分级固溶对ZL114A铝合金组织与性能的影响

闫峰，赵强，肖远伦，黄志伟，宁海青，邓天泉，孙昌健，赵高瞻

(1.辽沈工业集团有限公司，沈阳 110045;2.西南技术工程研究所，重庆 400039;3.国防科技工业精密塑性成形技术研究应用中心，重庆 400039)

ZL114A铝合金具有很高的强度和韧性，良好的流动性、气密性和抗热裂性，能铸造复杂形状的高强度铸件，广泛应用于航空、航天、汽车等领域[1－2]。为提高铸造铝合金的综合性能，国内外学者在调控合金时效析出组织、优化合金成分、净化处理、变质处理等方面做了大量的工作，但对其固溶工艺的研究涉及较少。铝合金产品的质量与固溶温度和保温时间有密切关系，近年来研究表明[3－4]，采用分级逐步升温固溶，最终固溶温度超过多相共晶温度时不会产生过烧组织，残余可溶结晶相的固溶程度和合金力学性能均有所提高。

以ZL114A铝合金为基础，采用分级逐步升温固溶的方法，在升温到极限固溶温度前，预先在低温保温一定时间，然后再升温到高温。固溶后对试样进行淬火并时效，分析了ZL114A铝合金固溶温度和保温时间对组织和性能的影响，确定了最佳的固溶工艺。

1 试验方法

1.1 试样制备

试验材料为ZL114A铝合金，化学成分见表1。采用40 kW电阻炉熔炼合金，装炉前，炉料经过预先吹砂，除去油污、锈蚀和污垢后充分干燥，所有材料均预热至200～300℃，保持1 h左右。熔炼时先预热至400℃，温度达到730℃时加ZS-AJ05C溶剂进行精炼除气，检测含气量，达标后打渣，然后浇注成满足GB/T 1173—1995的标准拉伸试样。

表1 ZL114A铝合金的化学成分Table1 The chemical composition of ZL114A alloy%

1.2 试验方案

浇注的拉伸试样分为3组，分别命名为1号、2号、3号合金试样。分别采用a，b，c方案对3组试样在RJJ-36-6井式空气循环电阻炉中进行常规固溶和分级固溶热处理。固溶处理结束后，试样在40℃温水中进行淬火，最后统一在SX2-2.5-10型箱式电阻炉中进行时效处理，合金试样热处理工艺参数见表2。

热处理完后，采用CMT-5105微机控制万能材料试验机检测试样的抗拉强度和伸长率，用XJP-2C光学显微镜观察试样的显微组织，采用X-650型扫描电镜观察试样拉伸断口形貌，利用D/MAX-RA型X射线衍射仪对合金试样进行物相分析。

表2 试杆热处理工艺参数Table2 The heat treatment parameters of ZL114A alloy samples

2 试验结果及分析

2.1 固溶处理对合金性能的影响

对1号、2号、3号合金试样采用a，b，c等3种方案进行固溶处理，然后统一进行时效处理后，对合金试样进行室温拉伸、力学性能检测，结果如图1所示。

图1 不同固溶工艺下合金的力学性能Fig.1 Mechanical properties of ZL114A alloy in different solution treatments

从图1可以发现，采用常规固溶处理的1号合金试样抗拉强度σb仅为298 MPa，而一级分级固溶处理的2号合金试样抗拉强度σb达到315 MPa，二级分级固溶处理的3号合金试样抗拉强度σb达到335 MPa，分级固溶处理比常规固溶处理合金的抗拉强度值提高了6%～12%。对比3组合金试样的伸长率发现，1号合金试样的伸长率δ为3.5%，2号合金试样为3.8%，3号合金试样为4.0%，分级固溶处理比常规固溶处理合金的伸长率提高了8%～14%。分级固溶处理在300℃和450℃分别保温1 h，有利于强化相Mg2Si等充分地熔解到α-Al基体中，共晶硅熔断转化为颗粒状，采用分级固溶处理能有效地提高合金的力学性能。

2.2 固溶处理对合金组织的影晌

铸态和采用a，b，c等3种方案进行固溶处理并时效后合金试样的金相显微组织如图2所示。可以看出，ZL114A合金铸态组织主要由α-Al、片状的共晶Si、Mg2Si及杂质铁相等组成。试验样品未进行变质处理，共晶Si呈粗大的片状，分枝较少，试验结果与文献[5]基本一致。1号合金试样采用常规固溶处理，由于Mg2Si升温太快而未能较好地固溶进α-Al基体中，共晶Si由连续网状断开成球状，绝大多数Si相已熔断，但少量的粗大呈杆状Si相仍然存在。由于2号合金试样实行了在300℃保温1 h的阶梯升温，共晶硅开始部分转化为颗粒状或短棒状，以短棒状为主，Mg2Si数量大量减少。由于3号合金试样实行了在300℃和450℃分别保温1 h两级阶梯升温，共晶硅大部分转化为颗粒状，Mg2Si数量明显减少，固溶效果良好，各相分布也相对均匀。

图2 不同固溶处理合金试样的金相组织Fig.2 The microstructure of ZL114A alloy in different solution treatments

热处理后的1号、2号和3号合金试样的拉伸断口在透射电镜下的显微组织如图3所示。比较图3a，b，c可知，合金试样的断口均是由韧性断裂与脆性断裂组成的混合性断裂，常规固溶处理后的1号合金试样的拉伸断口有许多较大的解理面，晶粒比较粗大，韧窝少，呈脆性断裂[6]。采用一级分级固溶处理的2号合金试样存在较多细小的韧窝，和少量较小的解理面，塑性较好。采用二级分级固溶处理的3号合金试样则大、中、小韧窝并存，韧窝多且细小，该状态的合金具有良好的塑性且晶粒细小，呈韧性断裂[7－8]。

图3 不同固溶处理合金试样拉伸断口形貌Fig.3 The SEM microgrphs showing the fractured surface of ZL114A alloy in different solution treatments

热处理后的1号、2号和3号合金试样的X射线衍射物相分析结果如图4所示。发现ZL114A铝合金中的组织主要是由α-Al、共晶Si及Mg2Si相组成。采用常规固溶处理的1号合金试样晶界处的Mg2Si相含量较高，而采用分级固溶处理的2号和3号合金试样中Mg2Si相的含量开始大量减少。这是因为分级固溶处理实行了在300℃和450℃分别保温1 h的阶梯升温，使Mg2Si相能较好地在α-Al基体中固溶。

图4 不同固溶处理合金试样的X射线衍射图Fig.4 The XRD patterns of ZL114A alloy in different solution treatments

3 结语

1)300℃×1 h+450℃×1 h+535℃×12 h分级固溶处理及175℃ ×6 h时效后的ZL114A铝合金试样的屈服强度σb=335 MPa，伸长率δ=4.0%。

2)相对常规固溶处理，ZL114A铝合金试样经分级固溶处理后，共晶硅大部分转化为颗粒状，Mg2Si数量明显减少，具有良好的塑性且晶粒细小，固溶效果良好，各相分布也相对均匀。

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