固溶溫度對(duì)2026鋁合金擠壓棒材組織與性能的影響

孔淑萍,朱慶豐，3,凌 放,孫 上,左玉波

(1.東北大學(xué) 材料電磁過程研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 沈陽 110819； 2.東北大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110819； 3.材料先進(jìn)制備技術(shù)教育部工程研究中心，遼寧 沈陽 110819)

2×××系鋁合金又稱Al-Cu-Mg系合金，具有良好的綜合性能，被廣泛應(yīng)用于航天航空工業(yè)[1]。從20世紀(jì)30年代2024-T3鋁合金在飛機(jī)上得到成功應(yīng)用以來，不斷有新的2×××鋁合金被開發(fā)注冊(cè)。在2024鋁合金的基礎(chǔ)上，通過降低Fe、Si含量，美國(guó)鋁業(yè)公司于1970年開發(fā)了韌性更好的2124鋁合金。1978年通過進(jìn)一步降低Fe、Si含量，限制Cu元素，開發(fā)了2224鋁合金，已經(jīng)用于制造波音767等飛機(jī)的結(jié)構(gòu)件。1995年又開發(fā)出綜合性能更好的2524鋁合金，該合金已于1999年起，用于制造歐洲空客公司的A340-600型客機(jī)[2]。美鋁公司于1999年注冊(cè)了2026鋁合金，通過優(yōu)化合金元素和增加Zr元素，進(jìn)一步提高了合金的綜合性能，其疲勞強(qiáng)度和斷裂韌性較2024鋁合金有較大程度的提高，是飛機(jī)下翼面桁條的擠壓型材的理想材料。我國(guó)研制ARJ2l-700采用了2026鋁合金[3]。

2026鋁合金作為一種新合金已經(jīng)獲得了較廣泛的研究，Li[4]等人研究了2026鋁合金的疲勞性能，發(fā)現(xiàn)粗大含F(xiàn)e相的附近容易萌生疲勞裂紋，而不同再結(jié)晶程度的晶界特征對(duì)疲勞裂紋的擴(kuò)展有不同的影響。Lam D F[5]等人研究了2026鋁合金T3511狀態(tài)的拉伸性能，發(fā)現(xiàn)樣品寬度的增加通常會(huì)導(dǎo)致應(yīng)變集中系數(shù)的增加。Jiang D B[6]等人研究了均勻化退火對(duì)2026鋁合金組織的影響，明確了該合金的最優(yōu)均勻化退火工藝。2026鋁合金高溫壓縮熱變形行為也獲得了廣泛的研究[7-10]，這些研究明確了該合金的最優(yōu)成形工藝。

盡管上述研究圍繞著合金組織與性能之間的關(guān)系及形變熱處理制度開展了較為廣泛的研究，并取得了很多有價(jià)值的結(jié)果，但2026鋁合金作為一種新合金，其變形及熱處理制度的研究還不夠系統(tǒng)。固溶工藝是決定可時(shí)效強(qiáng)化鋁合金組織特征的重要環(huán)節(jié)，直接影響著合金最終性能。固溶制度的選擇既要獲得盡可能多的過飽和固溶體又要避免過燒，同時(shí)還要調(diào)控合金的再結(jié)晶程度。已有大量科研工作者對(duì)不同合金的固溶工藝開展了較為詳細(xì)的研究，并發(fā)現(xiàn)固溶工藝對(duì)合金的組織及性能有明顯的影響。朱冉冉[11]等人研究單級(jí)固溶處理對(duì)7136鋁合金的影響，試驗(yàn)出對(duì)7136鋁合金來說較為適宜的固溶制度。李華冠[12]研究固溶處理對(duì)新型鋁鋰合金的組織與性能影響，指出隨著固溶溫度的升高，合金彌散的析出相長(zhǎng)大，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度升高，韌性下降。李俊[13]等人研究了不同雙級(jí)固溶處理對(duì)2A14鋁合金力學(xué)性能及組織的影響，獲得了較高程度的過飽和固溶體，僅發(fā)生了部分再結(jié)晶，獲得最佳工藝。但有關(guān)2026鋁合金固溶制度研究的相關(guān)報(bào)道仍比較少，本試驗(yàn)主要研究固溶溫度對(duì)2026鋁合金組織及自然時(shí)效后性能的影響，旨在為高質(zhì)量2026鋁合金材料制備提供技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為2026鋁合金鑄錠經(jīng)均勻化退火、擠壓變形后得到的棒材。其均勻化退火溫度為465 ℃，保溫30 h，擠壓速度為60 mm/min，擠壓過程中擠壓筒的溫度為440 ℃，擠壓比為28.7，擠壓后的棒材直徑為28 mm。用直讀光譜儀測(cè)得合金的成分如表1所示。

表1 2026鋁合金的實(shí)測(cè)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Measured composition of 2026 aluminum alloy(wt/%)

1.2 試驗(yàn)方法

將擠壓棒材連續(xù)鋸切成120 mm長(zhǎng)的小段，在井式退火爐中進(jìn)行固溶處理，用測(cè)溫偶檢測(cè)試樣溫度。當(dāng)試樣溫度達(dá)到設(shè)定溫度開始計(jì)時(shí)，保溫1 h后，將試樣迅速取出并進(jìn)行淬火，淬火水溫為20 ℃，淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間小于15 s。通過改變固溶溫度明確試樣的再結(jié)晶及過燒情況，將具體的固溶溫度分別設(shè)定為480 ℃、500 ℃、510 ℃、520 ℃、535 ℃、540 ℃、545 ℃、550 ℃、555 ℃。對(duì)固溶淬火后的試樣進(jìn)行微觀組織觀察，在圓棒試樣1/2半徑處取金相試樣，經(jīng)過粗拋、精拋后用OlympusBX53-P偏光顯微鏡觀察試樣的過燒情況，對(duì)試樣進(jìn)行陽極覆膜，觀察試樣的再結(jié)晶情況。

將淬火后的試樣經(jīng)過40 d的自然時(shí)效后加工成如圖1所示的標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣。每組試驗(yàn)取3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，并用100 kN電子萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試試樣的拉伸性能，拉伸結(jié)果取平均值，拉伸方向?yàn)閿D壓方向，速率設(shè)定為2 mm/min。

圖1 拉伸試樣尺寸圖(單位：mm)Fig.1 Schematic diagram of a tensile sample

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 微觀組織

圖2為不同固溶溫度處理、淬火后試樣1/2半徑處徑向的偏光組織。由圖2可以看出，不同的固溶處理溫度條件下試樣的偏光組織存在較大的差異。當(dāng)固溶溫度在480 ℃～535 ℃范圍內(nèi)時(shí)，試樣的偏光組織呈纖維狀，沒有明顯的再結(jié)晶現(xiàn)象，如圖2a～e及圖2e中A區(qū)域?qū)?yīng)的高倍照片圖3a所示；當(dāng)固溶溫度在540 ℃～545 ℃范圍內(nèi)時(shí)，試樣的偏光組織仍主要呈纖維狀，但部分纖維狀組織已經(jīng)發(fā)生了局部再結(jié)晶現(xiàn)象，如圖2f～g及圖3g中B區(qū)域?qū)?yīng)的高倍照片圖3b所示；當(dāng)固溶溫度在550 ℃～555 ℃范圍內(nèi)時(shí)，發(fā)生明顯再結(jié)晶現(xiàn)象，晶粒較為粗大，且在555 ℃發(fā)生完全再結(jié)晶，如圖2h～i及圖2i中C區(qū)域?qū)?yīng)的高倍照片圖3c所示。

圖2 2026鋁合金棒材經(jīng)不同固溶溫度保溫1 h、淬火后的偏光組織Fig.2 Polarization microstructure of 2026 Al alloy bar sample at different solution temperatures holding 1h after quenching

圖3 圖2局部放大的偏光圖Fig.3 Partially enlarged polarization figures of Fig. 2

圖4為不同溫度固溶處理后試樣1/2半徑處徑向的金相顯微組織。由圖4可以看出，不同的固溶處理溫度條件下試樣的微觀組織存在較大的差異。當(dāng)固溶溫度在480 ℃～510 ℃范圍內(nèi)時(shí)，可以看到殘余相大面積的回溶，灰白片狀物(圖5a中的標(biāo)注1)隨著溫度的升高而減少，可以從圖4中a、c中 A、B區(qū)域?qū)?yīng)的高倍照片圖5a、b中看出，利用Image-Proplus 6.0軟件統(tǒng)計(jì)其殘余相的所占面積，其殘余相的所占面積百分比由480 ℃的1.8%下降到510 ℃的0.6%；當(dāng)固溶溫度為520 ℃時(shí)，合金開始發(fā)生過燒，出現(xiàn)復(fù)熔球如圖4d所示，經(jīng)測(cè)量這些復(fù)熔球的直徑在5 μm～10 μm之間，隨著溫度的升高，復(fù)熔球直徑的尺寸有明顯的變大，過燒現(xiàn)象加劇；當(dāng)固溶溫度為555 ℃時(shí)，如圖4i中C區(qū)域?qū)?yīng)的高倍照片圖5c中所示，復(fù)熔球直徑可達(dá)15 μm(圖5c中的標(biāo)注2)，同時(shí)還出現(xiàn)晶界變粗(圖5c中標(biāo)注3)，以及三角形晶界的現(xiàn)象。

圖4 2026鋁合金棒材不同固溶溫度保溫1 h、淬火后的金相組織Fig.4 Microstructures of 2026 Al alloy rod at different solid solution temperatures holding 1h after quenching

圖5 圖4局部放大的顯微圖Fig.5 Partially enlarged micrograph of Fig. 4

2.2 拉伸性能

不同溫度固溶試樣經(jīng)淬火和40 d自然時(shí)效后的拉伸性能如圖6所示。由圖6可以看出，隨著固溶溫度的升高，合金的強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率先升高，再持平，后下降。當(dāng)固溶溫度由480 ℃升高到510 ℃，合金的屈服強(qiáng)度由342 N/mm2提高到406 N/mm2，抗拉強(qiáng)度由507 N/mm2提高到589 N/mm2，伸長(zhǎng)率由16.1%提升到17.1%；當(dāng)固溶溫度510 ℃～545 ℃時(shí)，試樣強(qiáng)度變化并不明顯，屈服強(qiáng)度在395 N/mm2～409 N/mm2波動(dòng)，抗拉強(qiáng)度在567 N/mm2～588 N/mm2波動(dòng)，伸長(zhǎng)率由17.1%下降到14.6%；固溶溫度提高至555 ℃，試樣的屈服強(qiáng)度為342 N/mm2，抗拉強(qiáng)度為481 N/mm2，伸長(zhǎng)率為10.1%。

圖6 拉伸性能隨固溶溫度的變化曲線Fig.6 The variation curves of tensile properties with solution temperature

3 分析與討論

當(dāng)擠壓溫度低于再結(jié)晶溫度時(shí)，鋁合金擠壓變形后會(huì)形成纖維狀組織，在基體內(nèi)還會(huì)存在一些析出相和殘余相。在固溶過程中，隨著固溶溫度的升高纖維狀組織會(huì)發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶[14]，而析出相和殘余相則會(huì)發(fā)生回溶或局部熔化(過燒)，因此固溶溫度直接影響合金的再結(jié)晶程度、固溶量和過燒程度。本試驗(yàn)條件下，2026鋁合金試樣當(dāng)固溶溫度達(dá)到540 ℃時(shí)，開始發(fā)生局部再結(jié)晶；當(dāng)固溶溫度達(dá)到550 ℃時(shí)，試樣發(fā)生比較完全的再結(jié)晶；當(dāng)固溶溫度為520 ℃時(shí)，殘余相開始熔化形成小尺寸復(fù)熔球；當(dāng)固溶溫度升至555 ℃時(shí)，復(fù)熔球的數(shù)量尺寸開始增大。對(duì)于本試驗(yàn)條件下的2026鋁合金棒材通過調(diào)控固溶溫度無法獲得無過燒相的再結(jié)晶組織。

2026鋁合金固溶時(shí)效后的拉伸性能受基體再結(jié)晶程度、過燒程度和析出相數(shù)量等因素的影響。再結(jié)晶降低了合金的形變儲(chǔ)能，可以提高塑性，但會(huì)降低強(qiáng)度。析出相數(shù)量的增加提高合金的強(qiáng)度，但會(huì)降低塑性。過燒相對(duì)合金的危害與其形狀和尺寸有關(guān)，由于拉伸過程的加工硬化現(xiàn)象，當(dāng)過燒相尺寸較小時(shí)不會(huì)對(duì)拉伸性能有明顯影響[15]，當(dāng)過燒相尺寸較大且數(shù)量較多時(shí)則會(huì)顯著降低拉伸性能。本試驗(yàn)條件下，隨著固溶溫度的提高，鋁基體中溶質(zhì)元素的溶解度增加，更多的溶質(zhì)元素溶入基體中，在后續(xù)的時(shí)效過程中可以析出更多的強(qiáng)化相，有利于提高強(qiáng)度。隨著固溶溫度的提高，2026鋁合金通過回復(fù)再結(jié)晶釋放形變儲(chǔ)能，會(huì)在一定程度下降低合金的強(qiáng)度。盡管當(dāng)固溶溫度為520 ℃時(shí)，試樣發(fā)生了輕微過燒，但其對(duì)強(qiáng)度的影響有限，而固溶量增加對(duì)強(qiáng)度的增加效果明顯，因此當(dāng)固溶溫度由480 ℃升至520 ℃，合金的強(qiáng)度增加。當(dāng)固溶溫度在520 ℃～545 ℃時(shí)，隨著固溶溫度的升高一方面元素固溶量增加有利于增加強(qiáng)度，另一方面復(fù)熔球的數(shù)量增加不利于增加強(qiáng)度，二者綜合作用下，強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。溫度升至555 ℃時(shí)，試樣的復(fù)熔球數(shù)量和尺寸明顯增加，過燒缺陷對(duì)拉伸性能的影響占主導(dǎo)，合金的強(qiáng)度和塑性均明顯降低。

4 結(jié) 論

1)2026鋁合金擠壓棒材經(jīng)520 ℃1 h固溶后發(fā)生輕微過燒并出現(xiàn)復(fù)熔球，繼續(xù)提高固溶溫度過燒相的數(shù)量和尺寸增加；當(dāng)固溶溫度提高到555 ℃時(shí)復(fù)熔球直徑可達(dá)15 μm，并出現(xiàn)復(fù)熔的三角晶界。

2)2026鋁合金擠壓棒材經(jīng)540 ℃1 h固溶后發(fā)生較明顯的局部再結(jié)晶，經(jīng)555 ℃1 h固溶后發(fā)生完全再結(jié)晶。

3)不同溫度(480 ℃～555 ℃)固溶、淬火后的2026鋁合金擠壓棒材經(jīng)40 d的自然時(shí)效后，試樣的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度先從480 ℃固溶時(shí)的342 N/mm2和507 N/mm2增加到510 ℃固溶時(shí)的406 N/mm2和589 N/mm2，再降低至555 ℃時(shí)的342 N/mm2和481 N/mm2。伸長(zhǎng)率由480 ℃固溶時(shí)的16.1%增加至510 ℃固溶時(shí)的17.1%，再降至555 ℃固溶時(shí)的10.1%。最佳固溶制度為510 ℃1 h。