張 微, 謝 善, 昝曉君, 李 欣

(中國航發(fā)成都發(fā)動機有限公司 計量理化檢測中心, 成都 610500)

鋁合金具有高的比強度和較高的韌性，易于加工，廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域[1]。2A02鋁合金屬于典型的Al-Cu-Mg系合金，主要強化相為S(Al2CuMg)相，具有較高的強度和良好耐熱性能，被廣泛用于工作溫度在200～300 ℃的噴氣式發(fā)動機壓氣機葉片及葉輪的制造中[2]。

變形鋁合金制品，在熱處理的加熱過程中，若加熱溫度控制不當(dāng)極易產(chǎn)生過燒組織，因成分偏析導(dǎo)致不同微區(qū)相變溫度不同，若加熱溫度達到高偏析區(qū)的低相變溫度，則發(fā)生過燒，過燒會使材料力學(xué)性能惡化，尤其強度、斷后伸長率和疲勞性能會大大降低，是一種不允許產(chǎn)生的顯微組織缺陷[3]。固溶處理溫度對合金最終力學(xué)性能的影響十分顯著，溫度越高合金元素在α-Al基體中的溶解度越大，從而得到較好的固溶效果，且可減少成分偏析，使強化元素分布的更加均勻，合金硬度上升。然而，如果溫度過高，超過了合金低熔點組織的熔點，附著在晶界上的低熔點雜質(zhì)熔化，造成晶界局部復(fù)熔，晶內(nèi)低熔點共晶物液化，在液體表面張力的作用下，液化的共晶物便會收縮成球體，在冷卻后的顯微組織中表現(xiàn)為圓球狀組織特征[4-6]。所以，復(fù)熔球、復(fù)熔晶界、三角晶界是目前鋁合金過燒組織中比較公認(rèn)的顯微組織特征[3]。

實際工作中發(fā)現(xiàn)，僅用金相法對于臨界過燒組織的判定很容易誤判，由于金相顯微鏡放大倍率和光學(xué)分辨率有限，而臨界過燒組織通常較細小，需要檢驗者有豐富的過燒組織辨別經(jīng)驗。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，掃描電鏡(SEM)作為現(xiàn)代顯微分析的主要手段，在各個專業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛[7]，由于SEM具有分辨率高(納米級),焦深比金相顯微鏡大的優(yōu)點，故圖像景深大、富有立體感，且具有三維形態(tài)，能夠提供比金相顯微鏡多的信息，這個特點對分析者很有幫助[8]，可作為材料微觀組織分析的有效手段，同時掃描電鏡配備的能譜儀(EDS)能在形貌觀察的同時進行成分分析，方便對合金中相的類型進行判定。在判定試樣是否有過燒組織的過程中，特別是在輕微過燒的臨界狀態(tài)情況下，引入掃描電鏡和X射線能譜分析技術(shù)能夠有效判斷是否存在過燒現(xiàn)象。SEM和EDS輔助分析能夠有效區(qū)分小尺寸復(fù)熔球和圓形第二相、正常晶界和復(fù)熔晶界及判別第二相類型，對金相檢驗技術(shù)是一種非常有利的補充。

因為對鋁合金材料臨界過燒組織的判定存在技術(shù)難點，筆者基于對鋁合金過燒組織特征和性能的研究，通過改進金相檢驗技術(shù)，對2A02鋁合金在臨界過燒點附近的組織性能進行了深入研究。

1 試驗材料及試驗方法

在2A02鋁合金成品鍛件上截取金相試樣,試樣的化學(xué)成分見表1?？梢娖浠瘜W(xué)成分符合GB/T 3190-2008《變形鋁及鋁合金化學(xué)成分》對2A02鋁合金的技術(shù)要求。在同一鍛件上截取7個尺寸約為15 mm×5 mm×10 mm的試塊，編號為1～7，分別在符合AMS 2750E：2012Pyrometry的1類試驗室箱式熱處理爐(空氣爐，溫度均勻性±3 ℃)中進行固溶淬火處理和自然時效。實踐證明，鋁合金共晶固相線由于成分偏析，不同微區(qū)組織的固-液轉(zhuǎn)變溫度不同，且熱處理過程中固-液轉(zhuǎn)變?yōu)榉瞧胶廪D(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變溫度隨加熱速率變化而變化。根據(jù)圖1所示的變形鋁合金相變溫度范圍可知，在共晶固相線溫度以下一定溫度才能保證不出現(xiàn)過燒。固溶處理的溫度越高，與固相線溫度越接近，淬火效果越顯著[9]，如果固溶溫度較低，合金元素不能充分均勻化，達不到固溶處理的目的，也不會發(fā)生過燒。所以需要將鋁合金盡量加熱到較高的溫度進行固溶處理，但又必須低于固相線以避免過燒。研究[10]表明，2×××系合金固溶溫度為480 ℃時，合金的組織中仍有大量未溶第二相，固溶溫度為495～500 ℃時，固溶后第二相基本溶解。查閱GJB 1694-1993《變形鋁合金熱處理規(guī)范》可知，2A02鋁合金固溶處理溫度為495～505 ℃。

表1 2A02鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical compositions of 2A02 aluminum alloy (mass fraction) %

圖1 變形鋁合金相變溫度示意圖Fig.1 Schematic diagram of transformation temperature of wrought aluminum alloy

試驗采用分級加熱的方式，初始溫度從標(biāo)準(zhǔn)熱處理制度下限開始升溫，至少低于共晶溫度10 ℃，以5,10,20,30 ℃遞增，每次試樣放置位置相同并以負(fù)載熱電偶記錄試樣溫度，保溫時間均為1 h。將試樣浸蝕后觀察其顯微組織并進行分析，試樣熱處理參數(shù)見表2。

表2 試樣熱處理參數(shù)Tab.2 Heat treatment parameters of samples

2 過燒組織浸蝕方法對比分析

表3為通常用于2A02變形鋁合金過燒組織顯示的浸蝕劑[3]。兩種浸蝕劑均可用于過燒組織檢驗，但混合酸對晶界的敏感性較強。對于正常未過燒組織，混合酸可顯示晶界和一般組織，而體積分?jǐn)?shù)為0.5%的氫氟酸僅顯示強化相和晶內(nèi)沉淀相。如果試樣評定人員發(fā)現(xiàn)使用混合酸顯示了明顯的晶界，在過燒特征不是很明顯的情況下很難使用光學(xué)顯微鏡判斷粗晶界是局部過腐蝕還是復(fù)熔晶界，不同浸蝕劑浸蝕效果對比見圖2。圖2a)和圖2b)為同一個試樣，根據(jù)圖2a)可判斷無過燒組織特征，但是圖2b)采用混合酸浸蝕后有晶界出現(xiàn);圖2c)和圖2d)為同一個試樣，根據(jù)圖2c)可判斷有復(fù)熔晶界，為過燒組織，但是圖2d)采用混合酸浸蝕后復(fù)熔晶界和正常晶界同時顯現(xiàn)，因此僅憑光學(xué)顯微鏡判斷是否存在復(fù)熔晶界有一定難度。

表3 鋁合金過燒組織檢驗常用的浸蝕劑Tab.3 Commonly used etchants for overburned structure examination of aluminum alloy

圖2 不同浸蝕劑對不同組織浸蝕效果對比Fig.2 Comparison of etching effects of different etchants on different structures：a) unburned sample etched by hydrofluoric acid; b) unburned sample etched by mixed acid;c) overburned sample etched by hydrofluoric acid; d) overburned sample etched by mixed acid

體積分?jǐn)?shù)為0.5%的氫氟酸浸蝕液對正常晶界不敏感，而對初熔的復(fù)熔晶界能夠明顯顯示，所以在輕微過燒的臨界狀態(tài)下使用該浸蝕劑，在光學(xué)顯微鏡下能夠準(zhǔn)確判斷合金的過燒組織；而混合酸浸蝕劑顯示出的晶界對經(jīng)驗不是很豐富的金相評定人員往往會造成是否為復(fù)熔的困惑。所以，對于僅使用光學(xué)顯微鏡進行鋁合金過燒組織檢驗時，使用體積分?jǐn)?shù)為0.5%的氫氟酸溶液浸蝕更可靠。

3 過燒組織金相檢驗技術(shù)改進

3.1 使用SEM分析技術(shù)

3.1.1 復(fù)熔球和合金相

在金相顯微鏡下很容易判定出嚴(yán)重過燒的復(fù)熔球特征，但對于輕微可疑過燒，復(fù)熔球尺寸較小時，復(fù)熔球和球形化的第二相則較難區(qū)分。圖3a)和圖3b)分別為金相顯微鏡下球形化的第二相和復(fù)熔球形貌，在尺寸相當(dāng)?shù)那闆r下不易分辨；而在掃描電鏡下觀察兩者表面，其特征有明顯差異，復(fù)熔球可見表面有花紋和熔融特征，且圓度更圓，見圖3c)和圖3d)。

圖3 球形第二相、復(fù)熔球的金相顯微鏡和掃描電鏡分析效果對比Fig.3 Effect comparison of metallurgical microscope and SEM analysis of spherical second phase and remelted ball：a) spherical second phase under metallographic microscope; b) remelting ball under metallographic microscope;c) spherical second phase under SEM; d) remelting ball under SEM

3.1.2 復(fù)熔晶界和正常晶界

使用混合酸浸蝕劑顯示試樣顯微組織時，正常晶界和可能的復(fù)熔晶界均會顯現(xiàn)，理論上復(fù)熔晶界更加的粗大，但是在輕微過燒的情況下有時難以準(zhǔn)確判斷。使用SEM可以觀察到復(fù)熔晶界呈沿晶開裂形貌，內(nèi)壁圓滑，內(nèi)部有熔融物質(zhì)存在，而正常晶界為兩個晶粒的過渡界面，無裂紋形貌，掃描電鏡觀察的正常晶界和復(fù)熔晶界形貌對比見圖4。

圖4 SEM觀察的正常晶界和復(fù)熔晶界形貌Fig.4 Morphology of normal grain boundary and remelting grain boundary observed by SEM：a) normal grain boundary; b) primary melting grain boundary; c) severe remelting grain boundary

3.2 使用EDS分析技術(shù)

鍛造鋁合金在固溶處理時S(Al2CuMg)相等強化相大部分溶入到基體中,部分在人工時效時彌散分布到晶內(nèi)及晶界,對基體起到固溶強化和彌散強化的作用[11]。

典型2A02變形鋁合金的顯微組織為α-Al、S(Al2CuMg)相、少量的Al(MnFe)Si和Al6(FeMn)不溶亞穩(wěn)定相。此外可有Cu2FeAl和Mg2Si不溶相[12]。一些研究工作中需要識別合金的第二相類型，金相檢驗方法鑒別相主要通過合金成分、狀態(tài)、相的分布、顏色等，如《變形鋁合金金相圖譜》[13]等書籍中描述，可以通過顏色和形狀來區(qū)分合金相。但實際操作過程中影響因素較多，如不同的腐蝕方法同一相會呈現(xiàn)不同的顏色，不同的第二相可能具有相同或類似的形狀，合金相隨溫度變化形狀可能發(fā)生變化等，需要試驗者具有豐富的經(jīng)驗才能辨別。隨著EDS分析技術(shù)的普及，在已知合金牌號和典型組織類型的情況下，通過EDS分析能夠更加精確地識別合金中的各類第二相。

對試樣2(500 ℃固溶)采用體積分?jǐn)?shù)為0.5%的氫氟酸溶液浸蝕，其典型的顯微組織形貌見圖5。可見顯微組織中除基體外有形狀圓滑的淺灰色合金相和棱角明顯的深灰色合金相。通過EDS分析，可以輔助試驗人員進一步判定深灰色有棱角的合金相為少量的Al(MnFe)Si相，圓形合金相為較多的主要第二相S(Al2CuMg)相，見圖6。

圖5 典型的2A02鋁合金顯微組織形貌Fig.5 Typical microstructure morphology of 2A02 aluminum alloy

圖6 能譜輔助分析位置及結(jié)果Fig.6 Positions and results of EDS assisted analysis：a) analysis positions; b) position 1 analysis results; c) position 2 analysis results

4 過燒組織特征和性能分析

4.1 過燒組織特征

試驗采用DM6000M型光學(xué)顯微鏡對經(jīng)體積分?jǐn)?shù)為0.5%氫氟酸溶液浸蝕的7個試樣進行觀察，結(jié)果見圖7。

圖7 不同溫度固溶后的試樣顯微組織形貌Fig.7 Microstructure morphology of samples after solid solution at different temperatures:a) sample 1 (495 ℃); b) sample 2 (500 ℃); c) sample 3(505 ℃); d) sample 4(510 ℃); e) sample 5 (520 ℃);f) sample 6 (530 ℃); g) sample 7 (550 ℃)

可見2A02鋁合金的過燒組織隨固溶溫度的升高有如下變化。510 ℃以下，隨固溶溫度升高，基體沉淀強化相長大、增多，第二相無明顯變化，顯微組織正常；510 ℃以上繼續(xù)升溫，低熔點S(Al2CuMg)相開始初熔、形狀變圓和部分回溶，為輕微過燒；520 ℃時晶界復(fù)熔并逐漸加粗形成斷續(xù)網(wǎng)狀，明顯過燒；530 ℃時形成局部連續(xù)網(wǎng)狀復(fù)熔晶界，復(fù)熔球繼續(xù)增多、長大，但熔點較高的Al(MnFe)Si相仍然保持棱角形狀；550 ℃時低熔點的S(Al2CuMg)相基本消失，復(fù)熔晶界局部形成裂縫，部分復(fù)熔球形成圓形孔洞，嚴(yán)重過燒。

試驗表明，固溶溫度在510 ℃以下時試樣顯微組織正常，未過燒，510 ℃時固溶第二相開始出現(xiàn)初熔，輕微過燒，固溶溫度520 ℃以上時試樣明顯過燒。

4.2 硬度

壓入法顯微硬度綜合反映了壓痕附近局部體積內(nèi)金屬的彈性、微量塑性變形抗力、形變強化能力以及大量塑性變形抗力等物理量的大小，較全面反映了材料的力學(xué)性能。

為分析過燒組織對材料力學(xué)性能的影響，對試樣1～7進行顯微硬度試驗，結(jié)果見圖8。對固溶溫度在510 ℃以下的試樣1～4隨機壓入，而固溶溫度510 ℃以上試樣壓入位置為出現(xiàn)復(fù)熔晶界和復(fù)熔球的過燒區(qū)域, 試驗表明正常晶內(nèi)區(qū)域由于強化相的析出，硬度增大，在510 ℃時達到最大值，但是在過燒組織明顯的區(qū)域，鋁合金過燒以后由于晶界結(jié)合力顯著下降，復(fù)熔區(qū)域的顯微硬度明顯下降，但其他區(qū)域的顯微硬度變化不明顯，導(dǎo)致材料內(nèi)部力學(xué)性能不均，可作為材料力學(xué)性能急劇下降的一種表征。

圖8 試樣在不同溫度下固溶的顯微硬度變化趨勢Fig.8 Variation trend of microhardness of samples in solid solution at different temperatures

4.3 耐腐蝕性

2A02鋁合金及其所屬的硬鋁類型合金，耐腐蝕性能較差。固溶處理的加熱溫度范圍較窄，易造成過燒，急劇降低其耐腐蝕性[3]。為找出過燒對耐腐蝕性的影響規(guī)律，對7個試樣表面拋光后按照GB/T 19746-2018《金屬和合金的腐蝕 鹽溶液周浸試驗》的技術(shù)要求在無外加應(yīng)力下進行耐蝕性試驗。溶液為模擬海洋環(huán)境中的中性NaCl水溶液,其質(zhì)量濃度為35 g·L-1。試樣在溶液中浸泡10 min，取出后自然干燥50 min，為一個循環(huán)，循環(huán)過程連續(xù)進行20 d(天)后洗凈吹干,分別觀察表面腐蝕形貌和截面腐蝕形貌，結(jié)果見圖9。

圖9 不同溫度固溶試樣經(jīng)鹽水浸泡試驗后的腐蝕形貌Fig.9 Corrosion morphology of samples in solid solution at different temperature after salt water immersion test：a) surface morphology of sample 1; b)section morphology of sample 1; c) surface morphology of sample 4;d)section morphology of sample 4; e) surface morphology of sample 7; f) section morphology of sample 7

可見固溶溫度為495～505 ℃試樣的腐蝕形貌主要表現(xiàn)為分散分布的腐蝕點，表面觀察直徑約10 μm，目視不可見，截面觀察深度不超過150 μm，試樣1腐蝕形貌見圖9a)～b)；510 ℃固溶的試樣，表面點蝕特征尺寸變化不明顯，但截面腐蝕深度方向沿晶界向內(nèi)部剝蝕分離明顯增多且加深，截面剝蝕深度達250 μm，試樣4腐蝕形貌見圖9c)～d)；520 ℃固溶的試樣，表面點蝕特征已經(jīng)減少，但出現(xiàn)明顯的宏觀剝蝕，即局部區(qū)域表面可見裂紋，截面剝蝕深度已貫穿整個試樣寬度，超過10 mm；530 ℃固溶的試樣，表面點蝕特征繼續(xù)減少，宏觀剝蝕現(xiàn)象更加嚴(yán)重，即多處區(qū)域表面可見裂紋，截面剝蝕深度已貫穿整個試樣寬度；550 ℃固溶的試樣，表面點蝕特征繼續(xù)減少，宏觀剝蝕更加嚴(yán)重，多處區(qū)域表面可見裂紋，裂紋明顯更加粗大，截面剝蝕深度已貫穿整個試樣寬度，試樣7腐蝕形貌見圖9e)～f)。

5 結(jié)論

(1) 對于輕微臨界過燒的鋁合金，用體積分?jǐn)?shù)為0.5%氫氟酸浸蝕液能有效顯示初熔晶界，其對正常晶界顯示不敏感的特性，有助于在金相顯微鏡下準(zhǔn)確判斷合金是否過燒。

(2) SEM和EDS分析技術(shù)能夠?qū)ε袛嗯R界過燒的合金組織提供技術(shù)支持，對金相檢驗技術(shù)是一種非常有力的補充，能夠有效區(qū)分小尺寸復(fù)熔球和圓形第二相、正常晶界和初熔晶界及辨別第二相類型。

(3) 2A02變形鋁合金固溶溫度在510 ℃以下時，合金無過燒，隨著固溶溫度的升高，基體沉淀相析出增多且增大，材料硬度會增大，耐腐蝕性無明顯變化，固溶溫度在510 ℃時硬度達到峰值。510 ℃之后，出現(xiàn)復(fù)熔晶界和小尺寸復(fù)熔球，低熔點相熔化后空位形成復(fù)熔球，過燒區(qū)域硬度急劇下降，但晶內(nèi)硬度下降不明顯，520 ℃時局部已形成斷續(xù)網(wǎng)狀復(fù)熔晶界，530 ℃時晶界繼續(xù)復(fù)熔、加粗，大尺寸復(fù)熔球產(chǎn)生，形成連續(xù)網(wǎng)狀復(fù)熔晶界，550 ℃部分復(fù)熔球內(nèi)部變成圓形空洞。

(4) 鋁合金過燒后隨著固溶溫度升高，鋁合金耐腐蝕性能急劇下降。同等腐蝕環(huán)境下，未過燒鋁合金表面表層腐蝕以淺表點蝕為主，過燒鋁合金主要以沿晶剝蝕為主，其腐蝕深度遠遠大于點蝕的。