陳華標(biāo)，羅德維，孟 毅，吳道祥，林林

（1.西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，重慶401326；2.重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶400044）

0 前言

Al-Cu-Mg 系變形鋁合金由德國工程師維爾姆于1906 年首次開發(fā)成功，后來由杜拉金屬公司制造，故而又稱杜拉鋁。該系列合金強度較高，韌性較好，綜合機械性能優(yōu)異，填補了當(dāng)時航空領(lǐng)域?qū)Ω邚婍g輕質(zhì)合金需求的空白，給飛機工業(yè)帶來了革命性的變化。2A12是Al-Cu-Mg系中非常優(yōu)越的變形鋁合金，具有強度高、韌性好、密度小、耐熱性優(yōu)良等優(yōu)勢，可用于制造飛機機翼、肋板、腹板以及對比強度要求較高的航天器結(jié)構(gòu)件上，在航空航天工業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用[1]。

2A12鋁合金除主合金元素Cu、Mg外，還添加了少量的Mn 元素，以及熔煉過程中難以避免引入的極少量雜質(zhì)元素Fe 和Si。該合金中元素Cu、Mg與基體Al 經(jīng)固溶、淬火、時效后，形成彌散分布的納米級S′和θ′析出相，可明顯阻礙位錯滑移，是提升該合金綜合力學(xué)性能的關(guān)鍵因素[2]。2A12 熔煉過程中，源自原輔材料及熔煉工具的少量雜質(zhì)Fe 和Si 通常不可避免地進(jìn)入熔體中，二者通常參與形成粗大脆性化合物，如Al7Cu2Fe、Fe3SiAl12等，嚴(yán)重影響合金的性能[3]。為此，2A12鋁合金中通常還會加入少量的Mn?；w中Mn與Fe形成Al6（Fe，Mn），這既弱化了粗大脆性相Al7Cu2Fe的生成，降低了雜質(zhì)Fe的有害作用，又避免了基體中主合金元素Cu 的損失，輔助提升了合金的性能[4]。

在2A12 鋁合金凝固過程中，隨著溫度的降低和溶質(zhì)的析出，基體中通常會形成Al6Mn、Al7Cu2Fe、Al2Cu、Mg2Si、Al2CuMg 等析出物，特別是Al2CuMg此類粗大脆性相，均勻化處理后難以回溶到基體組織中而遺傳下來，在后續(xù)壓力加工中因與基體不同質(zhì)而造成嚴(yán)重的應(yīng)力集中，成為裂紋源而嚴(yán)重影響材料的性能及其穩(wěn)定性[5-8]。因此，在合金凝固過程中應(yīng)該盡可能減少Al2CuMg此類粗大脆性相的形成[9]。在保證合金基本性能的前提下，如何優(yōu)化成分設(shè)計以減少凝固過程粗大脆性相的析出是提高材料性能及其穩(wěn)定性的關(guān)鍵問題之一。

鑒于合金凝固過程相的析出與合金的成分密切相關(guān)，而2A12 鋁合金國標(biāo)成分范圍內(nèi)主元素Cu（3.8%～4.9%）和Mg（1.2%～1.8%）的含量區(qū)間較為寬泛，即使Cu 和Mg 含量均在國標(biāo)成分范圍內(nèi)，但由于二者相對含量不同而大概率會導(dǎo)致其析出相含量存在較大差異。為此，本文將基于熱力學(xué)計算的方法，研究2A12 鋁合金國標(biāo)成分范圍內(nèi)Cu 和Mg 的變化對其凝固過程中析出相的影響，探索基于優(yōu)化合金配比區(qū)間減少凝固過程中Al2CuMg此類粗大脆性相析出量的可能性。

1 研究方法

JMatPro 是英國Thermotech 公司開發(fā)的一款材料設(shè)計軟件，基于完善的數(shù)據(jù)庫可進(jìn)行鋁合金、鈦合金、鎂合金等多種類合金的熱力學(xué)、動力學(xué)計算及性能預(yù)測[10]。本文基于JMatPro 平臺研究了2A12鋁合金國標(biāo)成分范圍內(nèi)組元Cu（依次選取3.8%、4.0%、4.2%、4.4%、4.6%、4.9%）及組元Mg（依次選取1.2%、1.4%、1.6%、1.8%）對其凝固歷程中析出相的影響。在此基礎(chǔ)上，對比研究國產(chǎn)和進(jìn)口2A12 鋁合金由于成分的細(xì)微不同導(dǎo)致的凝固析出相的差異，為實際熔煉過程中通過收窄合金配比區(qū)間來減少Al2CuMg此類粗大脆性相析出量的探索提供理論指導(dǎo)。2A12 鋁合金國標(biāo)成分范圍及國產(chǎn)和進(jìn)口料成分的細(xì)微差異如表1所示。

表1 2A12鋁合金成分范圍及國產(chǎn)與進(jìn)口料成分差異（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

2 結(jié)果與討論

2.1 2A12凝固過程各相析出的熱力學(xué)條件

以國內(nèi)某廠2A12 鋁合金的成分進(jìn)行熱力學(xué)計算，其凝固歷程如圖1所示。該合金從641 ℃開始凝固，501℃凝固結(jié)束，凝固區(qū)間寬度為140 ℃。從圖1（b）可以看出，2A12 鋁合金凝固過程中主要 的 析 出 相 有Al6Mn、 Al7Cu2M、 S- Al2CuMg、Al2Cu、Mg2Si，且所有的凝固析出相均在凝固區(qū)間內(nèi)析出。隨著凝固的進(jìn)行，Al6Mn 于623 ℃最先析出，Al7Cu2M 緊隨其后于559 ℃析出，S-Al2CuMg、Al2Cu、Mg2Si 在凝固末期依次于507 ℃、504 ℃、503 ℃析出。2A12 鋁合金完全凝固后，Mg2Si、Al7Cu2M、Al6Mn、Al2Cu和S-Al2CuMg的析出量分別為0.13%、0.29%、1.09%、2.84%和3.40%，在所有的析出相中粗大脆性相S-Al2CuMg的析出量占主導(dǎo)地位。

圖1 國產(chǎn)2A12合金凝固歷程

2A12 鋁合金鑄錠經(jīng)498 ℃/18 h 均勻化退火后，晶界間殘留物如圖2 所示。從掃描電鏡SEM拍到的析出相形貌及EDS 能譜分析的成分比例可以確定，晶界上大量的微米級凝固析出相大部分為S-Al2CuMg，此相的析出量占主導(dǎo)地位，熱力學(xué)分析結(jié)果與實際一致。另外，此結(jié)果表明，凝固過程析出的微米級S-Al2CuMg 相經(jīng)均熱處理難以消除，將隨坯料遺傳到隨后工序的加工制品中，成為惡化材料性能及其穩(wěn)定性的潛在影響因子。因此，在保證合金基本性能的前提下應(yīng)盡可能優(yōu)化合金成分配比以減少2A12 凝固過程微米級脆性相的析出。在后續(xù)的分析討論中，將重點關(guān)注凝固過程中粗大脆性相的析出條件及析出量。

圖2 2A12鋁合金均勻化退火后晶界殘留的S相

2.2 國標(biāo)范圍內(nèi)Cu含量對析出相的影響

除基體元素Al外，S-Al2CuMg相的元素組成為Cu 和Mg，鑒于2A12 鋁合金國標(biāo)成分Cu 范圍在3.8%～4.9%之間，成分區(qū)間跨度較大，本節(jié)將研究Cu 含量變化（依次取值3.8%、4.0%、4.2%、4.4%、4.6%、4.9%）對2A12 凝固過程析出相的影響。不同Cu 含量下，2A12 凝固析出相Al6Mn、Al7Cu2M、Al2Cu 和Mg2Si 的析出量變化情況分別如圖3（a）～（d）所示。在2A12 國標(biāo)成分范圍內(nèi)，Cu 的變化對該合金的凝固區(qū)間影響非常小。Al6Mn、Al7Cu2M 和Mg2Si 的析出時機基本無變化，當(dāng)Cu 含量在3.8%～4.9%區(qū)間內(nèi)變化時，三種相析出量的變化區(qū)間分別為1.12%～1.06%、0.23%～0.35%、0.134%～0.129%，隨Cu 含量的變化甚小。當(dāng)Cu 含量從3.8%增加到4.9%后，Al2Cu 的析出時機基本未改變，但析出量卻從2.12%增加到了3.47%，增加了63.67%。由此可見，Cu含量的變化對2A12鋁合金凝固過程Al2Cu析出量的影響較大。

圖3 不同Cu含量下Al6Mn、Al7Cu2M、Al2Cu及Mg2Si析出量變化

在2A12 凝固過程中S-Al2CuMg 析出相隨Cu 含量的變化如圖4 所示。S-Al2CuMg 相的析出量隨著Cu含量的增加而小幅度增加，當(dāng)Cu含量從3.8%增加到4.9%后，S-Al2CuMg 相析出時機基本無變化，但析出量卻從3.23%增加到3.53%，增幅9.28%。相較Al2Cu 而言，Cu 含量的變化對S-Al2CuMg 相析出量的影響并不十分顯著。

圖4 不同Cu含量下S-Al2CuMg析出量變化

2.3 國標(biāo)范圍內(nèi)Mg含量對析出相的影響

2A12 凝固析出相Al6Mn、Al7Cu2M、Al2Cu 和Mg2Si隨Mg含量的變化分別如圖5所示。與Cu元素一致，國標(biāo)范圍內(nèi)Mg含量的變化對2A12的凝固區(qū)間幾乎無影響，對Al6Mn、Al7Cu2M 和Mg2Si 的析出時機和析出量的影響甚小。與Cu元素相反，Al2Cu析出量隨著Mg 含量的增加而減少，當(dāng)Mg 含量從1.2%增加到1.8%后，Al2Cu 析出量從3.32%降低至1.88%，降低了43.4%，即Mg 含量的增加抑制了Al2Cu的析出。

圖5 不同Mg含量下Al6Mn、Al7Cu2M、Al2Cu及Mg2Si析出量變化

在國標(biāo)成分范圍內(nèi)，Mg含量的變化對2A12凝固過程中S-Al2CuMg相的析出影響很大，結(jié)果如圖6所示。當(dāng)Mg 含量從1.2%依次增加到1.4%、1.6%、1.8%后，S-Al2CuMg 相析出溫度從504 ℃依次提前到507 ℃、510 ℃、512 ℃，其析出量從2.78%依次增加到3.40%、4.02%和4.63%，顯然Mg 含量的增加會促使S-Al2CuMg相析出提前且析出量大幅度增加。當(dāng)2A12鋁合金中Mg含量達(dá)到1.8%后，相較于1.2%的Mg 含量而言，S-Al2CuMg 相析出量增加了66.54%，增幅非常大。由此可見，在2A12 凝固過程中S-Al2CuMg相的析出對Mg 含量的變化非常敏感，即使Mg 含量在國標(biāo)成分區(qū)間內(nèi)變化，其對S-Al2CuMg相析出量的影響也非常顯著。在保證合金性能的前提下，適當(dāng)降低2A12中的Mg含量有利于減少凝固過程中粗大脆性相S-Al2CuMg 的析出。因此在合金配比中Mg取中低值較好。

圖6 不同Mg含量下S-Al2CuMg析出量變化

2.4 國產(chǎn)與進(jìn)口2A12凝固析出相對比

從前面表1 可以看出，國產(chǎn)與進(jìn)口2A12 的成分區(qū)別主要體現(xiàn)在Cu和Mg差異上，微量元素和雜質(zhì)元素相差甚小?；趪a(chǎn)和進(jìn)口2A12 的成分，二者凝固析出相的熱力學(xué)計算結(jié)果如圖7所示。

圖7 國產(chǎn)與進(jìn)口2A12凝固析出相對比

從圖7 可知，Al6Mn、Al7Cu2M、Al2Cu 和Mg2Si的析出溫度以及析出量的差異甚小。不同的是，相比進(jìn)口2A12鋁合金而言，國產(chǎn)2A12凝固過程中粗大脆性相S-Al2CuMg析出有所提前，其析出量也由2.75%增加到3.40%，增加了23.63%。這主要是因為國產(chǎn)2A12 中Mg 含量較進(jìn)口的高，而元素Mg 會促使2A12 鋁合金凝固過程中S-Al2CuMg 相的析出。由此可見，在保證合金性能的前提下，適當(dāng)降低2A12 中的Mg 含量或者在配料時Mg 含量取中下限，有利于減少粗大脆性相S-Al2CuMg的析出。

3 結(jié)論

（1） 2A12 鋁 合 金 凝 固 析 出 相Al6Mn、Al7Cu2M、S-Al2CuMg、Al2Cu、Mg2Si均在凝固區(qū)間641～501℃內(nèi)析出。經(jīng)均勻化處理后，晶界處S-Al2CuMg此類粗大脆性相難以重新溶入基體。

（2）在2A12 鋁合金國標(biāo)成分區(qū)間內(nèi)，Cu 和Mg 的變化對凝固析出相Al6Mn、Al7Cu2M、Mg2Si 的影響甚?。籄l2Cu 的析出量隨Cu 含量的增加而增加，但隨Mg 含量的增加而減少；粗大脆性相S-Al2CuMg 的析出量對Mg 含量較敏感，1.8%上限Mg 含量相較于1.2%下限Mg 含量，S-Al2CuMg 相析出量增加66.54%。

（3）國產(chǎn)2A12 鋁合金中檢測到的Mg 含量較進(jìn)口的Mg 含量高，粗大脆性相S-Al2CuMg 析出量多23.63%。在保證合金性能的前提下，Mg含量取中下限有利于減少其凝固過程中粗大脆性相S-Al2CuMg的析出。