熱處理對Al-W合金組織及性能的影響

張明新，劉 杰，黃海軍，韓 偉，李鑫劍，王 偉，王立江，支志恒

(天津那諾機械制造有限公司 天津300457)

近年來，隨著能源問題的日益嚴重，對鋁合金材料輕質(zhì)量、高強度、耐高溫等性能的要求不斷提高?，F(xiàn)今超音速飛機機身表面等部位因使用溫度大于300℃[1-2]，這些部件大多采用鈦合金等材料，重量較大且造價高，為減輕重量提高推重比，急需研發(fā)替代這些材料的高溫高強鋁合金，而該項技術(shù)只有美、日等少數(shù)國家掌握[3-4]。由于 W具有高的熔點和良好的熱穩(wěn)定性，已經(jīng)在鎳基高溫合金中獲得成功應用，成為提高鎳基合金高溫性能的主要元素之一，但是在鋁合金中的應用不多[5-6]。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，選用 W 含量為 7%的 Al-W 二元鋁合金進行熱處理實驗，主要研究了不同溫度、時間的固溶時效處理對合金性能的影響，以期為后續(xù)的高溫鋁合金的設計與開發(fā)提供基礎(chǔ)性參考。

1 實驗材料及方法

本文采用W含量為7%的Al-W二元合金，截取制備高 8mm左右的圓柱試樣，并在 SX2-8-10型箱式電阻爐中采用表 1所示熱處理工藝對試樣進行固溶時效處理，要求固溶處理后立即水冷處理。熱處理后的試樣在 Olympus激光共聚焦顯微鏡下觀測合金組織變化，利用HB-3000B型布氏硬度計測試合金硬度，ML-100磨粒磨損試驗機測試耐磨性。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 固溶處理對合金微觀組織的影響

不同固溶溫度對合金組織的影響見圖1。

表1 熱處理工藝表Tab.1 Heat treatment process

由圖 1可以看出，在固溶處理時，固溶溫度不同導致試樣中過剩相殘留程度不同。490℃時第二相殘余最多，510℃其次，530℃時第二相基本上得到了充分的溶解。但是經(jīng) 530℃固溶后，基體中仍有殘余的第二相，導致這種現(xiàn)象的原因可能如下：530℃還不是最佳溫度，應該繼續(xù)提高溫度；Al-W 二元合金中形成的第二相在固溶處理時并未全溶?；谝陨蟽牲c考慮，又繼續(xù)提高溫度進行固溶處理，但是后續(xù)升溫的固溶處理中，出現(xiàn)過燒現(xiàn)象導致實驗失敗，因此選擇530℃為固溶溫度。

2.2 時效處理對合金微觀組織的影響

不同時效溫度對合金組織的影響見圖2。

圖1 Al-W合金不同溫度固溶處理后金相組織Fig.1 Microstructures of Al-W alloys with solid solution treatment under different temperatures

圖2 不同時效溫度下Al-W合金組織Fig.2 Microstructures of Al-W alloy with aging treatment under different temperatures

由圖2可以看出，合金經(jīng)160℃×10h時效處理后，合金組織中析出物數(shù)量也較少，析出物主要分布在晶界處，這是因為第二相在合金的晶界處析出時所需要的驅(qū)動力小。隨著時效溫度的提高，析出物的數(shù)量增多并且析出物的尺寸也變大，而且分布越來越均勻。隨著溫度的提高，析出相逐漸增多，在溫度達到220℃時，析出物較多，且分布最為均勻，因此確定時效溫度為220℃。

由圖 3可以看出，合金經(jīng) 220℃×6h時效處理后，析出物較少，而且偏聚比較嚴重，隨著時效處理時間的延長，析出物的數(shù)量增多而且分布比較均勻。綜合比較，可以看出在 220℃×10h的時效處理時，合金中第二相的分布最好。

2.3 熱處理對合金力學性能的影響

按照試驗要求將試樣進行了不同溫度的固溶處理，測得不同溫度下固溶處理的試樣的布氏硬度值如表2所示。

表2 不同固溶溫度下的布氏硬度Tab.2 Hardness under different solid solution temperatures

圖3 不同時間下時效處理的Al-W合金組織Fig.3 Microstructures of Al-W alloy under different aging treatment time

根據(jù)表2中不同固溶溫度下的硬度數(shù)據(jù)，得到了固溶溫度與布氏硬度關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4 固溶溫度與布氏硬度的關(guān)系曲線Fig.4 Curve of solid solution temperature and hardness

由表2和圖4可知，隨著固溶溫度的提高試樣的硬度增大。結(jié)合固溶處理對合金微觀組織的影響分析可知，隨固溶溫度升高，合金中的第二相溶入基體中的數(shù)量增多，減少了第二相在基體中的偏聚，進而提高了合金基體的硬度。本試驗測試的為布氏硬度，代表了合金的整體硬度，因為合金基體硬度提高，合金抵抗變形能力增強，所以布氏硬度增大。

根據(jù)表 3中時效溫度和時效時間對試樣布氏硬度的影響，得到了不同的時效溫度和不同的時效時間與布氏硬度之間的關(guān)系曲線如圖5。

從表3和圖5可以看出，當時效溫度相同的情況下，隨著時間的延長，合金的布氏硬度值增大，160℃時合金的布氏硬度值最低。這是因為時效溫度偏低時，強化相析出進行得不夠充分，則合金的硬度較低；隨著溫度的不斷升高，強化相析出量增多，所以在220℃的時候試樣的硬度最高。

表3 不同時效溫度和時間下的布氏硬度Tab.3 Hardness under different aging temperaturesand time

圖5 時效溫度和時效時間與布氏硬度之間的關(guān)系曲線Fig.5 The relationship curve of aging temperature，time and hardness

在時效溫度為 190℃的時候，發(fā)現(xiàn)在時效時間6h和8h的數(shù)據(jù)中，8h的試樣硬度低于 6h的試樣硬度，其原因可能是：①在實驗截取試樣的時候，由于試樣截取的部分不同，導致所截取到的試樣中合金成分并不是非常的均勻，這樣就導致在進行各種測試的時候影響其總體性能趨勢；②在進行固溶之后，第二相有殘余，并且第二相的分布并不是很均勻，導致在時效處理的時候，造成局部的不均勻，降低時效強化的作用，這樣就會導致該試樣的硬度值降低。

由表 4可以看出，隨著固溶溫度的提高，試樣的耐磨性能提高。在 490℃固溶條件下，第二相并沒有完全溶解到基體中，而在 530℃固溶條件下，試樣中第二相基本溶入了基體中，固溶程度比較高。固溶能使晶界位錯增加，所以固溶越完全試樣的耐磨性越高。不同時效時間和時效溫度時合金的耐磨性能見表5。

表4 不同固溶溫度下的單位面積磨損量Tab.4 Wear resistance under different solid solution temperatures

根據(jù)不同的時效溫度和不同時效時間對試樣耐磨性能的影響，得到了時效溫度、時間和磨損質(zhì)量差之間的關(guān)系曲線如圖6所示。

由圖6和表5可以看出：在160℃/6h條件下進行時效處理時，合金的耐磨性較差?？赡苁且驗闀r效處理的溫度較低和時間較短，析出相數(shù)量較少，尺寸也較小并且分布不很均勻，導致試樣的表面硬度降低，所以在進行耐磨測試的時候，容易被突點犁入，耐磨性就低；在 190℃/10h條件下進行時效處理，局部析出相較大，并且局部不均勻，導致其在進行耐磨性測試時，大尺寸強化相易發(fā)生脫落，故耐磨性效果差；在 220℃/10h條件下處理的試樣，其析出相數(shù)量較多且分布均勻，故耐磨性最好。

3 結(jié) 論

Al-W 二元合金最佳熱處理工藝為：530℃固溶處理 80min，220℃時效處理 10h。在固溶處理條件下，合金的耐磨性和硬度隨著固溶溫度的升高而增強；隨著時效溫度的升高和時效時間的延長，合金的硬度增大、耐磨性增強。