Al-Cu-Mn 合金鑄錠均勻化工藝及組織性能分析

吳 楠， 祝 哮， 楊 路， 趙 鑫， 張 宇， 馮艷飛

（營(yíng)口忠旺鋁業(yè)有限公司，遼寧 營(yíng)口 115000）

2219 合金是Al-Cu-Mn 系應(yīng)用最為廣泛的合金，屬于高強(qiáng)高韌鋁合金[1]，機(jī)械加工性能良好，高低溫性能優(yōu)異，被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域[2]。在工業(yè)生產(chǎn)中，2219 合金在半連續(xù)鑄造過(guò)程中冷卻速度快，凝固后的鑄態(tài)組織會(huì)偏離平衡狀態(tài)，在晶界和枝晶界上存在非平衡組織，導(dǎo)致枝晶偏析，降低了合金的塑性和抗蝕性，影響后續(xù)的加工成型性及應(yīng)用。鑄錠通過(guò)均勻化處理，達(dá)到減少和消除枝晶偏析及晶界和枝晶界上非平衡共晶相和非平衡其他相的目的，從而提高合金的塑性以及組織和化學(xué)穩(wěn)定性[3]。

目前對(duì)2219 合金的研究主要集中于焊接[4-6]、形變熱處理以及鑄造工藝的研究[7-9]，對(duì)單級(jí)均勻化組織和性能研究較少。本文通過(guò)熱力學(xué)計(jì)算模擬方法優(yōu)化2219 合金均勻化制度，采用顯微組織觀察、能譜及電導(dǎo)率分析等手段，系統(tǒng)性地研究鑄態(tài)與均勻化態(tài)微觀組織和電導(dǎo)率性能，為鑄錠的后續(xù)擠壓加工提供良好的技術(shù)基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)選用2219 合金，合金成分如表1 所示。試驗(yàn)鑄錠規(guī)格為φ582 mm×700 mm。采用直接水冷半連續(xù)鑄造，鑄造之前在引錠頭鋪滿鋁屑（假底），鑄造過(guò)程中采用精煉劑、氬氣進(jìn)行熔體精煉處理，鑄造溫度為720 ～740 °C，速度為25 mm/min，水流量控制在10～12 m3/h 之間，收尾階段進(jìn)行回火處理。

表 1 2219 合金化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of 2219 alloy

1.2 試驗(yàn)方法

分別在鑄錠橫截面的邊部、1/2 半徑（R）及心部切取試樣進(jìn)行微觀組織結(jié)構(gòu)觀察分析。使用Keller 試劑進(jìn)行腐蝕處理，腐蝕時(shí)間為15 s。采用光學(xué)金相顯微鏡進(jìn)行金相顯微組織觀察，之后進(jìn)行陽(yáng)極覆膜，在偏光下觀察高倍晶粒組織。使用配有能譜分析系統(tǒng)的掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope, SEM）分析枝晶組織溶解情況以及第二相的尺寸、分布形態(tài)。此次均勻化熱處理制度設(shè)定為525 °C×22 h。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 擬計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)熱力學(xué)相圖模擬計(jì)算，對(duì)2219 合金相組成進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算分析。圖1 為Al-6.0Cu-0.35Mn-0.15Fe-0.1Si 合金在理想狀態(tài)下相組成與溫度關(guān)系曲線。由圖1 可以看出，理想狀態(tài)下合金由Al2Cu、Al6Mn、Al7Cu2Fe （Al7Cu2M）、Al20Cu2Mn3、α-固溶體組成。

圖 1 理想狀態(tài)下2219 合金相組成與溫度關(guān)系Fig.1 Relationship between phase composition and temperature of 2219 alloy under ideal conditions

圖2 為2219 合金元在均勻化過(guò)程元素含量分布圖。從圖2（a）中可看出：在開(kāi)始階段，鑄態(tài)下Cu 元素在晶界上聚集，晶內(nèi)含量相對(duì)較少，含量最高處與含量最低處差值達(dá)45.00%，Mn 元素存在著輕微偏析，其含量差值為0.45%；均勻化過(guò)程結(jié)束時(shí)，合金元素成分偏析基本消除，各元素分布均勻。

2.2 微觀組織分析

圖3 為合金不同位置晶粒圖。由圖3 可以看出，晶粒內(nèi)部的枝晶呈網(wǎng)胞狀結(jié)構(gòu)，其中邊部晶粒最為細(xì)小，且分布均勻。合金中晶粒大小為：邊部＜1/2R 處＜心部。不同區(qū)域晶粒尺寸不一致是由于邊部冷卻速度快，冷卻強(qiáng)度大，過(guò)冷度大，形核率大，晶粒尺寸?。恍牟坷鋮s強(qiáng)度小，熱量擴(kuò)散慢，晶粒長(zhǎng)大時(shí)間充分，因而邊部晶粒較均勻細(xì)小，心部晶粒較大。

在直接水冷半連續(xù)鑄造過(guò)程中，較高的冷卻強(qiáng)度引起溶質(zhì)濃度過(guò)低和溫度過(guò)冷，凝固后的鑄態(tài)組織偏離平衡狀態(tài)，在晶界和枝晶界上存在著非平衡脆性結(jié)晶相，晶內(nèi)成分分布不均[10]。如圖4 所示，基體α-固溶體呈樹(shù)枝狀，枝晶網(wǎng)絡(luò)密集，存在嚴(yán)重枝晶偏析，晶界和枝晶界上存在非平衡相，枝晶臂間距從心部到邊部逐漸減小。

圖 2 成分偏析的模擬分析Fig.2 Simulated analysis of component segregation

圖 3 不同位置晶粒圖Fig. 3 Images of the grains at different positions

圖 4 鑄態(tài)合金不同部位的顯微組織Fig. 4 Microstructures at different positions of the as-cast alloy

圖5 為均勻化態(tài)組織形貌。由圖5（a）可以看出，經(jīng)均勻化處理后，枝晶網(wǎng)絡(luò)稀疏，網(wǎng)絡(luò)基本消失，晶界和枝晶界上非平衡第二相大部分回溶到基體中；由圖5（b）可以看出，晶界附近存在無(wú)溶質(zhì)析出帶，晶內(nèi)存在許多細(xì)小的彌散顆粒，其形狀為塊狀或針狀。這種情況的產(chǎn)生是由于半連續(xù)鑄造冷卻強(qiáng)度較大，部分合金原子來(lái)不及從固溶體中析出，形成過(guò)飽和固溶體，在均勻化過(guò)程中，原子的擴(kuò)散系數(shù)增大，且溶解度減小，合金原子從過(guò)飽和α-固溶體中均勻地?cái)U(kuò)散析出。

圖 5 均勻化態(tài)合金不同部位的顯微組織Fig.5 Microstructures at different positions of the homogenized alloy

圖 6 鑄態(tài)合金的SEM 圖及元素分布圖Fig. 6 SEM and element distribution images of the as-cast alloy

2.3 能譜分析

圖6 為鑄態(tài)下2219 合金的SEM 圖和Cu、Mn 元素面掃描圖。從圖6（a）可以看出，晶界上存在大量非平衡相（點(diǎn)1、3），形態(tài)呈網(wǎng)格狀，并有長(zhǎng)條狀的第二相（點(diǎn)2）穿插其中，結(jié)合表2 能譜分析結(jié)果、圖1 模擬計(jì)算結(jié)果及相關(guān)文獻(xiàn)[11]，可推測(cè)網(wǎng)格狀非平衡第二相為共晶相θ（Al2Cu）、Al20Cu2Mn3相，長(zhǎng)條 狀 的 為Al7Cu2（ Fe、 Mn） 。 此 處CuAl2相 與Al7Cu2（Fe、Mn）為脆性相，使合金的塑性降低，不利于合金后期加工成型[12-13]。從圖6（b）、（c）可以看出，合金晶界處存在成分偏析，Cu 元素尤為嚴(yán)重，元素濃度由晶內(nèi)向晶界遞增。

圖7 為鑄態(tài)下2219 合金的SEM 圖和Cu、Mn 元素面掃描圖。從圖7（a）可以看出，均勻化處理后亞穩(wěn)態(tài)的網(wǎng)狀非平衡共晶相大部分溶解，枝晶網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)被破壞，晶界上仍存在部分未溶解、粗大的結(jié)晶相CuAl2。這是由于2219 合金中Cu 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.0%，高于Cu 在Al 中最大溶解度5.7%（547 °C 時(shí)），因而有部分Cu 溶質(zhì)原子無(wú)法回溶到鋁基體中；另外，在晶內(nèi)有大量塊狀、針狀的彌散相析出，結(jié)合表2能譜分析結(jié)果推測(cè)為Al2Cu 相。由圖7（b）可知，均勻化處理后Cu 元素分布均勻，在均勻化溫度下，Cu 原子擴(kuò)散系數(shù)增大，在長(zhǎng)時(shí)間的高溫條件下，原子不斷由高濃度的晶界向低濃度的晶內(nèi)擴(kuò)散，原子均勻地分布，成分偏析基本消除[14]。上述能譜分析、掃描結(jié)果與模擬計(jì)算結(jié)果相符。

表 2 鑄態(tài)和均勻化態(tài)合金的能譜分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）Tab.2 Energy spectrum analysis results of the as-cast and homogenized alloys (mass fraction/%)

圖 7 均勻化態(tài)合金的SEM 圖及元素分布圖Fig. 7 SEM and element distribution images of the homogenized alloy

2.4 性能分析

表3 為2219 合金在不同狀態(tài)下的電導(dǎo)率。與鑄態(tài)相比，均勻化后合金的電導(dǎo)率提高。這是由于在半連續(xù)鑄造急冷條件下，合金組織為亞穩(wěn)態(tài)的過(guò)飽和α-固溶體，固溶度較高，溶入基體中溶質(zhì)數(shù)量較多，導(dǎo)致晶格畸變較大，對(duì)電子的散射作用增大，使合金的電導(dǎo)率降低；而均勻化熱處理過(guò)的合金溶質(zhì)原子從亞穩(wěn)態(tài)固溶體中彌散析出，合金元素在基體中固溶度降低，電子散射減弱，電導(dǎo)率明顯提高[15]。

表 3 鑄態(tài)和均勻化態(tài)合金的電導(dǎo)率Tab.3 Electrical conductivity of the as-cast and homogenized alloys%IACS

3 結(jié) 論

（1）2219 合金的鑄態(tài)組織存在嚴(yán)重枝晶偏析，在晶界上聚集大量的Al2Cu 相，并有長(zhǎng)條狀的脆性相Al7Cu2（Fe、Mn）穿插在晶界上。

（2）525 °C×22 h 均勻化處理后，晶界上Al2Cu相部分回溶到基體中，枝晶網(wǎng)絡(luò)被破壞，Cu 元素在晶內(nèi)均勻分布，熱力學(xué)模擬計(jì)算結(jié)果與能譜分析、面掃描結(jié)果相一致。

（3）均勻化處理后，處于亞穩(wěn)態(tài)的溶質(zhì)原子從過(guò)飽和固溶體中析出，在晶內(nèi)呈細(xì)小、彌散地分布，基體溶質(zhì)原子固溶度降低，電子散射作用減弱，電導(dǎo)率提高10 %IACS。