固溶时效处理对2A14铝合金冲击性能的影响

谭国寅

(昆明冶金研究院有限公司, 云南 昆明 650031)

Al-Cu-Mg系变形铝合金属于可热处理强化的铝合金,经热处理后具有较好的力学性能,在航空、航天、军工等领域得到了较广泛的应用[1-2]。随着世界工业的迅猛发展,对合金材料的综合性能提出了越来越高的要求。2A14铝合金正是其中的优异代表,其比强度高,加工性好,具有优良的可锻性和可焊接性,可加工成多种多样的零部件,如飞机翼肋、轮毂及大型车辆的承重件等[3-5]。

正因为2A14铝合金的性能如此优异,在航空工业中被大量用于高载荷、高负重的零部件和构件,其在服役过程中往往需要承受较大的冲击过载,因此提升该合金的冲击性能就显得尤为重要。固溶时效处理是合金加工过程中的重要步骤,通过固溶处理可减少粗大第二相,优化合金组织,从而提升产品的最终性能[6-7]。本文主要通过研究固溶时效处理对2A14铝合金冲击性能的影响,获得铝合金组织中第二相粒子的演变过程及其冲击载荷,以期提高该铝合金的冲击性能,满足航空工业对高强度铝合金材料的性能要求。

1 试验材料与方法

试验用2A14铝的合金化学成分(质量分数,%)为4.51Cu、0.92Si、0.70Mg、0.56Mn,Al余量。将高纯铝、铝硅中间合金、纯镁锭、铝铜中间合金、金属锰添加剂按合金成分要求配料,在800 ℃下进行熔炼。待金属完全熔化后,将合金降温至740 ℃,投入精炼剂进行精炼,扒渣后水冷浇铸成L=250 mm,D=25 mm的铸棒。随后,进行固溶时效处理。结合前期试验制定固溶时效工艺为:505 ℃固溶60 min,水淬;165 ℃时效6 h。

将铸态与固溶时效后的试样在MLA650F型扫描电镜(SEM)下进行微观组织表征和EDS分析,在JB-300C型摆锤式冲击试验机上进行冲击性能测试。冲击试样尺寸为10 mm×10 mm×55 mm,在标准试样上用拉床预制好V型缺口,如图1所示。不同状态试样均取3根冲击样,冲击吸收能量取3次冲击试验结果的平均值。

图1 标准冲击试样尺寸Fig.1 Size of standard impact specimen

2 试验结果与讨论

2.1 固溶时效处理对组织的影响

利用SEM对铸态及固溶时效态的试样进行显微观察,如图2所示。从图2(a)可以看出,随着冷却过程的进行,铸态试样中大部分的结晶相沿晶界析出,形状为细长条状,呈网状分布。通过EDS分析发现,其主要是AlCuMgSi相。同时,晶内还存有少量的细小圆形Al2Cu相。这些细长条状AlCuMgSi相的长宽比很大,质地较脆,在协调变形过程中极易从粒子中部断裂,无法有效地钉扎位错,降低了材料的性能。

从图2(b)可以看出,经过固溶时效处理后的试样中,原本呈网状分布的AlCuMgSi相在高温作用下重熔进铝基体中。这是由于在固溶阶段的高温作用下,原子的扩散运动增强,在凝固过程中来不及平衡分布的溶质元素能够重新分配。通过观察可以发现,固溶时效后AlCuMgSi相的形貌类似短棒状,长宽比相较铸态有所减少,尤其在宽度方向上的长大尤为显著;在晶内析出的细小Al2Cu相也在热激活作用下长大。这些短棒状AlCuMgSi及弥散分布的细小Al2Cu相能够更好地钉扎位错[8-9],有助于材料冲击性能的提升。

通过SEM对固溶时效态试样中的短棒状AlCuMgSi相进行更为细致的观察,发现该粒子内部存在着与外部不同的另一种相。结合EDS分析可知(见图3),第二相核心部位含有较多的Cu、Fe元素。这是由于在铸造过程中冷却速度过快,2A14合金中含有的高熔点合金元素Cu、Fe最先凝固析出,基体中的溶质原子来不及均匀扩散,导致Cu、Fe元素产生局部富集。含有较多Fe元素的AlCuMgSi相粒子具有较高的熔点,具有较好的热稳定性。随着固溶时效过程的进行,第二相粒子以这些高熔点质点为异质核心并不断长大[10-11],最终形貌演化成短棒状,如图3所示。

图3 时效态试样的AlCuMgSi相形貌及EDS分析Fig.3 AlCuMgSi phase morphology and EDS analysis of the aged specimen

2.2 固溶时效处理对冲击性能的影响

将固溶时效处理后的试样进行冲击性能测试,试验结果发现,固溶时效态试样的冲击吸收能量(3.8 J)较铸态(1.2 J)提升了2.17倍。这是由于铸态试样中存在的网状第二相长宽比过大,在冲击载荷的作用下,网状第二相粒子的尺寸长、宽度窄,粒子中部产生巨大的应力集中,从中部断裂成几节,从图2(a)中也能观察到相应的断裂痕迹,降低了铝合金的冲击性能,从而在宏观上表现为试样具有较低的冲击吸收能量。经固溶时效后,原本的网状第二相重熔进基体中,演化成更为稳定的短棒状析出相。这些短棒状析出相与铸态相比,在宽度方向上得到了明显的增长,显著降低了粒子的应力集中,使第二相粒子从中部断裂需要更高的应力,从而提高了试样断裂的冲击吸收能量,提高了试样的冲击性能。同时,晶内存在的细小Al2Cu相呈球形分布,尺寸为5 μm左右,这些弥散分布的析出相能更好地协调塑性变形,进一步提高了铝合金的冲击性能。

3 结论

1) 铸态下存在的第二相主要以细长条状的AlCuMgSi相粒子为主,晶内含有少量的圆形Al2Cu相。细长条状的AlCuMgSi相粒子的长宽比高,质地较脆,发生塑性变形时极易从粒子中部断裂,无法有效提升材料的冲击性能。

2) 固溶时效后存在的短棒状AlCuMgSi相核心部位含有较多的Cu、Fe元素,高熔点溶质元素Cu、Fe提高了第二相粒子的热稳定性。随着固溶时效过程的进行,第二相粒子以耐热相为核心不断长大,最终演化成了短棒状的形貌。

3) 固溶时效后,原本的网状第二相重熔进入基体,转变成了更为稳定的短棒状析出相,可以吸收更多的冲击载荷。同时晶内存在的细小Al2Cu相也显著长大,弥散分布的析出相能够更好地协调塑性变形,进一步提高了冲击性能。