Al-Cu-Mn 合金铸锭均匀化工艺及组织性能分析

吴 楠， 祝 哮， 杨 路， 赵 鑫， 张 宇， 冯艳飞

（营口忠旺铝业有限公司，辽宁 营口 115000）

2219 合金是Al-Cu-Mn 系应用最为广泛的合金，属于高强高韧铝合金[1]，机械加工性能良好，高低温性能优异，被广泛应用于航空航天领域[2]。在工业生产中，2219 合金在半连续铸造过程中冷却速度快，凝固后的铸态组织会偏离平衡状态，在晶界和枝晶界上存在非平衡组织，导致枝晶偏析，降低了合金的塑性和抗蚀性，影响后续的加工成型性及应用。铸锭通过均匀化处理，达到减少和消除枝晶偏析及晶界和枝晶界上非平衡共晶相和非平衡其他相的目的，从而提高合金的塑性以及组织和化学稳定性[3]。

目前对2219 合金的研究主要集中于焊接[4-6]、形变热处理以及铸造工艺的研究[7-9]，对单级均匀化组织和性能研究较少。本文通过热力学计算模拟方法优化2219 合金均匀化制度，采用显微组织观察、能谱及电导率分析等手段，系统性地研究铸态与均匀化态微观组织和电导率性能，为铸锭的后续挤压加工提供良好的技术基础。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

本试验选用2219 合金，合金成分如表1 所示。试验铸锭规格为φ582 mm×700 mm。采用直接水冷半连续铸造，铸造之前在引锭头铺满铝屑（假底），铸造过程中采用精炼剂、氩气进行熔体精炼处理，铸造温度为720 ～740 °C，速度为25 mm/min，水流量控制在10～12 m3/h 之间，收尾阶段进行回火处理。

表 1 2219 合金化学成分Tab.1 Chemical composition of 2219 alloy

1.2 试验方法

分别在铸锭横截面的边部、1/2 半径（R）及心部切取试样进行微观组织结构观察分析。使用Keller 试剂进行腐蚀处理，腐蚀时间为15 s。采用光学金相显微镜进行金相显微组织观察，之后进行阳极覆膜，在偏光下观察高倍晶粒组织。使用配有能谱分析系统的扫描电子显微镜（scanning electron microscope, SEM）分析枝晶组织溶解情况以及第二相的尺寸、分布形态。此次均匀化热处理制度设定为525 °C×22 h。

2 试验结果及分析

2.1 拟计算结果分析

通过热力学相图模拟计算，对2219 合金相组成进行数值模拟计算分析。图1 为Al-6.0Cu-0.35Mn-0.15Fe-0.1Si 合金在理想状态下相组成与温度关系曲线。由图1 可以看出，理想状态下合金由Al2Cu、Al6Mn、Al7Cu2Fe （Al7Cu2M）、Al20Cu2Mn3、α-固溶体组成。

图 1 理想状态下2219 合金相组成与温度关系Fig.1 Relationship between phase composition and temperature of 2219 alloy under ideal conditions

图2 为2219 合金元在均匀化过程元素含量分布图。从图2（a）中可看出：在开始阶段，铸态下Cu 元素在晶界上聚集，晶内含量相对较少，含量最高处与含量最低处差值达45.00%，Mn 元素存在着轻微偏析，其含量差值为0.45%；均匀化过程结束时，合金元素成分偏析基本消除，各元素分布均匀。

2.2 微观组织分析

图3 为合金不同位置晶粒图。由图3 可以看出，晶粒内部的枝晶呈网胞状结构，其中边部晶粒最为细小，且分布均匀。合金中晶粒大小为：边部＜1/2R 处＜心部。不同区域晶粒尺寸不一致是由于边部冷却速度快，冷却强度大，过冷度大，形核率大，晶粒尺寸小；心部冷却强度小，热量扩散慢，晶粒长大时间充分，因而边部晶粒较均匀细小，心部晶粒较大。

在直接水冷半连续铸造过程中，较高的冷却强度引起溶质浓度过低和温度过冷，凝固后的铸态组织偏离平衡状态，在晶界和枝晶界上存在着非平衡脆性结晶相，晶内成分分布不均[10]。如图4 所示，基体α-固溶体呈树枝状，枝晶网络密集，存在严重枝晶偏析，晶界和枝晶界上存在非平衡相，枝晶臂间距从心部到边部逐渐减小。

图 2 成分偏析的模拟分析Fig.2 Simulated analysis of component segregation

图 3 不同位置晶粒图Fig. 3 Images of the grains at different positions

图 4 铸态合金不同部位的显微组织Fig. 4 Microstructures at different positions of the as-cast alloy

图5 为均匀化态组织形貌。由图5（a）可以看出，经均匀化处理后，枝晶网络稀疏，网络基本消失，晶界和枝晶界上非平衡第二相大部分回溶到基体中；由图5（b）可以看出，晶界附近存在无溶质析出带，晶内存在许多细小的弥散颗粒，其形状为块状或针状。这种情况的产生是由于半连续铸造冷却强度较大，部分合金原子来不及从固溶体中析出，形成过饱和固溶体，在均匀化过程中，原子的扩散系数增大，且溶解度减小，合金原子从过饱和α-固溶体中均匀地扩散析出。

图 5 均匀化态合金不同部位的显微组织Fig.5 Microstructures at different positions of the homogenized alloy

图 6 铸态合金的SEM 图及元素分布图Fig. 6 SEM and element distribution images of the as-cast alloy

2.3 能谱分析

图6 为铸态下2219 合金的SEM 图和Cu、Mn 元素面扫描图。从图6（a）可以看出，晶界上存在大量非平衡相（点1、3），形态呈网格状，并有长条状的第二相（点2）穿插其中，结合表2 能谱分析结果、图1 模拟计算结果及相关文献[11]，可推测网格状非平衡第二相为共晶相θ（Al2Cu）、Al20Cu2Mn3相，长条 状 的 为Al7Cu2（ Fe、 Mn） 。 此 处CuAl2相 与Al7Cu2（Fe、Mn）为脆性相，使合金的塑性降低，不利于合金后期加工成型[12-13]。从图6（b）、（c）可以看出，合金晶界处存在成分偏析，Cu 元素尤为严重，元素浓度由晶内向晶界递增。

图7 为铸态下2219 合金的SEM 图和Cu、Mn 元素面扫描图。从图7（a）可以看出，均匀化处理后亚稳态的网状非平衡共晶相大部分溶解，枝晶网络结构被破坏，晶界上仍存在部分未溶解、粗大的结晶相CuAl2。这是由于2219 合金中Cu 质量分数为6.0%，高于Cu 在Al 中最大溶解度5.7%（547 °C 时），因而有部分Cu 溶质原子无法回溶到铝基体中；另外，在晶内有大量块状、针状的弥散相析出，结合表2能谱分析结果推测为Al2Cu 相。由图7（b）可知，均匀化处理后Cu 元素分布均匀，在均匀化温度下，Cu 原子扩散系数增大，在长时间的高温条件下，原子不断由高浓度的晶界向低浓度的晶内扩散，原子均匀地分布，成分偏析基本消除[14]。上述能谱分析、扫描结果与模拟计算结果相符。

表 2 铸态和均匀化态合金的能谱分析结果（质量分数/%）Tab.2 Energy spectrum analysis results of the as-cast and homogenized alloys (mass fraction/%)

图 7 均匀化态合金的SEM 图及元素分布图Fig. 7 SEM and element distribution images of the homogenized alloy

2.4 性能分析

表3 为2219 合金在不同状态下的电导率。与铸态相比，均匀化后合金的电导率提高。这是由于在半连续铸造急冷条件下，合金组织为亚稳态的过饱和α-固溶体，固溶度较高，溶入基体中溶质数量较多，导致晶格畸变较大，对电子的散射作用增大，使合金的电导率降低；而均匀化热处理过的合金溶质原子从亚稳态固溶体中弥散析出，合金元素在基体中固溶度降低，电子散射减弱，电导率明显提高[15]。

表 3 铸态和均匀化态合金的电导率Tab.3 Electrical conductivity of the as-cast and homogenized alloys%IACS

3 结 论

（1）2219 合金的铸态组织存在严重枝晶偏析，在晶界上聚集大量的Al2Cu 相，并有长条状的脆性相Al7Cu2（Fe、Mn）穿插在晶界上。

（2）525 °C×22 h 均匀化处理后，晶界上Al2Cu相部分回溶到基体中，枝晶网络被破坏，Cu 元素在晶内均匀分布，热力学模拟计算结果与能谱分析、面扫描结果相一致。

（3）均匀化处理后，处于亚稳态的溶质原子从过饱和固溶体中析出，在晶内呈细小、弥散地分布，基体溶质原子固溶度降低，电子散射作用减弱，电导率提高10 %IACS。