2D70铝合金均匀化热处理工艺研究

刘兆伟，谢方亮，张 伟，李秋梅，董刘颖，张 宇

(辽宁忠旺集团有限公司，辽宁 辽阳 111003)

2D70合金具有高纯度、高强度、耐高温性、低淬火敏感性等良好的综合性能，是可热处理强化的Al-Cu-Mg-Fe-Ni系铝合金。主要应用在飞行器发动机和汽车零部件上，并可制造用于在150℃条件下长时间工作的受力结构件。随着航空、国防工业的快速发展，对合金耐热性能提出了更高要求，因此有必要对该合金进行更为深入的研究[1-3]。

2D70合金采用半连续铸造，该过程冷却速率较大，为非平衡凝固，容易生成粗大的一次析出相及大量低熔点共晶相，通过均匀化热处理能使铸锭中的非平衡共晶组织在基体中分布趋于均匀，消除铸造应力，提高铸锭塑性，减小变形抗力，改善加工产品的组织和性能[4]。因此，本实验的主要研究内容是找出2D70合金的最佳均匀化制度，并找出适合于2D70合金工业生产的均匀化效果评价标准。

1 试验材料与方法

1.1 材料制备

试验材料为采用半连续铸造技术制备的Φ582mm的2D70合金铸棒，采用ARL 4460型直读光谱仪测得其化学成分，实测值见表1。

表1 2D70铝合金化学成分 (质量分数，%)

1.2 试验方法

结合图1所示的DSC分析结果，设置表2所示的均匀化制度。采用纳博热空气循环炉进行热处理，对料温进行实际监控，以保证料温偏差不超过±3℃；采用维氏硬度计测试硬度，实测5组取平均值；采用AX10型光学显微镜(OM)观测微观组织；采用SIGMATEST 2.069型涡流电导仪测试微观组织，选测5点取平均值。最后，通过组织、电导率及维氏硬度的变化规律，确定最佳均匀化温度。

图1 2D70铝合金DSC曲线图Fig.1 DSC curve of 2D70 aluminum alloy

表2 均匀化热处理方案

2 试验结果及讨论

2.1 均匀化温度的选择

2.1.1 均匀化温度对铸态组织的影响

如图2所示，2D70合金的铸态组织为典型粗大不规则的枝晶网结构，枝晶间存在低熔点非平衡共晶相，在晶界和晶内还存在大量形状不规则的灰色相和黑色相。490℃和520℃单级均匀化后，枝晶网发生断裂，晶界和枝晶间共晶相数量已经明显减少。由于2D70合金中S(Al2CuMg)与α-Al形成的共晶组织的熔化温度为511.4℃，θ(Al2Cu) 与α-Al形成的共晶组织的熔化温度为535.1℃。因此，当提高均匀化温度到540℃时，已经明显超过合金中低熔点共晶相的熔化温度，合金组织发生轻微的过烧。490℃×16h+520℃×16h双级均匀化时，S(Al2CuMg)与α-Al形成的共晶组织在490℃首先回溶到α-Al基体中，其次θ(Al2Cu) 与α-Al形成的共晶组织在520℃回溶到α-Al基体中，利于高熔点共晶组织的充分回溶[5-7]，但会造成低熔点共晶组织的烧损。

(a)未均火；(b)490℃×16h；(c)520℃×16h；(d)540℃×16h；(e)490℃×16h+520℃×16h图2 不同均匀化温度下金相组织图Fig.2 Metallography at different homogenization temperatures

2.1.2 均匀化温度对铸态硬度的影响

图3为2D70合金铸态维氏硬度随均匀化温度的变化。随着均匀化温度的升高，合金的硬度升高，540℃时略有下降，双级均匀化后硬度值又上升。结合金相组织得出，随着均匀化温度的升高，铸态组织中的可溶相充分回溶，达到固溶强化的作用，硬度升高。当温度达到540℃时，组织已经发生过烧，硬度开始下降。双级均匀化处理后，可溶相充分回溶，与单级均匀化硬度相差不大。

图3 不同均匀化温度下的维氏硬度Fig.3 Vickers hardness at different homogenization temperatures

2.1.3 均匀化温度对铸态电导率的影响

图4为2D70合金铸态电导率随均匀化温度的变化。未均火态的电导率最高，为33.72%IACS。

图4 不同均匀化温度下的电导率Fig.4 Electrical conductivity at different homogenizationtemperatures

分析得出，电导率主要受合金元素在铝基体中固溶度变化和过饱和固溶体分解析出第二相两者的综合影响。固溶度增加，增强了基体点阵的晶格畸变程度，使得基体点阵中电子散射源的密度增大，导电电子的平均自由程减小，从而合金电导率降低；过饱和固溶体分解析出第二相，使合金组织由单相变为复相，合金电导率降低。但是固溶在铝基体中的原子引起的点阵畸变对电子的散射作用比析出的第二相引起的散射作用强得多。本实验中由于选择试样比较小，所以冷却速率较大。因此，过饱和固溶体分解析出的第二相数量较少，固溶占主导地位，导致合金的电导率下降。

综上所述，结合2D70合金的金相组织、硬度与电导率综合分析，双级均匀化虽然有利于共晶组织回溶，但存在过烧风险，且均匀化后组织和硬度与490℃时差别不明显，对后续挤压成型过程的影响不明显。但如果存在过烧隐患，则对后续制品的抗疲劳性能、耐腐蚀性均会存在较严重的影响。另外，双级制度周期长，生产效率偏低，不适宜规模化生产，因此，认为490℃为2D70合金适宜的生产用均匀化温度。

2.2 均匀化时间的选择

2.2.1 均匀化时间对铸态组织的影响

图5为2D70合金490℃不同均匀化时间的金相组织。铸态组织中枝晶偏析明显，枝晶间存在低熔点非平衡共晶相。

(a)490℃×4h；(b)490℃×8h；(c)490℃×12h；(d)490℃×16h；(e)490℃×20h；(f)490℃×24h；(g)490℃×28h；(h)490℃×32h图5 不同均匀化时间下金相组织图Fig.5 Metallography at different homogenization time

经490℃×(4h～8h)均匀化处理后，枝晶组织有所消除，枝晶间的非平衡相部分回溶到基体中，但基体内的树枝晶还有部分存在，说明均匀化过程未完成。经490℃×12h均匀化处理后，试样晶界上的共晶组织大大减少，枝晶组织基本消除，组织没有明显粗化，说明均匀化效果良好；继续延长均匀化时间至490℃×24h，组织中“三角”晶界，为组织过烧现象[5-7]。

通过观察金相组织对均匀化效果进行评价是最常见的评价方法，该方法能直观判定组织是否过烧，但对于未过烧的铸锭是否均匀化完全则存在一定的猜测性，难以实现对均匀化效果的量化评价。

2.2.2 均匀化时间对铸态硬度的影响

图6为2D70合金维氏硬度随均匀化时间的变化。随着均匀化时间的延长，合金的硬度先升高再下降。铸态合金的硬度为109.63HV2；490℃×(4h、12h～20h)均匀化处理后，合金硬度升高0.43 HV2～1.8HV2；继续延长均匀化时间(>20h)，硬度下降1.76HV2～6.94HV2。

由上述数据分析得出，随着均匀化时间的延长，可溶相逐渐回溶到α-Al基体中，当均匀化时间达到12h以后，可溶相已经充分回溶，合金已经达到最大固溶程度，硬度趋于稳定。进一步增加均匀化时间(>20h)硬度开始下降，这是因为合金组织发生过烧现象，造成性能下降[8,9]。

合金的维氏硬度值可作为2D70铝合金均匀化效果评价标准之一。即，均匀化后2D70铝合金维氏硬度不小于110.06HV2，则可认为合金均匀化效果已达成；均匀化后2D70铝合金的硬度小于110.06 HV2，则可认为合金均匀化效果未达成。

图6 不同均匀化时间下的维氏硬度Fig.6 Vickers hardness at different homogenization time

2.2.3 均匀化时间对铸态电导率的影响

图7为2D70合金电导率随均匀化时间的变化。铸态合金的电导率为33.63%IACS，随着均匀化时间的延长，电导率开始迅速下降，当均匀化时间达到12h以后，电导率为31.61%IACS，并趋于稳定。

对上述数据进行分析可知，电导率主要受合金元素在铝基体中固溶度变化和过饱和固溶体分解析出第二相两者的综合影响，但是固溶度引起的晶格畸变的影响大于固溶体分解析出第二相的影响。由于本实验中选取的试块较小，为25mm×25mm×28mm，均匀化处理后空冷，冷却速率快，第二相析出量很少，因此电导率的影响因素主要为合金的固溶度。随着均匀化时间的延长，合金的固溶度逐渐增加，合金内晶格畸变加重，对电子的散射作用加强，电导率开始下降。当均匀化时间达到12h以后，共晶相及其它可溶相已经充分回溶，固溶度不再发生变化，电导率趋于稳定[8，9]。

合金的电导率值可作为均匀化效果评价标准之一。即，均匀化后2D70合金的电导率不大于31.61%IACS，则可认为合金均匀化效果已达成；均匀化后2D70合金电导率大于31.61%ACS，则可认为合金均匀化效果未达成。

图7 不同均匀化时间下的电导率Fig.7 Electrical conductivity at different homogenization time

上述三种均匀化效果的评价方式，通过金相组织观察的评价方法较为常用，但精确度不高；通过测量维氏硬度评价均匀化效果的方法操作简便，但相对误差较大；电导率测试的评价方法制样简单，测量简便，数据重现性好，因此电导率测试方法为均匀化是否完成的较优判据。

3 结论

(1)铸态2D70铝合金组织为典型粗大不规则的枝晶网结构，枝晶间存在低熔点非平衡共晶相。铸态2D70合金经490℃×12h均匀化处理后枝晶组织基本消除，非平衡相基本溶入基体，晶内组织均匀。因此，490℃×12h为较优的均匀化制度。

(2)2D70合金均匀化处理后维氏硬度不小于110.06HV2，则可认为合金均匀化效果已达成；如果均匀化后铝合金硬度小于110.06HV2，则可认为合金均匀化效果未达成。

(3)均匀化后2D70合金电导率不大于31.61%IACS，则可认为合金均匀化效果已达成；均匀化后2D70合金电导率大于31.61%IACS，则可认为合金均匀化效果未达成。电导率测试的方法制样简单，测量简便，数据重现性好，是均匀化是否完成的较优判据。