趙釗+馮朝輝

摘要：

2024-O鋁型材成形后，需要進行熱處理才能達到最終的T62狀態(tài).合適的熱處理工藝參數(shù)會得到性能較理想的最終型材，但是熱處理工藝的最佳參數(shù)對熱處理的工藝控制要求很高，因此很難確定.首先經(jīng)由2024-O鋁型材熱處理工藝試驗，系統(tǒng)地研究了固溶處理制度、淬火和人工時效制度等工藝因素對合金顯微組織和力學(xué)性能的影響.其次，采用透射電子顯微鏡（TEM）和X射線衍射儀（XRD），在微觀上研究不同制度下，型材微結(jié)構(gòu)的變化與增強相的析出.最后確定了實驗室條件下2024-O狀態(tài)鋁型材T62熱處理的最佳工藝參數(shù)，即（490～505）℃×（20～40）min+（185～195）℃×（8～14）h.在該制度下，型材合金具備較優(yōu)的綜合性能.

關(guān)鍵詞：

2024型材料； T62熱處理工藝； 顯微組織； 力學(xué)性能

中圖分類號： TS 912+.3-文獻標志碼： A

Study on Microstructure and Properties of 2024 Aluminum

Parts by T62 Heat Treatment

ZHAO Zhao1， FENG Zhaohui2

（1.College of Engineering and Applied Sciences， Nanjing University， Nanjing 210023， China；

2.Beijing Institute of Aeronautical Materials， Beijing 100095， China）

Abstract：

In order to get relatively ideal property of T62 state on 2024-O aluminum alloy，it needs to be heat treatment with appropriate parameters after molded.It is not easy to get the optimal parameters from the heat treatment which is still very challenge as it require highly control.In this study，2024-O aluminum alloy was systematically studied on microstructure and mechanical properties under various processing，such as solution temperature，holding time，quenching，and artificial aging system.The microstructure has been changed and the precipitate phase has been enhanced where observed by using TEM and XED.Finally，the alloy with better comprehensive performance was obtained by the confirmed parameters of （490-505）℃/（20-40）min+（185-195）℃/（8-14）h，which is the most suitable parameter for 2024-O aluminum alloy with T62 state inlaboratory condition.

Keywords：

2024-O aluminum alloy； T62 heat treatment； microstructure； mechanical property

2024鋁合金廣泛應(yīng)用于航空、航天、雷達等高科技產(chǎn)品的制造[1-4]，而且目前在科研領(lǐng)域，2024鋁合金材料的組織、第二相析出、性能的熱處理形成規(guī)律的研究也取得了較多的成果[5-7].在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，形狀復(fù)雜的2024鋁合金航空零件一般會采用O狀態(tài)材料，之后熱處理至T62狀態(tài)[2].研究使用何種熱處理制度可得到最佳綜合性能的鋁合金型材，一直是工程技術(shù)領(lǐng)域的研究重點[8-9].2024-T62鋁合金零件的熱處理方式，主要由固溶淬火與人工強制時效兩個步驟組成，這兩個步驟涉及大量影響第二相析出的因素[10-14]，從而導(dǎo)致了性能的變化[15-16]，因而2024-T62鋁合金零件熱處理的第二相析出及性能會隨著這些因素的變化而有規(guī)律地改變.研究2024-T62零件熱處理工藝參數(shù)對第二相析出及性能形成規(guī)律對航空復(fù)雜零件的生產(chǎn)具有非常重要的指導(dǎo)意義.因此，本文研究了2024鋁合金O狀態(tài)型材T62熱處理工藝關(guān)鍵參數(shù)對材料性能及第二相析出的規(guī)律.

1 試驗材料及方法

試驗選用飛機窗框用2.0 mm規(guī)格O狀態(tài)2024鋁合金型材，研究不同固溶溫度對零件性能的影響，確定較優(yōu)的固溶溫度.首先通過研究不同固溶時間對2024鋁合金試樣拉伸性能的影響，確定較優(yōu)的固溶處理制度，研究人工強制時效工藝對零件性能及第二相析出的影響，確定2024鋁合金試樣的T62時效制度.

采用透射電子顯微鏡（TEM）和X射線衍射儀（XRD）研究析出的第二相.

1.1 固溶處理對型材性能的影響

2024鋁合金為可熱處理強化鋁合金，固溶處理對力學(xué)性能的影響很大[17].所以，試驗首先研究不同固溶制度下型材拉伸性能的變化.試驗采用規(guī)格為2.0 mm的O狀態(tài)型材，合金型材熱差分析確定2024鋁型材的過燒點低于508 ℃.因此，試驗選取固溶制度為480，485，490，495，500，503和505 ℃，分別固溶35 min.根據(jù)試驗結(jié)果，選用495 ℃為固溶溫度，保溫時間為20～50 min，每隔5 min取1個時間點，對試樣進行拉伸測試，研究固溶時間對型材力學(xué)性能的影響.

1.2 時效制度對型材組織及性能的影響

設(shè)定固溶制度為495 ℃×35 min，選用室溫水為淬火介質(zhì)，選擇不同時效溫度和時效時間進行試驗，研究不同時效制度下型材組織和性能的變化.具體時效參數(shù)為：175，785，190，195和200 ℃分別時效6，7，8，9，10，11，12，13和14 h.隨后，將190 ℃×9 h，190 ℃×16 h和200 ℃×9 h時效的試驗合金進行TEM觀察和XRD分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 固溶處理對試驗合金性能的影響

根據(jù)固溶處理的方案，測定每個試樣的結(jié)果，繪制曲線，如圖1所示.從圖1中可以看出， 固溶溫度在480～490 ℃時，試驗合金的室溫力學(xué)性能不穩(wěn)定；而在490～505 ℃時，試驗合金的室溫力學(xué)性能趨于穩(wěn)定.在490～505 ℃時，強度隨溫度升高穩(wěn)步提高，伸長率（δ10）沒有明顯波動.因此在490～505 ℃固溶，可以滿足試驗合金的室溫力學(xué)性能要求.

圖2為固溶時間對試驗合金力學(xué)性能的影響.從圖2中可以看出，試驗合金的強度和伸長率在保溫20～40 min時，性能穩(wěn)定，保持著較好的強韌匹配.當固溶時間>40 min時，試驗合金的力學(xué)性能隨保溫時間的延長而波動較大.試驗合金的室溫拉伸強度隨固溶時間的變化而變化，并且圍繞固定值波動，而20～40 min內(nèi)的屈服強度、抗拉強度和伸長率變化不大，與總體平均值相近.因此，固溶時間為20～40 min，可滿足試驗合金的室溫力學(xué)性能的要求.綜上所述，2024鋁合金型材較優(yōu)的固溶制度為（490～505） ℃×（20～40） min.

2.2 時效制度對試驗合金組織性能影響

2.2.1 室溫拉伸性能

2024鋁合金型材經(jīng)過不同時效處理后的屈服強度如圖3所示.當時效溫度為175 ℃，時效6～16 h后， 試驗合金的屈服強度均處于較低的水平.當時效時間為16 h時，屈服強度為360 MPa，略高于標準的規(guī)定.當時效溫度為185 ℃時，時效后的屈服強度均高于標準規(guī)定的345 MPa.隨著時效時間的延長，屈服強度不斷提高.時效時間為14 h時，達到最高393 MPa，隨后屈服強度逐漸降低.當時效溫度為190 ℃時，在整個時效過程中，材料的屈服強度均保持在較高的水平，為379～403 MPa，比退火態(tài)提高300 MPa左右.當時效10～12 h時，屈服強度達到最高，約為403 MPa.隨時效時間的延長，試驗合金的過時效響應(yīng)較慢，時效16 h后，屈服強度仍可達到380 MPa左右.當時效溫度為195 ℃時，時效僅6 h，屈服強度即達到400 MPa左右.隨時效時間的延長，試驗合金的屈服強度逐漸降低.時效14 h后，過時效響應(yīng)加快，屈服強度顯著降低.當時效溫度提高到200 ℃時，隨時效時間的增加，材料的屈服強度逐漸降低，而且降低的速度較快.當時效10 h時，屈服強度為337 MPa，不滿足標準要求.

2024鋁合金型材不同時效處理后的伸長率如圖4所示.當時效溫度為175～200 ℃、時效時間為6～16 h時，試驗合金的伸長率隨時效時間的弛豫均呈降低趨勢.時效溫度升高后，降低的速度放緩.不同制度下的伸長率均與標準要求相符.比較之下，175 ℃時效，試驗合金的伸長率略高，韌性較好.

綜上所述，時效溫度為190 ℃、時效時間為8～14 h時，試驗合金具有較好的力學(xué)性能，工藝參數(shù)范圍較寬.考慮到試驗合金時效后的強度，以及強韌的匹配程度和工業(yè)化生產(chǎn)的工藝控制，2024鋁合金型材較優(yōu)的T62熱處理制度為（185～195） ℃×（8～14） h.

2.2.2 組織TEM觀察及分析

試驗合金經(jīng)190 ℃×9 h、190 ℃×16 h和200 ℃×9 h時效后的TEM明場像見圖5. 特征析出相的電子衍射花樣見圖6.由圖5可以看出，試驗合金經(jīng)過不同溫度和時間時效后，析出相的大小、形狀及分布有明顯的差別.當時效制度為190 ℃×9 h時，析出相以長棒狀為主，也有少量較粗的短棒狀和片狀析出相彌散分布，如圖5（a）所示.時效時間延長至16 h，棒狀析出相數(shù)量減少、粗化，細長薄片狀析出相數(shù)量增加，并沿同一方向分布，如圖5（b）所示.當時效溫度升高到200 ℃時，棒狀析出相明顯減少、粗化；細長薄片狀析出相增多，長度增加，粗化，沿3個方向互成60 °析出，交錯分布，如圖5（c）所示.

由電子衍射花樣分析表明，長棒狀析出相為Al2CuMg，即S（或S ′ ）相，如圖6（a）所示.S（或S ′ ）相為正交結(jié)構(gòu)，空間群Cmcm，點陣參數(shù)a=0.4 nm，b=0.923 nm，c=0.714 nm.S相和S ′ 相的晶體結(jié)構(gòu)、點陣參數(shù)以及位向關(guān)系均完全一致，只在某個方向上的錯配有所不同，因而通常無法區(qū)分.

較粗的短棒狀析出相為Al7Cu2Fe相，如圖6（b）所示.Al7Cu2Fe相屬于四方結(jié)構(gòu)，空間群為P4/mnc，點陣參數(shù)a=0.633 6 nm，c=1.487 0 nm.

在圖6（a）中，除了Al的[122]衍射譜和Al2CuMg的[011]衍射譜外，還可找出另一套很弱的電子衍射花樣，從拉長的斑點及其拉長方向來看，來自細長薄片狀析出相.

2.2.3 試驗合金的XRD分析

試驗合金的XRD圖譜如圖7所示.兩個試樣中均含有Al基體、Al2CuMg和Al7Cu2Fe相.經(jīng)過高溫時效后，在200 ℃×9 h時效的試樣中發(fā)現(xiàn)了Al2Cu的衍射峰，見圖7（b），表明在TEM分析中未能標定出的細長薄片狀析出相可能是Al2Cu相，即θ（或θ ′ ）相.在高溫時效后，Al2Cu相增多，使得在XRD圖譜中出現(xiàn)其衍射峰，這與圖5中200 ℃×9 h時效制度下，試樣中的細長薄片狀析出相變多、粗化的現(xiàn)象一致.

2XXX系鋁合金強化主要靠細小彌散分布的強化相，試驗中2024鋁合金型材晶內(nèi)的主要析出相為S ′ （主要強化相）+θ ′ （θ）.試驗結(jié)果表明，隨著時效時間的延長和時效溫度的升高，S ′ +θ ′ （θ）相粗化，并且密度減小，導(dǎo)致試驗合金的屈服強度及塑性降低.當進行190 ℃×9 h時效后，試驗合金的屈服強度均保持在較高的水平，析出相以長棒狀為主，且細小彌散.當時效溫度提高到195～200 ℃時，隨時效時間的延長，試驗合金的屈服強度逐漸降低，棒狀析出物數(shù)量減少、粗化，細長薄片狀析出物數(shù)量增多，晶內(nèi)析出相主要是S ′ +θ ′ ，由于時效溫度較高，導(dǎo)致析出相形核及長大速度明顯加快，200 ℃時效9 h，析出相明顯粗化，因而屈服強度低于190 ℃時效后.

3 結(jié) 論

（1） 2024鋁合金型材T62熱處理制度為：（490～505）℃×（20～40）min+（185～195）℃×（8～14）h，該制度下型材的性能最為理想，其屈服強度、抗拉強度和伸長率分別為377、481 MPa和11.0%.

（2） 主要強化相是細小彌散分布的正交結(jié)構(gòu)長棒狀析出相Al2CuMg，即S（或S ′ ）相；次要強化相是細長薄片狀析出相Al2Cu，即θ（或θ ′ ）相.這兩種相的共同存在，使得材料的屈服強度均保持在較高的水平.

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