固溶处理对Al-5.8Cu-0.6Mg-0.6Ag-0.3Nd 合金组织和力学性能的影响

田 哲 ，易丹青 ，刘会群 ，王 斌 ，涂晓萱 ，江 勇 ，唐 聪

(1. 中南大学 材料科学与工程学院，长沙 410083； 2. 中南大学 有色金属材料科学与工程教育部重点实验室，长沙 410083)

Al-Cu-Mg-Ag系铝合金具有优异的高温力学性能和耐损伤性能，可在200 ℃长期服役，作为耐热件被广泛应用于航空航天领域中。随着航空航天技术的发展，对耐热铝合金的服役温度提出了更高的要求，促使人们利用合金化开发一种新型高强耐热铝合金[1-3]。

肖代红等[4-6]通过研究发现：与传统的Al-Cu-Mg- Ag系铝合金相比，添加稀土元素的合金具有更好的室温和高温力学性能，可在250 ℃下长期服役，这是由于添加合适的稀土元素可以有效地抑制Ω相的生长速率，提高Ω相的形核密度和热稳定性。张新明等[7]研究Nd对2519 Al-Cu-Mg系铝合金组织与耐热性能的影响，表明Nd主要以稀土化合物Al8Cu4Nd的形式沿晶界分布，热稳定性强，高温下有效地阻碍基体的变形和晶界迁移。

Al-Cu-Mg-Ag-RE是一种典型的时效强化铝合 金[8]。固溶处理是为了使Cu、Mg、Ag和RE等元素溶入基体中[9]，获得较大的过饱和度，从而有利于合金的时效强化过程。影响固溶处理的两个重要参数为固溶温度和固溶时间。提高固溶温度能够促使更多的初生相溶解，但易导致晶界熔化、晶粒异常长大等危害；降低固溶温度将削弱固溶效果，从而降低时效强化[10]。同时，有研究表明，在2.5 h内，固溶时间对Al- Cu-Mg-Ag合金的组织和力学性能影响很小[11]。因此，从工程应用角度来说，有必要研究固溶处理制度，尤其是固溶温度对Al-Cu-Mg-Ag-RE合金性能的影响。

但是，目前针对Al-Cu-Mg-Ag-RE这一类新型高强耐热铝合金的固溶处理研究还鲜见报道。本文作者添加通过稀土元素Nd，旨在研究Al-5.8Cu-0.6Mg- 0.6Ag-0.3Nd合金固溶处理对组织和力学性能的影响，确定合金的最优固溶处理制度，提高其综合性能。

1 实验

实验所用合金由高纯Al (99.99%)、纯Mg (99.95%)、纯Ag(99.9%)、Al-50Cu、Al-10Mn、Al-5Zr、Al-5Ti及Al-20Nd中间合金等原料配比熔炼而成，铸锭规格为d 55 mm×230 mm，化学成分如表1所列。实验合金采用双级均匀化制度，(420 ℃、6 h)+(515 ℃、18 h)，然后将圆锭挤压成d10 mm规格的棒材，挤压温度为440 ℃，挤压速度为4 m/min，挤压比为30。挤压棒材采用5种固溶处理制度：510 ℃、2 h，515 ℃、2 h，520 ℃、2 h，525 ℃、2 h，530 ℃、2 h，固溶处理结束后立即水淬，随后进行185 ℃、7 h峰时效处理。

表1 实验合金的化学成分 Table1 Chemical composition of test alloys (mass fraction,%)

采用NETZSCH STA 449仪器对合金进行差热分析，升温速率为10 K/min。在MTS-810型试验机上测试合金的室温拉伸性能，拉伸速率为2 mm/min，每个结果取3个试样的平均值。采用POLYVER-MET金相显微镜观察阳极覆膜后的合金显微组织，覆膜液为25 g/L的氟硼酸，覆膜电压为18 V。采用Quanta 200扫描电镜观察合金中的第二相粒子和拉伸断口形貌。使用Image-Pro Plus软件统计扫描电镜照片中第二相的面密度和韧窝的平均尺寸。

2 结果与讨论

2.1 挤压态合金的热分析

图1所示为挤压态合金的热分析结果。在532.1℃和643.7 ℃时，合金发生明显的吸热反应。532.1 ℃对应的是合金中低熔点共晶组织的熔化，根据Al-Cu-Nd三元相图[12]可初步判断共晶组织由Al8Cu4Nd和Al2Cu两相组成。当固溶温度达到共晶转变温度时，低熔点共晶组织在晶界和晶内复熔，凝固后降低了过烧前组织的紧密程度，对合金的力学性能产生严重影响[13]。因此，本实验中在低于此温度下选择了5种固溶温度：510、515、520、525和530 ℃，固溶时间均为2 h。643.7 ℃对应的是合金基体的熔化温度。

图1 挤压态合金的DSC曲线 Fig.1 DSC curve of as-extruded alloy

2.2 挤压态合金的显微组织

图2 所示为挤压态合金的显微组织。由图2可知，大量具有不规则形状的粗大初生相和短棒状相沿挤压方向分布，同时在基体中均匀分布着细小点状相。根据能谱分析，具有不规则形状的粗大相为AlCuMgNd相，而短棒状相为AlCuFeMn相，表2所列为挤压态合金中初生相的能谱分析结果。

图2 挤压态合金的显微组织 Fig.2 Microstructures of as-extruded alloy: (a) At low magnification; (b) Enlargement image of (a)

表2 挤压态合金中初生相的能谱分析结果 Table2 EDX results of primary particles in as-extruded alloy shown in Fig.2(b)

图3 经过不同温度固溶处理2 h后合金的显微组织 Fig.3 Microstructures of solution treated alloys at different temperatures for 2 h: (a) 510 ℃; (b) 515 ℃; (c) 520 ℃; (d) 525 ℃; (e) 530 ℃; (f) 530 ℃

图3 所示为合金经过不同温度固溶处理后的显微 组织。由图3(a)~(e)可以看出，固溶处理后，大量均匀分布的细小点状相回溶基体，且随着固溶温度的升 高，粗大初生相的尺寸逐渐减小，数量逐渐减少。在530 ℃固溶2 h后，未溶相仍为AlCuMgNd相和AlCuFeMn相(见表3)。

表3 530 ℃、2 h固溶后合金中未溶相的能谱分析结果 Table3 EDX results of residual primary particles in alloy solution treated at 530 ℃ for 2 h shown in Fig.3(f)

图4所示为不同固溶处理条件下合金中初生相的面分布密度。由图4可知，随着固溶温度的升高，面分布密度逐渐减小，而当固溶温度继续增大时，面分布密度减小程度趋于平缓；当固溶温度高于525 ℃时，面分布密度基本不再变化，这说明在525 ℃固溶2 h和大部分可溶相均回溶至基体。当再提高固溶温 度时，仅微量的残余相回溶，但是，过高的固溶温度必然导致再结晶晶粒长大，不利于获得优异的综合性 能[14]。

图4 不同固溶处理条件下合金中初生相的面分布密度 Fig.4 Area distribution density of residual primary particles in alloys solution-treated under different conditions

2.3 固溶处理对固溶态合金组织和力学性能的影响

图5 所示为不同固溶处理条件下合金的显微组织。由图5(a)可知，在挤压态合金中，密集、细小的纤维状组织沿挤压方向分布。由图5(b)~(f)可知，固溶处理中合金发生再结晶，形成扁平状的再结晶晶粒，随着固溶温度的升高，再结晶晶粒的尺寸增大。

图6所示为不同固溶处理条件下合金的力学性能。合金的屈服强度随固溶温度的升高而降低，主要原因有两个方面：一方面，大量尺寸较大、不易变形的AlCuFeMn和AlCuMgNd颗粒等均匀地分布在基体中，因此，在塑性变形过程中位错只能以奥罗万机制绕过这些颗粒。经过510 ℃固溶处理后，这些粗大颗粒的溶解使颗粒间的距离增大，位错能够较容易地绕过这些颗粒，导致屈服强度降低；同时，随着固溶温度的升高，更多的粒子溶入到基体中，合金屈服强度进一步降低。另一方面，合金发生再结晶也导致屈服强度的降低。再结晶的程度主要依赖于挤压态合金中形变储能的多少，在挤压过程中，大部分能量转化为热量，尚有一部分能量以晶体缺陷的形式，如位错和堆垛层错等，保留在合金中，这些形变储能为再结晶提供驱动力。在固溶处理中，新的无畸变晶粒形核，通过消耗相邻亚晶界上的位错而长大，固溶温度由510 ℃升高到530 ℃时，再结晶过程中的形核率和长大速率都增大，位错密度急剧减小，削弱了加工硬化效应，降低位错运动的阻力，导致屈服强度下降，而且固溶温度的升高也促使晶粒长大，根据霍尔-配奇关系，粗大的再结晶晶粒不利于合金的强化。

图7所示为不同固溶处理条件下合金的断口形貌。由图7可以看出，所有试样的断口都由一些大小不等的圆形和椭圆形韧窝组成，这些韧窝分布均匀，表现为明显的韧性断裂特征。挤压态合金中韧窝的平均直径约为3 μm，随着固溶温度的升高，韧窝明显变大变深，在530 ℃固溶2 h后，韧窝的平均直径达到10 μm左右。不同固溶处理条件下断口形貌特征与图6中伸长率的变化相匹配。韧窝特征的形成机理为空洞聚集，即显微空洞形核、长大、集聚直至断裂。首先，材料内部分离形成空洞，在滑移的作用下空洞逐渐长大并与其他空洞连接在一起，形成了韧窝断口，合金的空洞主要在第二相颗粒处形成，一般在韧窝底部可以发现第二相颗粒脱离基体[15-16](见图7(e))。在固溶处理过程中，随着固溶温度的升高，第二相颗粒逐渐减少，降低空洞的形核点，阻碍了空洞的长大和聚集，提高了合金的塑性。

2.4 固溶处理对时效态合金组织和力学性能的影响

图8所示为不同固溶处理后再经(185 ℃，7 h)时效后合金的力学性能。由图8可知，随着固溶温度由510 ℃升高到525 ℃，合金的屈服强度由520 MPa提高到587 MPa；但随着固溶温度的继续升高，达到530 ℃时，合金屈服强度却有所降低，这主要是因为温度从525 ℃升高到530 ℃时，初生相并未进一步回溶，合金的过饱和度没有提高，因此，后续时效过程 不受影响，析出相的数量及尺寸没有发生明显变化，但是由温度升高引起的晶粒尺寸增大导致屈服强度有所降低。与屈服强度的变化规律相比，合金的伸长率呈现出相反的变化趋势。

图5 不同固溶处理条件下合金的显微组织 Fig.5 Microstructures of solution-treated alloys under different conditions: (a) As-extruded; (b) 510 ℃,2 h; (c) 515 ℃,2 h; (d) 520 ℃,2 h; (e) 525 ℃,2 h; (f) 530 ℃,2 h

图6 不同固溶处理条件下合金的力学性能 Fig.6 Mechanical properties of alloys solution-treated under different conditions

图9 所示为不同固溶处理条件下时效态合金的断口形貌。由图9可以看出，所有试样的断口都由一些大小不等的圆形和椭圆形的韧窝组成，这些韧窝分布均匀，表现为明显的韧性断裂特征。当固溶温度由510 ℃升高到525 ℃时，韧窝逐渐变小变浅，由最初平均直径约8 μm变为5 μm左右，在530 ℃固溶2 h后，韧窝的平均直径又增加到约6.5 μm。不同固溶处理条件下合金的断口形貌特征与图8中所示的伸长率的变化相匹配。

图7 不同固溶处理条件下合金的断口形貌 Fig.7 Fracture surface morphologies of alloys solution-treated under different conditions: (a) As-extruded; (b) 510 ℃,2 h; (c) 515 ℃,2 h; (d) 520 ℃,2 h; (e) 525 ℃,2 h; (f) 530 ℃,2 h

图8 不同固溶处理条件下时效态合金的力学性能 Fig.8 Mechanical properties of aged alloys solution-treated under different conditions

图10 (a)所示为不同固溶处理条件下固溶态、时效 态合金与挤压态合金抗拉强度的变化量。随着固溶温度的升高，固溶态合金的强度逐渐降低，时效态合金的强度以525 ℃分界，先升高后降低。众所周知，时效强化的效果取决于固溶态合金中合金元素的固溶程度，固溶程度越大，时效过程中析出的强化相越多，越有利于提高合金的强度。根据前面的实验结论，提高固溶温度使更多的初生相溶入基体，但达到525 ℃以后，更高的固溶温度没有使初生相进一步溶解，却加重了合金的软化程度，使时效态合金的强度下降。相比于强度的变化规律，合金的伸长率呈现出相反的趋势，如图10(b)所示。

图9 不同固溶处理条件下时效态合金的断口形貌 Fig.9 Fracture surface morphologies of aged alloys solution-treated under different conditions: (a) 510 ℃,2 h; (b) 515 ℃,2 h;(c) 520 ℃,2 h; (d) 525 ℃,2 h; (e) 530 ℃,2 h

图10 不同固溶处理条件下固溶态、时效态合金抗拉强度的变化量和伸长率的变化量 Fig.10 Variation values of tensile strength (a) and elongation (b) of alloys solution-treated under different conditions

根据上述分析讨论，可以得出合金的力学性能是固溶软化和时效强化的综合体现，图11所示为合金的抗拉强度和伸长率随固溶温度升高的变化趋势。由于固溶温度高于525 ℃后，没有更多的初生相回溶到基 体中，因此无法进一步提高合金的过饱和固溶程度，时效强化的效果没有明显增加，但是，由于发生再结晶及晶粒长大，合金的软化程度仍在加剧，在这两者的耦合作用下，可以得到两者综合影响的规律，进而确定合金的最优固溶温度为525 ℃，在此温度下，合金具有优异的力学性能。

图11 合金抗拉强度和伸长率随固溶温度的变化趋势 Fig.11 Variation trend of strength (a) and elongation (b) of aged alloy with solution temperature

3 结论

1) 当固溶温度由510 ℃升高到525 ℃，更多的初生相回溶至基体中；当固溶温度继续升至530 ℃时，则没有进一步的回溶。再结晶晶粒的尺寸随固溶温度的升高显著增大。这两个方面的共同作用导致合金产生固溶软化，随温度的升高，合金软化程度加剧。

2) 时效态合金的力学性能由时效强化和固溶软化共同影响。Al-5.8Cu-0.6Mg-0.6Ag-0.3Nd合金的最优固溶处理制度为(525 ℃，2 h)，经(525 ℃，2 h)+(185 ℃，7 h)峰时效处理后，合金的抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为608 MPa、587 MPa和10.4%。

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