Mn对Al-Cu-Mg铝合金时效硬化的影响

陈　娟， 吴安如，2，马红亮，覃　波,2，董丽君,2

(1. 湖南工程学院 机械工程学院，湘潭 411101；2. 湖南省风电装备与电能变换协同创新中心，湘潭 411101；3.湖南江滨机器(集团)有限责任公司，湘潭 411105 )



Mn对Al-Cu-Mg铝合金时效硬化的影响

陈娟1， 吴安如1，2，马红亮3，覃波1,2，董丽君1,2

(1. 湖南工程学院 机械工程学院，湘潭 411101；2. 湖南省风电装备与电能变换协同创新中心，湘潭 411101；3.湖南江滨机器(集团)有限责任公司，湘潭 411105 )

改变Al-Cu-Mg-Mn合金中Mn含量并采取适当的热处理工艺，用微观分析方法结合力学性能试验结果，研究了Mn含量及热处理工艺对Al-Cu-Mg合金力学性能的影响.结果表明：Mn对Al-Cu-Mg合金的时效硬化行为有影响，当Mn含量为0.18%时，Al-Cu-Mg-Mn合金的时效硬化效果不明显；当Mn含量为0.29%时，合金的时效硬化效果最佳，峰值硬度为126HV；继续提高Mn含量，时效硬化峰下降；适量Mn有利于提高不稳定过渡相θ′的热稳定性；随着试验合金中Mn含量的增加，合金的时效硬化响应速度加快，缩短了到达峰值的时效时间.

Mn；Al-Cu-Mg-Mn合金；热处理；峰值时效

0　引　言

锰是变形铝合金中的重要合金元素之一，虽然可以单独加入形成二元Al-Mn合金，但与其他合金元素一起加入对合金的性能影响更大，如在Al-Cu-Mg合金系列中加入Mn，形成Al-Cu-Mg-Mn合金能形成两个主要强化相：θ(Al2Cu)相和S(Al2CuMg)相，其中S的过渡相强化效果最好，且具有一定的耐热性；θ的过渡相强化效果次之，合金中同时存在S相和θ相的过渡相，强化效果能达到最佳.Al-Cu-Mg系合金加入锰后，可以改善过渡相的大小、分布从而改善合金的性能.但锰含量不宜过高(≤1%为宜)，否则形成粗大的AlxMn(X=12,8,4等)化合物，降低合金的塑性[1-4].Al-Cu-Mg-Mn属于新型轻质高强合金，本文拟在原Al-Cu-Mg合金基础上，通过改变Mn含量，观察其组织变化及性能响应，研究Mn元素及固溶-时效工艺对Al-Cu-Mg-Mn试验合金力学性能的影响.

1　试验方案及试验过程

1.1合金制备及成分分析

熔炼合金所用原料为高纯Al(重量百分比为99.99%)，纯Mg(重量百分比为99.9%)，重量百分比为50%Cu的Al-Cu中间合金，重量百分比为6.7%Mn的Al-Mn中间合金，重量百分比为4.57%Zr的Mg-Zr中间合金，重量百分比为4.8%Ti、1.12%B的Al-Ti-B中间合金.采用电阻炉按以下规范进行熔炼浇铸.具体步骤为：原料烘干处理，加Al和覆盖剂(成分为50%KCl+50%NaCl)于石墨坩埚并升温至780 ℃，待其熔化后，依次加入Al-Cu中间合金、Al-Mn中间合金、Al-Zr中间合金，并再次加入覆盖剂，完全熔化后，加入Al-Ti-B中间合金和纯Mg，为防止Mg的燃烧，加Mg块时需用钟罩将其压入熔池底部待其完全熔化后再慢慢取出钟罩，用C6Cl6除气精炼两次后充分搅拌、扒渣静置5～10min，待其冷却至740 ℃将合金液浇入预热过的(尺寸为：长×宽×高=100mm×100mm×25mm)的长方形铸铁模具中，对铸锭进行化学成分分析结果如表1所示.将铸锭均匀化退火处理、切削铣面后在电阻炉中加热至460 ℃，保温2h，热轧至6mm，热轧后样品再经430 ℃×2h的中间退火，随后冷轧.冷轧后板材最终厚度为3.0mm，冷轧压下量大小依次为：6.0mm→5.0mm→4.0mm→3.0mm.

表1　试验合金化学成分　wt%

1.2固溶-时效处理

固溶处理：将冷轧后的板材按照规范加工成标准拉伸试样，对试样进行固溶处理.固溶处理工艺为：525 ℃/1.5h水冷、随后立即进行人工时效，温度为140 ℃、165 ℃、190 ℃，时效时间为6h、9h、12h、15h、20h.

1.3X-Ray衍射分析

用X-Ray衍射方法对试样进行物相鉴定，以判断试验合金在固溶-时效前后相变情况及物相构成.衍射试验使用XD-98粉末射线衍射仪.以Cu-Kɑ辐射及入射波长λ为1.54051 Å、加速电压40kV和电流40mA等参数，使用步进扫描及扫描步长为0.04°.

1.4力学性能试验

1.4.1小负荷维氏硬度测试

将试样磨光后再进行机械抛光.采用TAS-100超显微硬度测试组件和MICRODUROMAT-4000金相数字成像系统进行硬度试验.具体参数为：选择标准压头，载荷/保压时间为：50g/10s.

1.4.2拉伸力学性能试验

按照GB/T16865-97，试验在CSS-41100万能材料拉伸试验机上实验，拉伸速度为2mm/min，测定3个试样取其平均值，测定或计算试验板材的σb、σ0.2及伸长率δ.

1.5微观组织观察

将试验合金在铸态、轧制态及固溶-时效后的试样采用金相(OM)、扫描电镜(SEM)及透射电镜(TEM)进行组织观察与微区能谱成分分析，分析合金在各种状态的微观组织形貌、相组成物及形貌、大

小、分布，研究合金在凝固、变形和时效过程中的相变规律，揭示试验合金微观组织与力学性能之间的内在关系.

2　实验结果及分析

2.1试验合金中Mn与Al的作用

图1为3#号试验合金样品在铸态下的X射线衍射图.虽然合金中添加的Mn含量为0.44%，由于大部分的Mn都固溶在α-Al基体中，未发现单独存在的含Mn相.

图1　3#试验合金铸态的X射线衍射图谱

图2中为3#号试验合金铸态组织的SEM形貌及能谱分析结果，晶界及晶粒内部可见白色相块状相，通过能谱分析并结合X-Ray衍射，白色相中含有Al、Cu、Mn三种元素，根据能谱图及X-ray衍射结果可知，这种白色相为Al2Cu相，亦或微量的AlCuMn相[4-5].

图2　3#试验合金的SEM 形貌及能谱分析结果

2.2金相组织

图3是三种试验合金铸态金相组织，其中1#合金的铸态枝晶网胞尺寸较粗大(如图3 (a)所示)；2#的铸态枝晶网胞特征不再明显，晶粒尺寸也变得较细小(如图3 (b)所示)；3#合金(如图3 (c)所示)与2#晶粒大小相类似，但晶界变得更加清晰、胞状特征消失.可见Mn对Al-Cu-Mg-Mn试验合金铸态晶粒有细化作用并有净化晶界的作用.这是由于合金中加了少量锰后，形成了富锰化合物，在结晶过程中被推至枝晶间或晶界处.当锰含量适中时，这些富锰相主要聚集在液-固界面液相中，导致成分过冷增大，增加结晶驱动力，使组织细化；凝固后能起到阻碍基体晶粒的长大并减缓晶界原子的扩散等作用[6-8].

(a) 1#合金，0.18%Mn； (b) 2#合金，0.29%Mn； (c) 3#合金，0.44%Mn图3　试验合金的铸态组织

图4是三种试验合金在525 ℃/1.5h固溶、165 ℃时效的时效时间-硬度曲线.由图可见，三种合金均表现出了明显的时效硬化效应，每条曲线都有欠时效、峰值和过时效三个阶段.其中3#合金到达时效硬化峰值时间最短.当Mn含量为0.29% 时，峰值达到126HV，合金到达峰值时效所需的时间随Mn含量的增加而减少，1#合金达到峰值时效所需时间大约为12h；2#合金大约为9h；3#合金达到峰值时效所需时间缩短为大约6h.

图4　试验合金在165 ℃下的时效硬度曲线

三种试验合金轧制板材经525 ℃/1.5h固溶及165 ℃/9h时效处理后的金相组织如图5 所示.合金经固溶时效后，晶粒均为再结晶晶粒组织，Mn含量为0.18% 的1#合金(如图5(a)所示)的组织为较粗大的扁平状晶粒，2#合金(Mn含量为0.29 %)基体较为细小(如图5(b)所示)，这是由于Mn与Al、Cu形成未溶的Al2Cu或AlCuMn等的化合物钉扎了晶界，阻碍了晶粒的长大，3#合金(0.44%Mn)为未完全再结晶组织，化合物沿晶界分布，未溶相在塑性加工过程中被破碎沿轧向分布，呈纤维状分布(如图5(c)所示)，三种合金中，未溶相的数量随Mn含量的增加而逐渐增加，尺寸亦有所增大.随Mn含量的增加，Al-Cu-Mg-Mn合金的再结晶晶粒得以细化，晶粒沿轧向呈扁平状分布，可能是由于Mn具有细化Al-Cu-Mg系铝合金再结晶晶粒的作用，从而阻碍合金固溶处理过程中发生再结晶.同时，由于Mn在铝合金中的扩散系数较小，溶入α(Al)中会降低合金元素的自扩散系数，提高了扩散激活能，导致再结晶温度升高而抑制了合金变形后再结晶的发生.

(a)1#合金; (b)2#合金; (c)3#合金图5　试验合金在峰值时效时的金相组织

三种试验合金在525 ℃/1.5h固溶、165 ℃/9h时效态的TEM分析如图6合金中 θ′ 相呈薄的盘片状，因 θ′ 相惯析面为{100}，故沿{100}晶面族2个面上的片状析出物相互垂直[9].

2#合金合金达到峰值时效的时间为9h，由图6(a)、图6(d) 可见，1#合金由于未达到时效峰值时间，晶界、晶内虽然普遍脱溶，晶内也析出了大量细小而弥散的 θ′ 相，晶界析出的 θ(或θ′) 相呈链状分布，但无析出带较宽.如图6(b)、图6(e) 的2#合金为峰值时效，晶内及晶界沉淀相的分布与1#号合金虽然相似，但时效析出的 θ′ 相的数量增加，析出相的尺寸变得细小.无论是时效峰值还是欠时效，过渡相θ′ 与基体部分共格[9，10]，强化效果最为理想，达到合适的时效时间时，性能最佳.3#合金(如图6(c)、图6(f)所示)析出的 θ′ 相由于Mn含量的增加而粗化了，晶界无析出带消失，合金强度降低，出现了过时效现象.

三种合金都随着时效过程的进行，先形成θ′相.θ′相与基体部分共格，随着θ′相数量的增加，θ″相数量减少，析出质点逐渐长大，共格效应慢慢消失，合金进入过时效状态.在时效后期，θ′相完全从固溶体中脱溶，形成稳定的θ相.θ相与基体不共格，如果继续时效，θ相将聚集长大，使合金的强度和硬度都下降.

试验合金的时效硬化是因由于固溶处理后，基体中溶入了大量的Cu，在随后时效过程中，过饱和固溶体中的Cu原子以一定的速度扩散并与Al结合而发生沉淀，形成不同状态的沉淀物，使得合金得到不同程度强化[9-11].时效过程中，Cu原子与Al结合沉淀的过程为：G.P(Ⅰ)区→ θ″ [G.P(Ⅱ)区]→θ′(AlxCu)→θ(Al2Cu)[12,13]，在整个沉淀过程中，GP区的形成使合金的硬度逐渐升高，而平衡相(Al2Cu)的形成则使合金的硬度降低，GP区的形成越容易，则时效达到最高硬度的时间越短，平衡相(Al2Cu)形成过程也越短.试验合金中加入适量的Mn，有抑制GP区形成的作用，促进了θ′(AlxCu)析出，因而使合金的时效硬度效应提高，合金的峰值时效提前(见图4)，当合金中添加Mn含量为0.29%时，合金的峰值时效缩短了3h.这与文献[13-17]的研究结果相一致.

(a)and(d)1#合金; (b)and(e)2#合金; (c) and (f)3#合金图6　试验合金9小时时效的TEM照片

3　结　论

(1)合金元素Mn影响了Al-Cu-Mg-Mn合金的时效硬化行为，当Mn含量为0.18%时，1#号试验合金的时效硬化效果不明显；当Mn含量达到0.29%时，合金的时效硬化效果最大，峰值硬度为126HV；当Mn含量为0.44%时，合金时效硬化效果下降.故适量的Mn有利于提高θ′相的热稳定性.

(2)透射电镜观察表明，试验合金在峰值时效时，微观组织特征为：晶内析出大量细小均匀分布的θ′相，盘片状的θ′相互相呈90°夹角，晶界则析出细小的θ相，晶界无析出带较窄.

(3)525 ℃/1.5h固溶处理+9h时效后，含Mn量较低的1#合金呈现欠时效状态，析出的过渡相数量不足以使合金达到最佳强化状态，晶界无析出带较宽，是基体强化的“短板”；含Mn量为0.29的2#合金呈峰值时效状态，析出相数量多、分布弥散，晶界无析出带变窄，“短板”现象消失；含Mn量较多的3#合金呈过时效状态，晶界无析出带消失，析出相长大，强化效果下降.

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EffectofMnonAgeHardeningofAl-Cu-MgAluminumAlloy

CHENJuan1,WUAn-ru1,2,MAHong-liang3,QINBo1,2,DONGLi-jun1,2

(1.CollegeofMechanicalEngineering,HunanInstituteofEngineering，Xiangtan411101,China；2.HunanProvinceCoopperativeInnovationCenterforWindpowerEquipmentandEnergyConversion，Xiangtan411101,China;3.HunanJiangbinMachinery(Group)Co,Ltd，Xiangtan411105,China)

ChangingofMncontentinAl-Cu-Mgalloy,takingthecorrespondingheattreatmentprocessandusingmicroscopicanalysiscombinedwiththetestresultsofmechanicalproperties,theeffectofMncontentandheattreatmentonthemechanicalpropertiesofAl-Cu-Mgalloyisstudied.TheresultsshowthatMnaffectstheaginghardeningbehaviorofAl-Cu-Mg-Mnalloy.WhenthecontentofMnis0.18%,thehardeningeffectofAl-Cu-Mg-Mnalloyisweak.WhenthecontentofMnis0.29%,thealloyachievesthebesthardeningresultsandthepeakhardnessis126HV.ByimprovingthecontentofMn,thehardnessvaluedeclines.TheproperamountofMncanimprovethethermalstabilityoftheθ′phase.WiththeincreaseofMncontentinAl-Cu-Mg-Mnalloy,theresponsespeedofagehardeningisacceleratedandthetimeofthehardnessvalueforthetoppointisshortened.

Mn;Al-Cu-Mg-Mnalloy;heattreatment;agehardeningpeak

2015-09-02

湖南省科技厅科研资助项目(2012FJ3032)；湖南省高校重点实验室(长沙理工大学)开放基金资助项目 (2012KFJJ0).

陈娟(1993-),女，硕士研究生，研究方向：有色金属合金.

TG166

A

1671-119X(2016)01-0028-05