低温变形对2A14铝合金组织性能影响

蒋 镪，易幼平，黄始全，黄建武

(中南大学机电工程学院，长沙 410083)

0 引言

为了满足航天运载器轻量化、高性能与高可靠发展，一般选用铝合金制造关键承力构件[1-2]。2A14铝合金属于Al-Cu-Mg-Si-Mn系锻造铝合金，具有较好的塑性、强度和良好的抗腐蚀性能、焊接性能，是舱段结构制造的首选材料[3-6]。目前2A14铝合金主要采用热加工成形工艺，热处理后合金中仍然存在粗大纤维组织和粗大第二相化合物富集，这将导致合金整体力学性能偏低，各向异性突出[7-9]。寻找一种新成形工艺来提升合金综合性能具有十分重要的意义。

低温变形协同热处理是提升2A14铝合金材料性能的一种重要工艺，国内外学者由此展开了相关研究。国外学者 Shahsavari等[10]、Hussain等[11]研究了低温轧制工艺，发现低温变形对晶粒动态回复有明显的抑制作用，基体积累高密度位错，合金性能得到改善。国内学者侯陇刚等[12]、王磊等[13]研究了超低温变形对7050铝合金组织性能的影响，发现合金在低温下表现出优异的塑性变形能力，随着变形量的增加，热处理后合金再结晶组织比例上升，晶粒细化效果显著，合金综合性能提高。何海林等[14]研究了第二相粒子对2219铝合金性能的影响，发现在低温变形对第二相的破碎效果显著，热处理后基体铜含量提高，第二相粒子尺寸更为细小，分布更加均匀，改善了合金的各向异性。

2A14铝合金在常温下的塑性较差，但在高温和超低温(-196℃)的条件下，合金塑性提高。在超低温变形条件下，晶粒的动态回复效应被抑制，积累的位错密度高，使得晶粒细化，材料性能提高[15-18]。超低温变形与热处理协同是调控材料微结构、获得高性能构件的关键，但目前对2A14铝合金在低温变形方向的研究较少。本文研究了低温变形与热处理协同新工艺对2A14组织性能的影响，得到了2A14铝合金在低温变形条件下的工艺参数，为铝合金的低温成形新工艺提供理论基础。

1 实验介绍

实验所用材料取自中南大学提供的2A14铝合金锻件，材料实际化学成分如表1所示。

表1 2A14铝合金实际化学成分

使用电火花线切割机从锻件中取出尺寸为80 mm(长)×80 mm(宽)×80 mm(高)的4块试样。任意取2块试样浸没于液氮环境中，待试样完全冷却至液氮温度(-196℃)，迅速将试样放至4 000 t锻压机下，以1 mm/s的速度沿试样高度方向下压，变形量分别为10%和20%。剩余两块试样不做任何处理，在室温下放置锻压机下，以1 mm/s的速度沿试样高度方向下压，变形量分别为10%和20%。

待4块试样都恢复至室温后，将试样统一进行固溶时效T6热处理。固溶制度为502℃×4 h，固溶完成后立即进行室温淬火，淬火转移时间小于5 s。淬火完成后，马上进行人工时效处理，时效制度为160℃×10h。时效处理完成后将试样取出，空冷至室温。

依据国标 GB/T 228.1—2010 规定将T6处理后的试样加工成室温拉伸样，在WDW-100A型拉伸实验机上进行拉伸实验，拉伸速率为2 mm/min。采用Phenom台式扫描电镜(SEM)观察第二相形貌，并进行拉伸试样的断口扫描分析。采用OLYMPUS DSX500型金相显微镜观察金相组织。将压缩变形后热处理之前的试样厚度磨至70～90 μm，取φ3 mm薄片，TEM试样采用电解双喷减薄仪制备，电解液为30%硝酸与70%甲醇的混合溶液，工作电流为60～90 mA,电压为11 V，温度为-25℃。采用FEI Titan G2 60-300型透射电子显微镜进行合金内部微结构测试，加速电压为300 kV。

2 实验结果与讨论

2.1 低温变形对2A14铝合金微结构的影响

图1为2A14铝合金在室温和超低温两种状态下变形后的TEM图像。如图1(a)所示，在室温下进行压缩，变形量为10%的时候，合金内部晶格畸变程度低，且大部分的合金形变以热能的形式释放；另一方面，合金在变形过程中发生动态回复，位错运动相消和重排作用使得位错密度降低，此时基体内部位错密度较低。如图1(c)所示，当增大变形量时，合金内部晶格畸变程度大大增加，增大变形量有利于提高基体内部位错密度。如图1(b)所示，当降低变形温度时，金属原子处于低能量状态，合金在变形过程中产生的的动态回复效应被极大地抑制，进而促进基体内部形成高密度位错；与此同时，合金内部位错运动阻力急剧上升，当位错运动遇到第二相粒子、晶界等障碍，出现位错塞积现象。所以降低变形温度有利于位错的积累。如图1(d)所示，在降低变形温度的同时，增大变形量；基体位错密度达到最大，位错缠结并形成位错胞；高密度的缠结位错构成亚晶的胞壁，其内部位错密度较低。

综上所述，在超低温、变形量大的条件下，更有利于合金内部产生高密度位错，并储存更多的能量，为接下来热处理过程中的再结晶晶粒细化、等轴化提供形核点和长大驱动力。

(a)室温变形10%

(b)超低温变形10%

(c)室温变形20%

(d)超低温变形20%图1 不同变形工艺下的2A14铝合金TEM组织Fig.1 TEM images of 2A14 aluminum alloy under different deformation processes

2.2 低温变形协同热处理对2A14铝合金微观组织影响

图2为2A14铝合金压缩变形后再经T6热处理的第二相组织。为了定量分析室温和超低温变形对第二相组织的影响，采用Image-ProPlus6.0软件对合金第二相粒子数据进行统计分析并计算，在图2(a)(b)(c)(d)中，第二相化合物在Al基体中所占面积分数分别为5.31%,1.65%,7.26%,0.91%。在室温条件下，铝基体的变形抗力较小，压缩变形对粗大第二相化合物的破碎效果有限，在室温变形后经过固溶处理，合金局部仍然存在粗大化合物富集，分别为Al2Cu(图2(a)中白色相)、AlCuMgSi以及AlCuMnFeSi杂质相(图2(a)中灰色相)。在超低温压缩条件下，基体位错密度更高。在固溶过程中高密度位错为第二相化合物提供溶解通道，使得第二相化合物更多地溶入基体，随后分散得也更为均匀。随着压缩变形量从10%增加到20%，第二相化合物所占面积分数降低了44.85%(从1.65%减少到0.91%)，这是由于在变形量增大的情况下，位错密度更高，能够更好地促进第二相化合物的溶解。

图3为2A14铝合金压缩变形后再经T6热处理的金相组织。如图3(a)所示，单向压缩变形使得整体晶粒明显沿垂直于压缩的方向被拉长，呈现出大量粗大纤维状组织，这将导致合金各向异性突出，整体力学性能偏低。如图3(a)(b)所示，当降低变形温度时，平均晶粒尺寸由88 μm减小到65 μm。如图3(a)(c)所示，一方面，当增大压缩变形量时，平均晶粒尺寸由88 μm减小到56 μm，这是因为降低变形温度能够明显抑制晶粒的动态回复；另一方面，降低变形温度和增大变形量都将使基体累积更高的位错密度，增大变形存储能，增加固溶过程中的静态再结晶形核点，为再结晶晶粒长大提供驱动力。如图3(d)所示，在降低变形温度的同时，增大压缩变形量，细化效果最显著，再结晶组织比例最高，平均晶粒尺寸为42 μm，晶粒等轴化趋势明显，均匀性大大提高。

(a)室温压缩10%

(b)超低温压缩10%

(c)室温压缩20%

(d)超低温压缩20%图2 T6热处理后2A14铝合金SEM组织Fig.2 SEM images of 2A14 aluminum alloy after T6 heat treatment

(a)室温压缩10%

(b)超低温压缩10%

(c)室温压缩20%

(d)超低温压缩20%图3 T6热处理后2A14铝合金金相组织Fig.3 Metallographic structure of 2A14 aluminum alloy after T6 heat treatment

2.3 低温变形协同热处理对2A14铝合金力学性能与断裂行为的影响

图4为2A14铝合金单向压缩再经T6热处理后的三向力学性能。如图4所示，取试样宽向性能进行分析，降低变形温度，2A14综合力学性能显著提高。超低温压缩10%的抗拉强度为458.5 MPa,屈服强度为392.5 MPa，延伸率为11.4%，与常温压缩10%试样相比，提升幅度分别为1.7%,5.5%,62.9%。在超低温条件下，增大变形量至20%，综合力学性能进一步改善，抗拉强度为474.5 MPa,屈服强度为426.5 MPa，延伸率为11.6%，与超低温压缩10%相比，提升幅度分别为3.5%,8.7%,1.8%。由图3可知，在超低温压缩20%条件下，平均晶粒尺寸最小。当合金发生受到外力时，塑性形变可以均匀地分散到更多细小晶粒内部，大大降低应力集中程度。

平均晶粒尺寸越小，晶界面积总和就越大，晶界越曲折，不利于裂纹的扩展，这将大大提高材料的综合力学性能。在外力的作用下，合金很容易在粗大第二相处产生应力集中，萌生裂纹源。由图2可知，在超低温压缩20%条件下，第二相化合物尺寸最小，且分布最为均匀，这将大大提高合金的塑性。室温压缩20%的试样性能最差，抗拉强度为428.5 MPa，屈服强度为335.5 MPa，延伸率为7.03%。在室温压缩与热处理协同作用下，基体中第二相化合物呈现出粗大连续的网状结构，这大大降低合金的塑性。此外，单向压缩变形量20%已接近该状态下极限变形量(合金压缩变形量为30%将会开裂)，合金内部产生缺陷，使得合金整体综合力学性能偏低。

为了研究低温压缩变形对2A14铝合金各向异性的影响，分别计算不同变形条件下合金长宽高三向力学性能的总体方差σ2

式中,σ2为总体方差，X为三向力学性能，μ为三向力学性能平均值，N取3。室温压缩10%、室温压缩20%、超低温压缩10%、超低温压缩20%的三向抗拉强度总体方差分别为10.6，35.6，2.1，5.6，三向屈服强度总体方差分别为135.6,329.3,2.1,51.58。总体标准偏差σ的物理意义是表征出数据分散程度。σ越小，则整体数据离散程度越低，说明三向力学性能越接近。所以超低温压缩变形工艺较室温压缩变形工艺而言，能够大大降低合金的各向异性。

图5为T6热处理后2A14铝合金拉伸样轴向断口扫描组织。由图5可知，断裂方式主要为穿晶断裂(表面粗糙部分)和沿晶断裂(表面光滑部分)的混合断裂模式。如图5(a)(c)所示，在室温压缩条件下，断裂方式主要以穿晶断裂为主(约占比80%)。在穿晶断裂的部位存在大量粗大第二相粒子(主要为Al2Cu粒子)，在合金受到外力时，容易在粗大粒子附近引起应力集中，加速材料断裂，导致合金整体性能偏低。如图5(b)(d)所示，在超低温压缩条件下，沿晶断裂占比大幅度上升(分别为约40%,60%)。这是因为在T6热处理后，第二相的占比大大降低，且在基体中分布更为均匀，此时合金表现为整体塑性提高。

图4 T6热处理后2A14铝合金力学性能Fig.4 Mechanical properties of 2A14 aluminum alloy after T6 heat treatment

(a)室温压缩10%

(b)超低温压缩10%

(c)室温压缩10%

(d)超低温压缩20%图5 T6热处理后2A14铝合金宽向断口SEM图像Fig.5 TEM images of 2A14 aluminum alloy after different T6 heat treatment

3 结论

1)在超低温压缩条件下，基体积累的位错密度更高，粗大第二相粒子的破碎效果更明显。在T6热处理过程中，高密度位错促进大量第二相粒子溶解，大大改善了2A14铝合金的塑性。

2)相较于室温压缩，超低温压缩工艺对晶粒的细化效果更为显著。在超低温压缩20%的条件下，平均晶粒尺寸显著降低，约为56 μm。

3)相较于室温压缩，超低温压缩工艺能够大幅度提高2A14铝合金的综合力学性能并减小合金材料的各向异性。在超低温压缩20%的条件下，材料综合力学性能显著提高。抗拉强度为474.5 MPa,屈服强度为426.5 MPa，延伸率为11.6%。