喷射成形2618 铝合金组织及性能的研究

高丽娜，肖 建，贾咏馨，聂赛男，苏睿明

（1.沈阳工业大学 材料科学与工程学院，辽宁沈阳 110807；2.贵州永红航空机械有限责任公司，贵州贵阳 550009）

2618 铝合金为Al-Cu-Mg-Fe-Ni 系铝合金，它是在2024 铝合金的基础上通过减少杂质元素Si 的含量并添加Fe 和Ni 元素形成的，在室温下与2024 铝合金强度相同[1]。其设计的目的是为了使合金位于α（Al）+S（Al2CuMg）两相区内，令其既具有原来的室温强度还具有良好的耐热性能和较高的合金强度；而Fe 和Ni 的加入可以生成Al9FeNi 这一新的耐热相，能够提高合金的耐热性能[2]。该合金应用广泛，适用于飞机上的多个重要位置的零部件，包括中央地板、横梁等重要承力部件上[3-6]。由于2618 铝合金的特性，使其在高温场合下的应用更为广泛。2618 铝合金在2xxx 系列合金中具有优异的高温强度。2618 铝合金可以用在150～250℃的条件下工作，它也用作其他承载结构[7，8]。随着航空和国防工业的飞速发展，对铝合金的耐高温性能提出了更高的要求。王建华等[9]通过变形时效处理来研究2618 铝合金的组织和力学性能，可以在室温和高温下显著提高2618 铝合金的拉伸强度和硬度。

王国军等[10]表明，2618 铝合金铸件的显微组织包括S（Al2CuMg）相、θ（Al2Cu）相、不溶性第二相Al7Cu2Fe 相、Al7Cu4Ni 相和Al9FeNi 相。这些具有较高熔点且几乎不受后续热处理影响的不溶性第二相，在热处理过程中其结构、数量和分布均无明显变化。如果形成更多的Al7Cu2Fe 和Al7Cu4Ni 相，则Al2CuMg 析出相会减少，合金的性能会降低。合金中的主要难溶相为Al9FeNi[11，12]，其熔点较高，能够阻止位错运动，是合金具有优异耐热性能的主要原因。进一步开发Al-Cu-Mg-Fe-Ni 系合金的关键是如何调节这些耐热相的数量，形态和分布。首先，由于凝固速率低，采用常规铸造方法制造的铝合金会出现粗大的晶粒，严重的偏析和严重的缺陷等[13，14]。喷射成形技术是一种快速发展的成形技术，它是通过快速凝固制备坯料的先进制备技术[15]，其优点是制备的合金组织均匀，晶粒细小、偏析度小、固溶度高、坯锭致密度高。它已被广泛应用于制造高质量的高级材料[16]。本文采用喷射成形和传统铸造的方法制备了2618 铝合金，并挤压成棒材，研究了合金的显微组织和力学性能的差异。

1 试验方法

试验采用金属型铸造和喷射成形两种工艺制备2618 铝合金，合金化学成分（质量分数）：Cu 为2.3%，Mg 为1.5%，Fe 为1.3%，Ni 为1.3%，其余为Al。喷射成形在JWC-100F 型金属雾化沉积设备上进行，雾化气体为氮气，浇注温度均为700～720℃。所制备的合金坯锭均采用相同的挤压比进行挤压，将挤压后的合金棒切成相应尺寸后在530℃进行2.5h 固溶处理，在190℃下进行时效处理，并确定最佳时效处理参数。采用UH-250型数显维氏硬度计测量样品的硬度，每个试样选取5 个硬度点，测试结果取平均值。通过万能拉伸试验机测量合金的拉伸性能，利用TEM-3030 扫描电子显微镜和能谱分析仪等对合金微观组织进行观察分析。

2 试验结果与分析

2.1 硬度

图1 是两种工艺制备合金在最佳时效处理温度下的合金硬度变化曲线，通过对比可以发现，在190℃下，硬度曲线整体呈先上升，在时效处理5～8h 处出现一个短暂的下降趋势，随后继续上升，16h 达到硬度峰值，而后硬度曲线再次下降。喷射成形工艺能够有效地提高合金的力学性能，铸造态合金在190℃下的最佳硬度为134.5HV，喷射态合金峰值时效硬度为147.3HV，合金硬度提升明显。

图1 190℃时效处理后的硬度曲线

2.2 拉伸性能

表1 中分别列出了喷射成形与传统铸造工艺制备的2618 铝合金经190℃时效处理16h 后的不同温度下测试的拉伸性能。室温条件下铸造合金的抗拉强度和伸长率分别为408MPa，6.5%。喷射成形合金抗拉强度和伸长率分别为430MPa 和7.2%。在拉伸温度分别在100℃、200℃、300℃的条件下，抗拉强度随拉伸温度升高逐渐降低。喷射成形合金的高温性能有明显提升。

表1 190℃时效处理16h 后铸造和喷射成形2618 铝合金不同温度下的拉伸性能

2.3 组织形貌

图2 为铸造和喷射成形合金原始微观组织，许多研究表明晶粒的大小对合金的性能有很大影响。图2a 为铸造态合金微观组织，其中析出相尺寸大小不一，呈块状的最大达40μm，也有呈条状最小在5μm 左右，或者更细小的析出相。图2b为喷射成形合金的微观组织，其中呈块状或片状析出相，最大尺寸约为20μm，也有尺寸在3～5μm 甚至更加细小的析出相，大小差距不大，分布均匀，整体变的更小。喷射成形合金对比铸造态合金所获得的合金微观组织碎化更充分，析出相分布更加均匀。

图2 2618 铝合金组织形貌

图3 为两种不同时效条件下合金的微观组织，其中图3a 为铸造合金在190℃时效处理16h下的微观组织，时效处理后第二相充分析出，弥散程度提高。图3b 为喷射成形合金在190℃时效处理16h 下的组织，分布均匀，析出相碎化充分，析出相尺寸明显变小，且析出分布广泛，合金性能优异。

图3 两种不同制备工艺下时效处理后合金的微观组织

图4 为能谱分析图，通过能谱分析显示，其中片状相为不溶第二相Al9FeNi，这是铸造合金所呈现出来的合金状态，片状相较大。通过喷射成形后，其中的Al9FeNi 相有明显的碎化，弥散分布更为均匀，增强合金的耐热性能。

图4 Al9FeNi 相能谱分析图

3 结论

（1）530℃固溶处理2.5h 之后，在190℃时效处理16h 的条件下，喷射成形合金硬度达到最大147.3HV。且喷射成形Al-Cu-Mg-Fe-Ni 合金从室温到300℃下，其抗拉强度和伸长率均优于传统铸造合金。

（2）通过喷射成形制备的Al-Cu-Mg-Fe-Ni合金，合金中析出相的碎化程度提高，其中呈块状和片状的析出相尺寸最大在20μm 左右，也有尺寸在3～5μm 甚至更加细小的析出相，Al9FeNi 这种难溶第二相碎化程度提高，弥散分布均匀，更好的提高合金的耐热性能。