液态模锻ZL205A铝铜合金热裂敏感性研究

邢书明， 赵必为

(北京交通大学 机械与电子控制工程学院， 北京 100044)

ZL205A是中国自主研发的高强铸造铝合金。与其他铝铜合金类似，虽然强度很高，但其工艺性能和韧塑性较差，一般都是砂型铸造方法成形，限制了材料性能的充分发挥。砂型铸造副车架本体取样T5处理的平均抗拉强度、屈服强度分别高达510 MPa和402 MPa，但伸长率只有6.8%[1]。而液态模锻ZL205A铝合金汽车空调器摇盘在工艺恰当时，经T6处理后，在抗拉强度、屈服强度分别高达506 MPa和477.3 MPa的同时，延伸率提高了1倍，高达 12.7%[2]。这说明，液态模锻ZL205A铝铜合金可以进一步提高其强度，显著提高塑性。

由于铸造Al-Cu合金热裂主要与凝固后期应力应变导致的准固相变形和补缩受阻有关[3]，许多相关研究从力学、补缩方面提出热裂的形成判据。NOVIKOV[4]最早利用“凝固范围塑性储备”特征参量Pr来描述合金的热裂敏感性，表示为凝固后期热脆区中材料的断裂伸长率与线性热收缩的平均值，其值越小，热裂敏感性越大。在应力应变与补缩两方面综合作用下，一些学者也做了很重要的工作，RAPPAZ等[5]认为裂纹是由合金中孔隙形成的，并据此提出了一种RDG模型，在准固态区间的压降是由形变与补缩受阻共同导致的，其形变量由应变速率决定。在凝固时，熔体流动受阻而在枝晶间产生压降，当压力降到某一临界值时就会产生热裂。同样，当应变速率超过某一临界值时也会产生热裂。目前，许多研究探讨了有关二元Al-Cu合金的各合金相、工艺参数与热裂的关系。液态模锻ZL205A的热裂敏感性仍然存在[6],但关于其热裂机制尚无定论，防止措施不甚明确，限制了铝铜合金液态模锻的应用。本文利用反向挤压液态模锻技术，研究了ZL205A的液态模锻热裂敏感性。

1 实 验

1.1 实验材料与过程

实验用ZL205A合金为符合国标要求的合金锭，其化学成分见表1。

表1 ZL205A合金的主要化学成分及质量分数

实验过程：将ZL205A合金锭用电阻坩埚炉熔炼，并用干燥的C2Cl6除气精炼，静置5～10 min除渣后，开模浇入如图1所示的模具内，利用HTP-200A液态模锻机进行反向挤压液态模锻成形，得到如图2所示的阿基米德螺旋线试样，出模后观察其热裂情况，用螺旋线试样的开裂程度表征其裂纹敏感性。

1.2 实验方法

为了研究压力对ZL205A热烈敏感性的影响，进行了30，60，90 MPa这3个不同液锻压力的螺旋线试样液态模锻实验，其余工艺参数为：液锻速度40 mm/s，浇注温度(730±5) ℃，模具温度(150±5) ℃，保压时间15 s，开始加压时间<5 s。

为研究液锻ZL205A的组织和性能，从液锻件的料饼部位截取长×宽×高为5 mm×12 mm×35 mm的片状试样进行T6热处理，热处理工艺为(538±3) ℃、保温15 h固溶处理后，出炉40 ℃水淬，再在(155±3) ℃温度下，分别经4,6,8,11,13,15,17,19 h时效处理后，加工成如图3所示的拉伸试样，使用Z050型电子万能材料试验机进行拉伸实验，拉伸速率为1 mm/min，实验温度28 ℃。

1—内六角螺钉；2—内六角螺钉； 3—复位杆； 4—支撑板；5—压室固定板；6—导柱；7—内六角螺钉；8—型芯固定板； 9—压头；10—内六角螺钉；11—上模座；12—型芯；13—定模板；14—压室；15—内六角螺钉；16—垫块；17—推杆；18—推板固定板；19—推板；20—下模座。 图1 液态模锻螺旋线试样模具示意图Fig.1 Schematic diagram of the spiral

图2 液态模锻螺旋线试样Fig.2 Spiral sample of MMDF

图3 拉伸试样形状和尺寸Fig.3 Shape and size of tensile specimen

利用型号XTZ-5XCMS的金相显微镜观察试样的微观组织，使用ImageJ图像分析软件进行初生相的定量金相分析。使用型号Quanta 450的场发射扫描电子显微镜，分析铸件的组织和拉伸试样断口形貌，并用EDX能谱分析元素组成及含量。采用德国BRUKER公司的D8 Advanced型号的X射线衍射仪进行物相组成分析，并用jade软件进行数据分析。

2 实验结果

2.1 液锻ZL205A的热裂

螺旋线液态模锻实验结果表明，随着压力的增大，ZL205A的热裂程度显著降低。挤压压力为30 MPa的液态模锻螺旋线试样，充型完整，但出模后断为4段，如图4(a)所示；当液锻压力提高至60 MPa时，同样充型完整，但螺旋线试样没有裂纹，表面光洁，如图4(b)所示；液锻压力提高至90 MPa时，同样充型完整、没有裂纹，如图4(c)所示。这说明，液锻压力有助于抑制热裂敏感性，压力提高到一定水平，就可以完全消除热裂。

图4 采用不同挤压压力进行液态模锻ZL205A螺旋线试样铸件Fig.4 ZL205A spiral sample casting with different MMDF pressure

热裂断口的扫描电镜图如图5所示。可见，断口形貌呈现圆球状和花瓣状，这是树枝状初生相的前端。同时可以清晰看到在枝晶末端附着一层圆滑的液膜如图5(b)所示，这个液膜就是剩余液相凝固后的产物。这种断口形貌与铝铜合金热裂纹断口形貌吻合，可以推断，液态模锻螺旋线试样的断裂是由热裂纹扩展造成的。

图5 螺旋线试样断裂处的断口形貌Fig.5 Fracture morphology of helix specimen

2.2 液锻ZL205A的性能

液锻ZL205A经538 ℃，15 h固溶处理及155 ℃不同时间的时效处理后，拉伸试验结果如图6所示。可见，液锻ZL205A合金没有明显的屈服现象，但塑性较好，表现出典型的加工硬化特性。随着时效时间的延长，材料极限强度提高，塑性降低。当时效时间达到6 h时，极限强度最高，延伸率还在10%以上(HB962—2001要求≥3%为合格)。再延长时效时间，强度下降，塑性有所提高。这说明液锻ZL205A在155 ℃的峰值时效时间为6 h。

图6 液态模锻ZL205A铸件T6处理后的拉伸性能Fig.6 Tensile properties of MMDF ZL205A after T6 heat treatment

3 分析讨论

3.1 液锻ZL205A凝固组织演变

压力对热裂敏感性的影响作用机制需要从液锻ZL205A的凝固路径来分析。液锻压力60 MPa时ZL205A 合金螺旋线的凝固组织如图7所示，主要由基体相、晶界第二相和黑色块状第二相组成。可见晶界较宽且清晰，第二相在晶界处分布但不连续；条状第二相尺寸较小且数量较少，分布也不均匀。

图7 液态模锻ZL205A的凝固组织Fig.7 Solidification structure of MMDF ZL205A

扫描电镜观察可见，晶界物质由浅色和深色不连续且网格状两种相A,B组成，如图8所示。晶界上浅色相A和深色相B的能谱分析结果表明，两者都主要由Al,Cu元素组成，深色相A还含有一定量的Mn元素，各相中还包含了Cd，Ti等微量元素。基体C区域的能谱分析显示，Al元素质量分数高达 98.54%，此外含有少量的Cu元素及微量元素，可以推断基体为α(Al)相。

图8 液态模锻ZL205A 合金SEM微观组织和能谱分析Fig.8 SEM microstructure and EDS analysis of the MMDF ZL205A alloy

为了确定晶界上的物相，使用X射线衍射仪以5(°)/min的步长从15°～85°分析螺旋线铸件样品，得到的X射线图谱如图9所示。由此可以确认，液锻ZL205A凝固组织中，除了基体α(Al)相外，还存在Al2Cu二元化合物和Al12CuMn2三元化合物。结合图10所示的 Al-Cu-Mn合金的三元相图，可以推断出二元化合物和三元化合物都是共晶凝固产物。

图9 液态模锻ZL205A螺旋线铸件的XRD图谱Fig.9 XRD pattern of MMDF ZL205A spiral

图10 Al-Cu-Mn合金三元相图[7]Fig.10 Ternary phase diagram of Al-Cu-Mn alloy

由Al-Cu-Mn合金的三元相图及Al-Mn二元相图可知，可以推断出液态模锻ZL205A合金的凝固路径包括5个步骤：①随着温度降低，合金熔体中首先析出α(Al)初生相，同时排除溶质元素Cu,Mn。②α枝晶前端的液相中锰含量达到1.9%时，在656 ℃就可以发生共晶反应，形成α和Al6Mn。③当温度降至包晶温度616 ℃时，发生包晶反应L+ Al6Mn→α。虽然，包晶反应通常都难以进行完毕，会有少量的Al6Mn残留，XRD未能检出。④温度继续降低及α(Al)初生相凝固排出的溶质Mn，Cu浓度的增加，到达547.5 ℃时，剩余液相满足二元共晶凝固条件，发生L→α(Al)+θ(Al2Cu)二元共晶反应。但因冷却较快，二元共晶反应不充分，仍有剩余液体。⑤剩余的液相随着温度的进一步降低，溶质进一步富集，满足三元共晶条件时，会发生L→α(Al)+θ(Al2Cu)+T(Al12CuMn2)三元共晶反应，凝固完全结束。由这一凝固路径可知，热裂断口的液膜主要是共晶产物。

3.2 压力抑制液锻ZL205A热裂敏感性的机制

铝铜系铸造合金的热裂敏感性是一个热点问题[8-9]。目前公认的热裂形成机理可以归纳为液膜理论、强度理论、裂纹型成功理论及晶间搭桥理论4类[10-11]。从热裂断口的扫描电镜图上(图5)看到了枝晶前端的液膜，可以认为，液锻ZL205A的热裂机理可以用液膜理论来表述。

热裂的液膜理论认为，热裂是由于包围固相的液膜破裂导致晶间裂纹而开裂。通常的凝固条件下，随着温度降低和凝固的进行，剩余液相越来越少，固相周围未凝固的液相形成了厚度不均匀的液膜。由于铸件凝固收缩，固相搭接形成的骨架就会发生一定的变形，破坏液膜的连续性，即液膜断裂，并扩展为晶间裂纹，即热裂。根据凝固路径，热裂端口的液膜主要是共晶产物。对ZL205A来说，大量尺寸较大的网状Al2Cu(图8)在凝固末期于共晶界面析出，阻碍晶间金属液流动，加上固相率高时对液相补缩效果差，对最后凝固阶段的液相补缩产生不利影响。

在液态模锻的加压凝固条件下，凝固过程是在一定压力的持续作用下进行的。这种压力的作用，会在制件内部形成一定的内应力。当凝固收缩发生时，剩余液相就会在这种内应力驱动下向收缩部位流变，填充固相间的空隙，即流变补缩[12]。如果压力足够高，这种收缩产生的缩孔与压力驱动的流变补缩之间可以达到动态平衡，即使瞬间液膜断裂，也可以被随后的流变重新焊合，因而不会出现裂纹和断裂。

但是，必须注意到，处于固液共存状态的金属熔体其流变特性极其复杂，不再是牛顿体，而是存在一定强度(称为流变抗力)的非牛顿体[13-15]。如果外加压力较小，熔体内部的应力不足以克服这种固液混合物的流变抗力，则断裂的液膜不能被焊合，随后就会扩展为裂纹，发生断裂。这就是低比压(30 MPa)液锻的螺旋线试样热裂严重、断成数段的原因所在。同时，这也解释了没有热裂缺陷的液态模锻ZL205A铝合金的塑性显著高于砂型重力铸造的原因。

4 结 论

1)提高液锻比压可以显著降低ZL205A铝铜合金的热裂敏感性。当液态模锻压力超过一定水平时，可以完全根除热裂缺陷。

2)液态模锻ZL205A存在三元共晶凝固，其凝固路径由初生α相、二元共晶和三元共晶凝固三步组成。

3)液态模锻ZL205A的热裂机制服从液膜理论。液锻压力大于液膜的流变抗力时，就可以使液膜发生流变补充凝固收缩或焊合出现的裂纹，杜绝热裂缺陷。