分，實(shí)測值見表1。

表1 2D70鋁合金化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.2 試驗(yàn)方法

結(jié)合圖1所示的DSC分析結(jié)果，設(shè)置表2所示的均勻化制度。采用納博熱空氣循環(huán)爐進(jìn)行熱處理，對料溫進(jìn)行實(shí)際監(jiān)控，以保證料溫偏差不超過±3℃；采用維氏硬度計(jì)測試硬度，實(shí)測5組取平均值；采用AX10型光學(xué)顯微鏡(OM)觀測微觀組織；采用SIGMATEST 2.069型渦流電導(dǎo)儀測試微觀組織，選測5點(diǎn)取平均值。最后，通過組織、電導(dǎo)率及維氏硬度的變化規(guī)律，確定最佳均勻化溫度。

圖1 2D70鋁合金DSC曲線圖Fig.1 DSC curve of 2D70 aluminum alloy

表2 均勻化熱處理方案

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 均勻化溫度的選擇

2.1.1 均勻化溫度對鑄態(tài)組織的影響

如圖2所示，2D70合金的鑄態(tài)組織為典型粗大不規(guī)則的枝晶網(wǎng)結(jié)構(gòu)，枝晶間存在低熔點(diǎn)非平衡共晶相，在晶界和晶內(nèi)還存在大量形狀不規(guī)則的灰色相和黑色相。490℃和520℃單級均勻化后，枝晶網(wǎng)發(fā)生斷裂，晶界和枝晶間共晶相數(shù)量已經(jīng)明顯減少。由于2D70合金中S(Al2CuMg)與α-Al形成的共晶組織的熔化溫度為511.4℃，θ(Al2Cu) 與α-Al形成的共晶組織的熔化溫度為535.1℃。因此，當(dāng)提高均勻化溫度到540℃時(shí)，已經(jīng)明顯超過合金中低熔點(diǎn)共晶相的熔化溫度，合金組織發(fā)生輕微的過燒。490℃×16h+520℃×16h雙級均勻化時(shí)，S(Al2CuMg)與α-Al形成的共晶組織在490℃首先回溶到α-Al基體中，其次θ(Al2Cu) 與α-Al形成的共晶組織在520℃回溶到α-Al基體中，利于高熔點(diǎn)共晶組織的充分回溶[5-7]，但會造成低熔點(diǎn)共晶組織的燒損。

(a)未均火；(b)490℃×16h；(c)520℃×16h；(d)540℃×16h；(e)490℃×16h+520℃×16h圖2 不同均勻化溫度下金相組織圖Fig.2 Metallography at different homogenization temperatures

2.1.2 均勻化溫度對鑄態(tài)硬度的影響

圖3為2D70合金鑄態(tài)維氏硬度隨均勻化溫度的變化。隨著均勻化溫度的升高，合金的硬度升高，540℃時(shí)略有下降，雙級均勻化后硬度值又上升。結(jié)合金相組織得出，隨著均勻化溫度的升高，鑄態(tài)組織中的可溶相充分回溶，達(dá)到固溶強(qiáng)化的作用，硬度升高。當(dāng)溫度達(dá)到540℃時(shí)，組織已經(jīng)發(fā)生過燒，硬度開始下降。雙級均勻化處理后，可溶相充分回溶，與單級均勻化硬度相差不大。

圖3 不同均勻化溫度下的維氏硬度Fig.3 Vickers hardness at different homogenization temperatures

2.1.3 均勻化溫度對鑄態(tài)電導(dǎo)率的影響

圖4為2D70合金鑄態(tài)電導(dǎo)率隨均勻化溫度的變化。未均火態(tài)的電導(dǎo)率最高，為33.72%IACS。

圖4 不同均勻化溫度下的電導(dǎo)率Fig.4 Electrical conductivity at different homogenizationtemperatures

分析得出，電導(dǎo)率主要受合金元素在鋁基體中固溶度變化和過飽和固溶體分解析出第二相兩者的綜合影響。固溶度增加，增強(qiáng)了基體點(diǎn)陣的晶格畸變程度，使得基體點(diǎn)陣中電子散射源的密度增大，導(dǎo)電電子的平均自由程減小，從而合金電導(dǎo)率降低；過飽和固溶體分解析出第二相，使合金組織由單相變?yōu)閺?fù)相，合金電導(dǎo)率降低。但是固溶在鋁基體中的原子引起的點(diǎn)陣畸變對電子的散射作用比析出的第二相引起的散射作用強(qiáng)得多。本實(shí)驗(yàn)中由于選擇試樣比較小，所以冷卻速率較大。因此，過飽和固溶體分解析出的第二相數(shù)量較少，固溶占主導(dǎo)地位，導(dǎo)致合金的電導(dǎo)率下降。

綜上所述，結(jié)合2D70合金的金相組織、硬度與電導(dǎo)率綜合分析，雙級均勻化雖然有利于共晶組織回溶，但存在過燒風(fēng)險(xiǎn)，且均勻化后組織和硬度與490℃時(shí)差別不明顯，對后續(xù)擠壓成型過程的影響不明顯。但如果存在過燒隱患，則對后續(xù)制品的抗疲勞性能、耐腐蝕性均會存在較嚴(yán)重的影響。另外，雙級制度周期長，生產(chǎn)效率偏低，不適宜規(guī)模化生產(chǎn)，因此，認(rèn)為490℃為2D70合金適宜的生產(chǎn)用均勻化溫度。

2.2 均勻化時(shí)間的選擇

2.2.1 均勻化時(shí)間對鑄態(tài)組織的影響

圖5為2D70合金490℃不同均勻化時(shí)間的金相組織。鑄態(tài)組織中枝晶偏析明顯，枝晶間存在低熔點(diǎn)非平衡共晶相。

(a)490℃×4h；(b)490℃×8h；(c)490℃×12h；(d)490℃×16h；(e)490℃×20h；(f)490℃×24h；(g)490℃×28h；(h)490℃×32h圖5 不同均勻化時(shí)間下金相組織圖Fig.5 Metallography at different homogenization time

經(jīng)490℃×(4h～8h)均勻化處理后，枝晶組織有所消除，枝晶間的非平衡相部分回溶到基體中，但基體內(nèi)的樹枝晶還有部分存在，說明均勻化過程未完成。經(jīng)490℃×12h均勻化處理后，試樣晶界上的共晶組織大大減少，枝晶組織基本消除，組織沒有明顯粗化，說明均勻化效果良好；繼續(xù)延長均勻化時(shí)間至490℃×24h，組織中“三角”晶界，為組織過燒現(xiàn)象[5-7]。

通過觀察金相組織對均勻化效果進(jìn)行評價(jià)是最常見的評價(jià)方法，該方法能直觀判定組織是否過燒，但對于未過燒的鑄錠是否均勻化完全則存在一定的猜測性，難以實(shí)現(xiàn)對均勻化效果的量化評價(jià)。

2.2.2 均勻化時(shí)間對鑄態(tài)硬度的影響

圖6為2D70合金維氏硬度隨均勻化時(shí)間的變化。隨著均勻化時(shí)間的延長，合金的硬度先升高再下降。鑄態(tài)合金的硬度為109.63HV2；490℃×(4h、12h～20h)均勻化處理后，合金硬度升高0.43 HV2～1.8HV2；繼續(xù)延長均勻化時(shí)間(>20h)，硬度下降1.76HV2～6.94HV2。

由上述數(shù)據(jù)分析得出，隨著均勻化時(shí)間的延長，可溶相逐漸回溶到α-Al基體中，當(dāng)均勻化時(shí)間達(dá)到12h以后，可溶相已經(jīng)充分回溶，合金已經(jīng)達(dá)到最大固溶程度，硬度趨于穩(wěn)定。進(jìn)一步增加均勻化時(shí)間(>20h)硬度開始下降，這是因?yàn)楹辖鸾M織發(fā)生過燒現(xiàn)象，造成性能下降[8,9]。

合金的維氏硬度值可作為2D70鋁合金均勻化效果評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)之一。即，均勻化后2D70鋁合金維氏硬度不小于110.06HV2，則可認(rèn)為合金均勻化效果已達(dá)成；均勻化后2D70鋁合金的硬度小于110.06 HV2，則可認(rèn)為合金均勻化效果未達(dá)成。

圖6 不同均勻化時(shí)間下的維氏硬度Fig.6 Vickers hardness at different homogenization time

2.2.3 均勻化時(shí)間對鑄態(tài)電導(dǎo)率的影響

圖7為2D70合金電導(dǎo)率隨均勻化時(shí)間的變化。鑄態(tài)合金的電導(dǎo)率為33.63%IACS，隨著均勻化時(shí)間的延長，電導(dǎo)率開始迅速下降，當(dāng)均勻化時(shí)間達(dá)到12h以后，電導(dǎo)率為31.61%IACS，并趨于穩(wěn)定。

對上述數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，電導(dǎo)率主要受合金元素在鋁基體中固溶度變化和過飽和固溶體分解析出第二相兩者的綜合影響，但是固溶度引起的晶格畸變的影響大于固溶體分解析出第二相的影響。由于本實(shí)驗(yàn)中選取的試塊較小，為25mm×25mm×28mm，均勻化處理后空冷，冷卻速率快，第二相析出量很少，因此電導(dǎo)率的影響因素主要為合金的固溶度。隨著均勻化時(shí)間的延長，合金的固溶度逐漸增加，合金內(nèi)晶格畸變加重，對電子的散射作用加強(qiáng)，電導(dǎo)率開始下降。當(dāng)均勻化時(shí)間達(dá)到12h以后，共晶相及其它可溶相已經(jīng)充分回溶，固溶度不再發(fā)生變化，電導(dǎo)率趨于穩(wěn)定[8，9]。

合金的電導(dǎo)率值可作為均勻化效果評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)之一。即，均勻化后2D70合金的電導(dǎo)率不大于31.61%IACS，則可認(rèn)為合金均勻化效果已達(dá)成；均勻化后2D70合金電導(dǎo)率大于31.61%ACS，則可認(rèn)為合金均勻化效果未達(dá)成。

圖7 不同均勻化時(shí)間下的電導(dǎo)率Fig.7 Electrical conductivity at different homogenization time

上述三種均勻化效果的評價(jià)方式，通過金相組織觀察的評價(jià)方法較為常用，但精確度不高；通過測量維氏硬度評價(jià)均勻化效果的方法操作簡便，但相對誤差較大；電導(dǎo)率測試的評價(jià)方法制樣簡單，測量簡便，數(shù)據(jù)重現(xiàn)性好，因此電導(dǎo)率測試方法為均勻化是否完成的較優(yōu)判據(jù)。

3 結(jié)論

(1)鑄態(tài)2D70鋁合金組織為典型粗大不規(guī)則的枝晶網(wǎng)結(jié)構(gòu)，枝晶間存在低熔點(diǎn)非平衡共晶相。鑄態(tài)2D70合金經(jīng)490℃×12h均勻化處理后枝晶組織基本消除，非平衡相基本溶入基體，晶內(nèi)組織均勻。因此，490℃×12h為較優(yōu)的均勻化制度。

(2)2D70合金均勻化處理后維氏硬度不小于110.06HV2，則可認(rèn)為合金均勻化效果已達(dá)成；如果均勻化后鋁合金硬度小于110.06HV2，則可認(rèn)為合金均勻化效果未達(dá)成。

(3)均勻化后2D70合金電導(dǎo)率不大于31.61%IACS，則可認(rèn)為合金均勻化效果已達(dá)成；均勻化后2D70合金電導(dǎo)率大于31.61%IACS，則可認(rèn)為合金均勻化效果未達(dá)成。電導(dǎo)率測試的方法制樣簡單，測量簡便，數(shù)據(jù)重現(xiàn)性好，是均勻化是否完成的較優(yōu)判據(jù)。