热变形方式对2D70铝合金组织与性能的影响

朱国锋

摘 要：利用光学显微镜、力学性能测试和投射电镜对分别对合金棒材锻造过程中的组织和进行热处理过程中的组织进行观察，对两种情况下的合金组织进行对比观察。结果表明，强变形工艺所获得的合金组织相对常规变形方式的均匀且各类第二相分布合理；合金棒材抗过时效能力在195℃人工时效阶段更具优越性，2D70合金热稳定性相对较好。

关键词：耐热铝合金；强变形；锻造；组织变化

引言

2D70铝合金属于耐热铝合金，这种铝合金强度高、具有耐高温性能，是可热处理强化合金，有着良好的综合性能，广泛应用于航空航天领域。对于军用飞机的中央地板、接头肋、横梁和框板飞机的翼梁等部件，往往是用2D70铝合金制造的。2D70合金是降低Si元素含量形成的，同时加入A19FeNi的Fe和Ni等能形成稳定金属间化合物。2D70铝合金在常温下与普通合金的强度相差无几，但是在高温下的强度却比普通合金高很多，具有良好的工艺性能，2D70铝合金主要用于制造需要耐高温的机械零件，温度大约为150℃到250℃之间。随着我国航空航天事业的飞速发展，我国对于耐热合金的改进也提出了新的要求。世界对于2D70合金的研究相对较少，尤其是热变形方式对于2D70合金影响的研究更是很少。本实验旨通过研究2D70耐热铝合金在锻造过程中和热变形过程中微观组织、力学性能的变化，以此作为热变形工艺优化的实验及理论基础。

1 实验方法

实验用2D70铝合金制成的合金棒材作为实验品，如表1所示。首先对合金棒材进行锻造，随后对锻造后的合金棒材进行了热变形加工和常规变形加工，使合金棒材中大量可溶非平衡共晶得到了最大限度的消耗。在此基础上进行固溶处理，固溶制度所采用的是540℃×2.5h，完成后进行淬火处置，为了准确探究热变形方式对合金棒材锻造过程中组织性能的影响，实验采用不同的热变形方式。选取1/3半径处作为最具代表性的方式，进行横纵截面合金组织进行对比并分析不同固溶态和变形态材料的差异性，从而进行比较研究。用JEM-2011型电镜进行高分辨透射电镜的观察。表1为实验合金化学分析结果。

表1 合金化学成分分析

2 结果与讨论

2.1 2D70棒材在锻造过程中的组织分析

耐热系合金化学组成、相组成都是比较复杂的，从合金棒材锻造过程中扫描电镜相片可以看出，2D70合金作为一种耐热性合金也是一种较为复杂的合金，该合金中有大量的低熔点、非平衡共晶相，除此之外还有较多尺寸较大的条状及块状相的存在。该合金在锻造过程中，出现冷却速度较大的非平衡凝固过程。高温一次析出相为Al9FeNi，Al7Cu4Ni和Al7Cu2Fe相首先析出，低于固相线后，在一定的异质核心周围的随着熔体温度的降低发生凝固析出。蜂窝状的共晶组织最为典型，化学成分计量与Al2CuMg相较为接近，其中，Cu，Fe，N元素没有Mg元素的分布均匀，存在严重偏析。共晶相、块状相中Cu元素大量存在，Fe主要分布在块状相以及条状相当中。从合金中衍射花样图谱以及典型析出相的形貌分析结果来看，大量块状相为Al9FeNi相，条状相为Al7Cu4Ni相，可以确定的是合金共晶组织中黑色部分为Al2CuMg/Al2Cu，这与SEM分析结果是一致。其中晶格常数为a=0.8574nm，b=0.9001nm，c=0.8601nm的是Al9FeNi相为单斜结构。按照理想情况，2D70合金中主要是Fe、Ni与铝形成Al9FeNi三元相，其中Fe，Ni元素按照1∶1比例添加最为合适。这种组织相因其热稳定性相对较好，所以对于合金的强度有着显著提高，尤其是在高温下，耐热性能也得到显著提升。如果Fe或Ni偏析，则因为出现局部“过剩”的Fe或Ni而相应地形成Al7Cu2Fe或Al7Cu4Ni相两种脆性相，因此使得使合金的力学性能降低。

2.2 热变形工艺对合金棒材组织的影响

通过实验我们可以观察到常规变形方式形成的棒材与强变形方式形成的棒材的锻造态和均匀化状态。通过透射电镜我们观察到：常规变形方式的棒材的均匀度不如强变形方式的棒材，常规变形方式的棒材的状态是有一定程度的破裂，分布不均，棒材的形态有着很大的差异。从横纵截面的观察中看到局部发生了团簇现象。而由强变形方式制成的棒材在透射电镜中呈现的是网状型晶体分布，晶体之间的网状较细，分布均匀。晶粒尺寸的为大约为100-490μm之间，晶粒之间有大量的混色和黑色混杂的共生相。棒材组织中，在晶体分布的晶界处，低熔点化合物发生了回熔的情况，虽然我们可以看到第二相在合金棒材中还是大量的存在着，但是共晶体的数量相对于之前而言却是减少的，而剩余存在在合金棒材中的第二相大多为高熔点的Al9FeNi、Al7Cu4Ni结晶相等。观察强变形方式棒材的均匀化态，我们可以看出晶体内元素的分布是不均匀的并且还存在羽毛状相。由此可见，对于这种情况需要进行处理，通过一定的均匀化处理来是不均匀的晶体元素分布达到相对均匀化，使棒材在冷却时的内应力得到有效的降低。通过两种方式的棒材的锻造态和均匀化处理后的状态观察，强变形方式的棒材相对常规变形方式的铸锭具有明显的优势。两种工艺对合金棒材变形态和固溶态组织都有着相似的影响，但是比较而言，热变形工艺还是具有相对的有利点。

3 结束语

（1）常规变形方式与强变形方式相比较而言，强变形方式对2D70的强度影响较大，强变形方式可以提高2D70铝合金的强度。通过实验，2D70铝合金在强变形方式的处理之下，在195℃高温处理之下，它的极限抗压能力得到相应的提升，屈服强度也得到增强具有更强的抗过时效能力，所以，热变形工艺可以使2D70铝合金的强度得到有效的增强，对于锻造强度较大的机械品有很大的优势。

（2）2D70铝合金第二相组织形态受到变形方式的影响。常规变形方式与强变形方式向比较，强变形方式制成的棒材相对均匀，第二相不易发生变化。而常规变形方式制成的棒材的组织分布不均，2D70铝合金的第二相容易受到影响而发生变化。

参考文献

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