李 霏，錢慧來(lái)，申夢(mèng)清，王 恒，楊 偉

(西安工業(yè)大學(xué) 材料與化工學(xué)院，西安 710021)

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)高壓共軛噴油和高效渦輪增壓技術(shù)的出現(xiàn)，功率的不斷提升，柴油機(jī)燃燒室關(guān)鍵構(gòu)件承受高溫、高壓及高工作頻率，使得活塞燃燒室最高工作溫度由350 ℃升高至420 ℃，最高爆發(fā)壓力由16 MPa升高至22 MPa，最高工作頻率達(dá)到70 Hz。活塞在這種交變高壓、高溫和高頻的惡劣工況下工作，其組織和性能會(huì)發(fā)生衰退，造成活塞的使用壽命降低，甚至導(dǎo)致活塞拉缸或碎裂，造成機(jī)械故障[1-3]。因此，活塞鋁合金材料具有高強(qiáng)韌、高抗熱機(jī)疲勞性和高熱穩(wěn)定性十分必要。

Al-Si-Cu-Ni-Mg系活塞鋁合金中θ(Al2Cu)、ε(Al3Ni)和Q(Al5Cu2Mg8Si6)相形態(tài)大小分布對(duì)其性能起決定性作用，而長(zhǎng)時(shí)間高溫時(shí)效會(huì)導(dǎo)致θ和Q相形態(tài)大小分布發(fā)生明顯變化，導(dǎo)致合金的性能下降[4-8]。根據(jù)文獻(xiàn)[9]可知，活塞鋁合金在持續(xù)高溫條件下，其性能會(huì)在特定時(shí)間內(nèi)迅速下降，而后穩(wěn)定在一定水平。文獻(xiàn)[10]采用力學(xué)性能測(cè)試和電子顯微鏡分析方法研究了DD8合金熱暴露組織穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)合金強(qiáng)化相從晶內(nèi)和晶界析出長(zhǎng)大，導(dǎo)致合金的性能下降；文獻(xiàn)[11]研究了AC8A/Al2O3合金經(jīng)150～350 ℃時(shí)效處理后的組織與性能變化，發(fā)現(xiàn)該合金隨著時(shí)效溫度的升高，其性能下降加快；文獻(xiàn)[12]研究了現(xiàn)役活塞鋁合金經(jīng)350～425 ℃熱暴露處理后的組織與性能，發(fā)現(xiàn)該材料隨時(shí)效溫度的提高，合金力學(xué)性能下降變慢。目前，國(guó)內(nèi)外主要針對(duì)耐高溫合金進(jìn)行中低溫的時(shí)效處理，來(lái)預(yù)測(cè)零部件的可靠性，研究結(jié)果表明，隨著時(shí)效溫度的升高，力學(xué)性能下降加快，其主要由析出相的聚集長(zhǎng)大造成，但通過(guò)高溫時(shí)效來(lái)模擬研究活塞鋁合金在高溫工作過(guò)程中的可靠性分析數(shù)據(jù)較少，因此，研究活塞鋁合金在不同高溫環(huán)境下工作的組織與性能穩(wěn)定性至關(guān)重要。綜上所述，活塞在150～425 ℃交變溫度下服役，其組織與性能必然會(huì)發(fā)生變化，因此，本文通過(guò)模擬活塞鋁合金材料在150～500 ℃高溫條件下的組織和力學(xué)性能的演變，以期為活塞的疲勞壽命預(yù)測(cè)及可靠性提供依據(jù)，同時(shí)對(duì)新活塞鋁合金材料的研制過(guò)程具有重要的指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)原材料為西安工業(yè)大學(xué)自主研發(fā)的高強(qiáng)韌Al-Si-Cu-Ni-Mg系活塞鋁合金，其化學(xué)成分含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)w/%)見(jiàn)表1。

表1 活塞鋁合金主要化學(xué)成分

采用線切割的方法在活塞毛坯頂部切取試驗(yàn)試樣，試樣尺寸(20 mm×20 mm×15 mm)為上下面平行的硬度試塊和直徑?為13 mm棒材。首先對(duì)試樣進(jìn)行固溶處理：500 ℃，6 h，然后在60～80 ℃水中淬火至室溫，最后將試樣放入XMTB-8000高溫干燥箱中分別在150 ℃、250 ℃、350 ℃、425 ℃、450 ℃和500 ℃下進(jìn)行時(shí)效處理，各個(gè)溫度對(duì)應(yīng)的時(shí)效時(shí)間t分別為0 h、1 h、2 h、3 h、5 h、8 h、10 h、15 h、20 h、30 h、50 h和100 h，將完成時(shí)效處理的試樣自然冷卻至室溫。采用HB-3000型布氏硬度計(jì)(載荷為250 kg，壓頭為直徑?為2.5 mm的硬質(zhì)合金球，加載時(shí)間為10 s)進(jìn)行硬度測(cè)試；棒材按照GB/T 228.2—2015加工成直徑?為6 mm標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，在DDL50電子萬(wàn)能拉伸機(jī)上進(jìn)行拉伸性能測(cè)試，拉伸溫度為350 ℃，保溫時(shí)間為20 min，拉伸速率為2 mm·min-1。試樣的顯微組織分別采用Nikon300型光學(xué)顯微鏡、FEI Quanta400F掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope，SEM))和JEM-2010高分辨率透射電子顯微鏡(Transmission Electron Microscope，TEM)進(jìn)行觀察分析，顯微組織分析試樣從時(shí)效處理硬度測(cè)試試樣上截取。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 平衡相圖計(jì)算

采用Pandat相圖計(jì)算軟件計(jì)算得到Al-xSi-4Cu-3Ni-Mg-0.5Fe-0.5Cr合金垂直截面相圖如圖1所示，其中橫坐標(biāo)為Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)w，縱坐標(biāo)為溫度T。從圖1可以看出，該合金的凝固組織為θ(Al2Cu)、ε(Al3Ni)、Q(Al5Cu2Mg8Si6)、Si、β(Al5FeSi)、Al13Cr2和α-Al相，固溶溫度線為509.165 ℃。根據(jù)相圖計(jì)算結(jié)果并參照文獻(xiàn)[9]研究結(jié)果，制定固溶工藝為500±5 ℃，6 h，60～80 ℃水淬。

2.2 活塞鋁合金時(shí)效處理后的力學(xué)性能

合金力學(xué)性能隨時(shí)效溫度和時(shí)效時(shí)間的變化曲線如圖2所示。從圖2(a)可知，時(shí)效溫度為150 ℃時(shí)，合金硬度出現(xiàn)上升-下降-上升-平緩四個(gè)變化階段，明顯出現(xiàn)時(shí)效硬化雙峰，合金布氏硬度分別在5 h和10 h出現(xiàn)時(shí)效硬化峰值，符合該合金的時(shí)效硬化特性。當(dāng)時(shí)效溫度為250～425 ℃時(shí)，合金的布氏硬度隨時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)而迅速降低，當(dāng)時(shí)效時(shí)間達(dá)到20 h以后，趨于穩(wěn)定；時(shí)效溫度為450～500 ℃時(shí)，合金的布氏硬度隨時(shí)效時(shí)間上下波動(dòng)，波動(dòng)范圍較小。350 ℃高溫時(shí)，時(shí)效時(shí)間對(duì)拉伸強(qiáng)度的影響如圖2(b)所示，從圖2(b)可知，時(shí)效溫度為350～500 ℃時(shí)，合金的拉伸強(qiáng)度隨時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)迅速降低，當(dāng)時(shí)效時(shí)間達(dá)到20 h以后，趨于穩(wěn)定。對(duì)比圖2(a)和圖2(b)可知，合金在450～500 ℃時(shí)效的布氏硬度隨時(shí)間的變化規(guī)律與拉伸強(qiáng)度隨時(shí)間的變化規(guī)律不一致。從圖2(c)可知，時(shí)效溫度為150～350 ℃時(shí)，合金的布氏硬度隨時(shí)效溫度升高而降低，當(dāng)時(shí)效溫度大于350 ℃時(shí)，

圖1 Al-xSi-4Cu-3Ni-Mg-0.5Fe-0.5Cr合金垂直截面相圖

合金的布氏硬度隨時(shí)效溫度升高而提高，350 ℃時(shí)效后的性能最低。對(duì)比圖2(a)、圖2(b)和圖2(c)可知，合金時(shí)效后的力學(xué)性能隨溫度的變化規(guī)律一致。

2.3 活塞鋁合金時(shí)效處理后的顯微組織

活塞鋁合金經(jīng)不同溫度時(shí)效處理100 h后的光學(xué)金相組織如圖3所示。從圖3(a)可以看出，固溶處理后的光學(xué)金相顯微組織為粗大的塊狀初生硅和棒狀及顆粒狀的共晶硅，共晶硅均勻分布在鋁基體上。對(duì)比圖3(a)、圖3(b)、圖3(c)和圖3(d)可知，當(dāng)時(shí)效溫度低于425 ℃時(shí)，初生硅和共晶硅形態(tài)大小無(wú)明顯變化。對(duì)比圖3(e)和3(f)可知，當(dāng)時(shí)效溫度高于450 ℃時(shí)，隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，Si原子從α-Al固溶體中脫溶析出細(xì)小硅相，硅相不斷聚集長(zhǎng)大[13]，提高了合金鋁基體硬度。高于450 ℃的時(shí)效溫度比較接近固溶溫度，此溫度段時(shí)效處理具有二次固溶效果[14]，可提高鋁基體硬度，因此，合金經(jīng)450～500 ℃時(shí)效后的布氏硬度無(wú)明顯變化。

為準(zhǔn)確地研究合金鑄造凝固組織隨時(shí)效溫度和時(shí)間的變化規(guī)律，采用顯微硬度計(jì)在掃描(SEM)試樣1和試樣2上作標(biāo)記，保證組織為同一視場(chǎng)。合金未時(shí)效及經(jīng)350 ℃和425 ℃時(shí)效15 h 后的SEM組織如圖4所示。

圖2 活塞鋁合金力學(xué)性能隨時(shí)效溫度和時(shí)間的變化曲線

圖3 活塞鋁合金不同溫度時(shí)效100 h后的光學(xué)金相組織

對(duì)比圖4(a)和4(b)可知，合金350 ℃時(shí)效15 h后凝固組織中高溫強(qiáng)化相Q相和ε相無(wú)明顯變化，對(duì)其力學(xué)性能無(wú)明顯影響。對(duì)比圖4(c)和4(d)可知，合金425 ℃時(shí)效15 h后凝固組織中的ε相無(wú)明顯變化；大量粒狀Q相從α-Al固溶體中析出，提高了合金的硬度和高溫性能。由光學(xué)金相組織和SEM組織變化可知，350 ℃時(shí)效后的力學(xué)性能下降幅度最大，時(shí)效溫度達(dá)到425 ℃時(shí)，合金的力學(xué)性能下降幅度變慢。

為研究時(shí)效對(duì)活塞鋁合金力學(xué)性能的影響，采用透射電子顯微鏡(TEM)對(duì)不同時(shí)效工藝處理后的析出相的形態(tài)大小進(jìn)行分析，不同溫度時(shí)效15 h后的TEM組織如圖5所示。從圖5(a)可以看出，未經(jīng)時(shí)效處理的TEM組織為過(guò)飽和的固溶體。從圖5(b)可以看出，合金經(jīng)150 ℃時(shí)效15 h后出現(xiàn)大量與基體共格的析出強(qiáng)化相θ，可有效提高合金的力學(xué)性能。從圖5(c)～5(e)可看出，析出強(qiáng)化相θ隨時(shí)效溫度的提高不斷從過(guò)飽和的α-Al固溶體中析出，并聚集長(zhǎng)大，密度降低，導(dǎo)致合金的力學(xué)性能降低。當(dāng)時(shí)效溫度達(dá)到425 ℃時(shí)，基體析出大量的顆粒狀納米相，如圖5(f)所示。

活塞鋁合金150 ℃時(shí)效5 h出現(xiàn)第一個(gè)時(shí)效硬化峰值，主要是由和基體共格的高密度GPⅡ區(qū)(θ″)的彌散強(qiáng)化形成。隨著時(shí)效時(shí)間達(dá)到10 h，合金出現(xiàn)第二個(gè)時(shí)效硬化峰，這與基體半共格的亞穩(wěn)定相(θ＇)的形成相對(duì)應(yīng)。θ″—θ＇相轉(zhuǎn)變階段，高密度的θ相發(fā)生溶解，而θ＇形核長(zhǎng)大過(guò)程還未完成，該階段基體中析出相的密度減小，θ＇相的尺寸較小，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)得不到明顯阻礙作用，所以θ″—θ＇相轉(zhuǎn)變存在一定的時(shí)間間隔，這是形成合金時(shí)效強(qiáng)化雙峰的主要原因[15]。時(shí)效溫度在250～500 ℃時(shí)，合金力學(xué)性能出現(xiàn)快速下降—穩(wěn)定2個(gè)階段，時(shí)效0～20 h的急速下降階段和20 h后的穩(wěn)定階段，主要由于過(guò)高的時(shí)效溫度能提供足夠的能量，使得GPⅡ區(qū)彌散強(qiáng)化相θ″迅速轉(zhuǎn)變?yōu)镚PⅠ區(qū)亞穩(wěn)相θ＇，再到GP區(qū)穩(wěn)定相θ，θ″-θ＇-θ相之間轉(zhuǎn)變的時(shí)間間隔較短，造成前期的力學(xué)性能迅速下降，時(shí)效20 h后全部形成穩(wěn)定相θ，力學(xué)性能趨于穩(wěn)定。當(dāng)時(shí)效溫度達(dá)到425 ℃時(shí)，合金鋁基體中析出大量的顆粒狀納米強(qiáng)化相，即為力學(xué)性能下降幅度較慢的原因。

圖4 活塞鋁合金不同溫度時(shí)效15 h后的SEM組織

圖5 活塞鋁合金不同溫度時(shí)效15 h后的TEM組織

3 結(jié) 論

本文通過(guò)分析活塞鋁合金在不同時(shí)效條件下的顯微組織與力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)了時(shí)效溫度和時(shí)間對(duì)活塞鋁合金力學(xué)性能的影響規(guī)律，揭示了活塞鋁合金組織演變對(duì)力學(xué)性能的影響機(jī)理。得出結(jié)論為：

1) 隨時(shí)效溫度的升高，活塞鋁合金的力學(xué)性能出現(xiàn)先下降后上升的規(guī)律。當(dāng)時(shí)效溫度為350 ℃時(shí)，合金的力學(xué)性能達(dá)到最低；當(dāng)時(shí)效溫度為150 ℃時(shí)，合金出現(xiàn)時(shí)效硬化雙峰；當(dāng)時(shí)效溫度高于250 ℃時(shí)，合金力學(xué)性能隨時(shí)效時(shí)間延長(zhǎng)而降低，20 h后趨于穩(wěn)定；當(dāng)時(shí)效溫度高于450 ℃時(shí)，合金的硬度上下波動(dòng)，變化不明顯。

2) 活塞鋁合金時(shí)效溫度在350 ℃以下時(shí)，Si相無(wú)明顯變化；時(shí)效溫度大于450 ℃后，α-Al固溶體中脫溶析出細(xì)小硅相，并聚集長(zhǎng)大，提高了合金的硬度。

3) 隨時(shí)效溫度升高，活塞鋁合金力學(xué)性能下降的主要原因?yàn)棣染奂L(zhǎng)大；時(shí)效溫度達(dá)到425 ℃后，大量的顆粒狀Q相和納米相析出，提高了合金的力學(xué)性能。