Cu、Mg、Si元素含量对2014铝合金组织与性能的影响.pdf

0前言航空航天装备向着高可靠性、更长寿命的发展趋势对材料提出了更高的性能要求。铝合金具有高比强度、优良的耐蚀性及热塑性等优点，已经广泛地应用于航空航天装备结构件中。2014铝合金是一种典型的航空航天装备用材料，具有良好的热成型性能、焊接性能，常常以锻件、挤压件等多种形式应用于承力结构件1。目前，2014铝合金的大多研究集中于热处理制度和焊接工艺的研究2-5，而合金性能的优劣主要源于成分和组织的优化。2014合金成分范围较宽，成分差异和不同的加工工艺及热处理方式使其表现出不同的综合性能。本文通过设计三种不同成分的2014铝合金，研究了Cu、Mg、Si三种合金元素对2014合金组织和性能的影响，以期为该合金性能多样化及综合性能的提高提供有益指导。1 实验材料与方法在2014合金AMS4133E标准成分范围内，按照Cu、Mg、Si在合金中的不同作用，设计了三种成分的2014铝合金（标记为A、B和C合金），其化学成分见表1。A合金成分为标准成分范围的中间值；B合金同时增加Cu、Mg含量；C合金同时减少Cu、Mg、Si含量。通过对比三种合金，研究主合金元素对2014合金组织与性能的影响。经半连续铸造获得直径为200 mm的合金铸锭，铸锭经均匀化热处理后热挤压成截面为125 mm25 mm的型材，挤压比为10，空冷至室温。采用502 5h固溶处理和177 8 h时效处理，获得T6态型材。Cu、Mg、Si元素含量对2014铝合金组织与性能的影响林茂1，曹海龙2，田宇兴2，吴浩2（1.西北铝业有限责任公司，定西 748111；2.中铝材料应用研究院有限公司，北京 102209）摘要：通过设计三种合金成分，研究了Cu、Mg、Si元素含量对2014铝合金组织与性能的影响。研究结果表明，随着Cu、Mg、Si含量的增大，铸态组织的共晶相增多；当Cu含量低于4.2%时，502 30 h均匀化退火可以使Al2Cu完全回溶。合金经热挤压、固溶及人工时效处理后，合金保留了挤压变形的取向组织，但伴随有少量地细小再结晶晶粒形成。力学性能表明，Cu、Mg、Si含量的增加提高了合金强度并且没有降低断后延伸率。三种合金时效态屈服强度达到460 MPa以上，抗拉强度达到517 MPa以上，延伸率不低于10%，综合性能超出国际AMS标准。关键词：2014铝合金；微观组织；力学性能；固溶；时效中图分类号：TG146.21文献标识码：A文章编号：1005-4898（2023）04-0014-04doi：10.3969/j.issn.1005-4898.2023.04.03作者简介：林茂（1984-），男，甘肃定西人，工程师，主要从事铝合金压力加工和热处理研究。收稿日期：2023-03-172023年第4期总第273期铝加工组织性能表1实验用2014合金的化学成分（质量分数/%）AMS4133EABCCu3.95.04.54.84.2Mg0.20.80.60.70.4Fe0.70.190.190.19Si0.51.20.80.80.6Mn0.41.20.80.80.8Cr0.10.050.050.05Zn0.250.10.10.1Ti0.150.050.050.05Al余量余量余量余量 14林茂，等：Cu、Mg、Si元素含量对2014铝合金组织与性能的影响组织性能采用ZEISS-AXIO金相显微镜、7800F型场发射扫描电镜对组织进行观察，并获得组织的电子背散射像（加速电压为 10 kV）。采用 NETZSCHSTA449C分析仪对合金进行差热分析（DSC）。在Instron5887型力学试验机上进行室温拉伸试验，拉伸速率为2 mm/min。2结果与分析2.1 铸态组织与均匀化图1为A、B、C三种合金的铸态组织扫描照片。三种合金的铸态组织均为典型的枝晶组织，大多数粗大相处于晶界。与A合金相比，合金B含有较高的 Cu、Mg，铸态组织显示为更多的共晶相（图1（a）、图1（b）；含有较低Cu、Mg、Si含量的C合金晶间共晶相明显减少（图1（c）。扫描EDS分析显示，三种合金中均含有四种粗大相，即Al2Cu、Al（CuFeMnSi）、Al（CuMgSi）和 Mg2Si（图 1（d）。难溶相 Al（CuFeMnSi）的含量与Fe 含量成正比，而较低的 Cu、Mg、Si 含量使得Al（CuMgSi）含量也较低。（a）A合金（b）B合金（c）C合金（d）粗大相图1合金铸态组织的SEM像为了确定铸锭的均匀化温度，对三种合金进行了DSC测试（见图2）。（a）铸态（b）均匀化态图2合金的DSC曲线结果表明，A、B、C三种合金的可溶相Al2Cu对应的回溶起始温度均在511 附近，吸热峰峰面积 分 别 为 12.55 J/g、14.38 J/g、9.06 J/g（图 2（a）。为了避免合金过烧，选择502 作为均匀化热处理温度，保温30 h。经均匀化处理后，A、B合金存在残余吸热峰，吸热峰峰面积分别为5.1 J/g、6.3 J/g，表明合金中的 Al2Cu 没有完全回溶；Cu、Mg、Si含量较低的C合金在均匀化处理后，Al2Cu吸热峰消除，表明其完全回溶，而残余吸热峰推移至525，吸热峰峰面积为1.5 J/g。观察均匀化后的组织（见图3）表明，A、B合金中大部分Al2Cu相已经回溶，只有少量的Al2Cu残留在晶界（图3（a）、图3（c），A合金粗大相种类更清晰的显示于图3（b）。尽管DSC显示低Cu、Mg、Si的C合金在均匀化处理后Al2Cu的吸热峰已经消除，但在组织观察表明晶界处仍然有极少量的Al2Cu（见图3（d）。这是由于相对于大面积扫描观察，较小尺寸的DSC试样测试造成的常规性误差。相比于铸态组织，均匀化后三种合金的残余峰面积大幅降低。有研究表明6，相似成分的2014均匀化制度为500 26 h。考虑工业热处理炉的温度偏差，为了避免组织过烧，502 30 h均匀化热流量mW mg-1温度热流量mW mg-1温度 152023年第4期总第273期铝加工组织性能制度基本满足了合金变形加工的要求。2.2合金元素对固溶时效组织的影响为了获得变形组织，采用热挤压制备出型材，经 502 5 h 固溶、177 8 h 人工时效处理后，所得的三种合金的组织如图4所示。相比于A合金（图4（a），Cu、Mg含高的B合金中，粗大相明显沿着挤压方向排列（图4（b），Cu、Mg、Si而含量低的C合金中粗大相密度减少，没有明显的方向性排列（图4（c）。高倍金相显示（图4（d），三种合金晶界上都存在少量的等轴晶粒。金相组织中的明暗衬度显示出变形晶粒的不同取向。（a）A合金（b）A合金（c）B合金（d）C合金图3合金均匀化态组织的SEM像（a）A合金（b）B合金（c）C合金（d）等轴晶图4合金时效态金相组织B合金的时效态组织EBSD像及其取向反极图如图5所示。EBSD像分析表明（图5（a），这些尺寸约10m的等轴晶是具有高角度晶界的再结晶晶粒，而晶粒内部的亚晶界表现为回复组织。研究表明7-8，较高层错能的金属在热变形中不易发生再结晶，组织演变更大程度的表现为回复组织。2014合金表现出以回复组织为主的组织特征，其主要原因可能是Mn元素在均匀化过程中析出弥散相抑制再结晶的结果。B合金的反极图（图5（b），显示在挤压方向组织趋向于取向，同时表现出一定的织构。表明在经过5 h固溶后，合金基本保持了变形织构，同时由于再结晶形成少量的立方织构。与B合金类似，A、C合金棒表现出相似的取向规律。（a）EBSD50m50m50m50m50m50m50m10m50m 162.3 合金元素对力学性能的影响三种合金的室温拉伸性能如表2所示。由于挤压材织构和晶粒的形貌特征，导致挤压方向的屈服强度和抗拉强度均大于横向的屈服强度和抗拉强度。比较三种合金，Cu、Mg、Si含量的增加能够提高合金强度，这是因为Cu、Mg、Si含量的增加使时效析出Al2Cu和Mg2Si强化相的含量增大。三种合金时效态屈服强度达到460 MPa以上，抗拉强度达到517 MPa以上，延伸率不低于10%，综合性能超出国际AMS标准。表2不同Cu、Mg、Si含量的2014铝合金的力学性能合金AMS4133EA（Cu、Mg中等含量，高Si）B（高Cu、Mg、Si）C（低Cu、Mg、Si）纵向横向纵向横向纵向横向0.2/MPa386495477512481498460b/MPa448542518563521553517/%81010121113153结论（1）三 种 合 金 铸 态 组 织 中 存 在 Al2Cu、Al（FeMnSi）、Al（CuMgSi）、Mg2Si四种未溶相，共晶组织随着Cu、Mg含量的增多而增多。当Cu含量低于4.2%时，502 30 h均匀化退火可以使Al2Cu完全回溶。（2）三种合金经热挤压、固溶及人工时效处理后，出现少量的细小再结晶晶粒，大部分组织表现为回复组织。（3）力学性能表明，Cu、Mg、Si含量的增加能够提高合金强度，三种合金时效态屈服强度达到460 MPa以上，抗拉强度达到517 MPa以上，延伸率不低于10%，综合性能超过国际AMS标准。参考文献1王祝堂，田荣璋.铝合金及其加工手册M.长沙：中南工业出版社，1989.2Sadeler R，Totik Y，Gavgali M，et al.Improvements of fa-tigue behavior in 2014 Al alloy by solution heat treating andage-hardingJ.Materials and Design，2004，25（5）：439-445.3刘春燕，周丹臣，李昌安，等.2A14铝合金锻件的热处理工艺J.金属热处理，2011，36（9）：42-45.4GAO Zongyu，FANG Jianjun，ZHANG Yinong，et al.Welding Characteristic Analysis of Hybrid Welding on2014 Aluminum Alloy J.International Journal of Electro-chemical Science，2013（8）：7905-7917.5Ramanjaneyulu K，Madhusudhan R G，Hina G.Optimiza-tion of process parameters of aluminum alloy AA 2014-T6friction stir welds by response surface methodologyJ.De-fence Technology，2015（11）：209-219.6Nayan N，Narayana Murty S V S，Govind，et al.Studiesof homogenization of DC cast billets of aluminum alloyAA2014 by the methods of calorimetry and metallographyJ.Metal Science and Heat Treatment，2010（3-4）：171-178.7TIAN Y X，WANG G，YU S，et al.Microstructure char-acteristics and strain rate sensitivity of a biomedical Ti-25Nb-3Zr-3Mo-2Sn titanium alloy during thermomechani-calprocessingJ.JournalofMaterialsScience，2015（15）：5165-5173.8TIAN Y X，HAO Y L.Microstructure evolution of a multi-functional titanium alloyJ.Shape Memory and Superelastic-ity，2016，2（2）：160-170.（下转第58页）（b）反极