田東海，石杰，任偉偉，王銘武，何宗徽

（1.中機(jī)第一設(shè)計(jì)研究院有限公司，合肥 230601；2.中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)北方自動(dòng)控制技術(shù)研究所，太原 030006）

1 引言

2A12 鋁合金在航天航空、船舶制造、軍工裝備產(chǎn)品等領(lǐng)域被廣泛使用，具有較高的強(qiáng)度、斷裂韌性和疲勞性能、優(yōu)良的高溫蠕變抗力和塑性成型能力以及良好的機(jī)械加工性能，是一種典型的Al-Cu-Mg 系可熱處理強(qiáng)化型鋁合金，其化學(xué)組成成分見(jiàn)表1[1]。

表1 鋁合金化學(xué)成分

研究發(fā)現(xiàn)，2A12 鋁合金在加工和使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)各種問(wèn)題，比如：切削加工中易出現(xiàn)加工變形，尤其是薄壁薄板類(lèi)零件； 同時(shí)，2A12 鋁合金制品表面一般采取陶瓷化和噴涂等多種防護(hù)措施，但惡劣的環(huán)境會(huì)使其在使用過(guò)程中出現(xiàn)防護(hù)層開(kāi)裂進(jìn)而喪失防護(hù)性能，再加上受殘余應(yīng)力影響，出現(xiàn)腐蝕、磨損、疲勞、裂紋、斷裂等問(wèn)題。通過(guò)熱處理可以有效提高鋁合金的力學(xué)性能，使其強(qiáng)度、韌性、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性以及抗腐蝕性增強(qiáng)[2]，不同的熱處理方式會(huì)對(duì)鋁合金性能產(chǎn)生不同的影響，本文將對(duì)此進(jìn)行分析。

2 2A12 鋁合金常用的熱處理方式

2.1 鋁合金的時(shí)效處理

時(shí)效處理是指在室溫或者較高溫度下將工件存放較長(zhǎng)時(shí)間，根據(jù)熱處理溫度的不同可分為自然時(shí)效和人工時(shí)效，在鋁合金板材及鑄件類(lèi)加工中應(yīng)用廣泛[3]。經(jīng)過(guò)時(shí)效處理后，鋁合金的硬度和強(qiáng)度通常都有所增加，但塑性、韌性和內(nèi)應(yīng)力相對(duì)有所降低。人工時(shí)效主要包括單級(jí)時(shí)效處理以及雙級(jí)時(shí)效處理兩種。

單級(jí)時(shí)效，即在單一溫度下對(duì)工件進(jìn)行熱處理。依據(jù)溶解溫度的臨界值可有效劃分單級(jí)時(shí)效處理。根據(jù)經(jīng)過(guò)時(shí)效處理后鋁合金的具體組織的不同，可分為峰值時(shí)效、欠時(shí)效、過(guò)時(shí)效3 種：峰值時(shí)效可使工件的強(qiáng)度達(dá)到最大值；欠時(shí)效溫度相對(duì)其余兩種時(shí)效方式較低，可以保證材料的合金塑性；而過(guò)時(shí)效溫度相對(duì)較高，可以保證工件具有良好的綜合性能。

雙級(jí)時(shí)效處理是指在不同的熱處理溫度參數(shù)設(shè)置下對(duì)工件進(jìn)行兩次時(shí)效處理，應(yīng)用極為廣泛。相比單級(jí)時(shí)效，雙級(jí)時(shí)效后工件金相組織的脫溶析出序列更復(fù)雜。其中第一級(jí)時(shí)效以低溫預(yù)時(shí)效為主，在工件熱處理過(guò)程中屬于成核處理環(huán)節(jié)，熱處理后形成的鑄錠密度相對(duì)較高，鑄錠尺寸較大，可作為時(shí)效沉淀相的核心進(jìn)行應(yīng)用，同時(shí)可以保證工件金相組織的均勻性。一般來(lái)說(shuō)，工件預(yù)時(shí)效溫度低于其金相組織的溶解溫度，當(dāng)時(shí)效溫度比較高時(shí)，可以進(jìn)行保溫操作并優(yōu)先成核；第二級(jí)時(shí)效溫度較高，失效后工件晶內(nèi)組織形態(tài)多為均勻分布的盤(pán)狀。經(jīng)過(guò)雙級(jí)時(shí)效熱處理后，工件強(qiáng)度下降，抗腐蝕性提高。

2021 年，張子琪等[4]研究發(fā)現(xiàn)對(duì)于旋壓變形的2A12 鋁合金，經(jīng)過(guò)人工時(shí)效比自然時(shí)效后的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別高出39 MPa 和1.0%。劉春梅等[5]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)預(yù)時(shí)效后工件硬度隨著預(yù)時(shí)效溫度的增加先增大后減小，并在180 ℃時(shí)達(dá)到峰值。后來(lái)，又從7XXX 系鋁合金衍生出非等溫失效方式，該方式下鋁合金的熱處理溫度保持變化，陳賡等[6]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)非等溫失效后的2A12 鋁合金相比傳統(tǒng)T74 雙級(jí)失效后具有更高度的硬度和抗拉強(qiáng)度，綜合性能更好。

2.2 鋁合金的固溶處理

通過(guò)固溶處理，能夠使工件的各種相充分溶解，同時(shí)強(qiáng)化固溶體，使工件的韌性和抗腐蝕性得到提升，方便后期加工和成型。固溶處理的主要目的是獲取過(guò)飽和固溶體，改善工件的塑性和韌性的同時(shí)還能為沉淀硬化處理做好準(zhǔn)備。固溶處理分為單極、高級(jí)、強(qiáng)化固溶、高溫析出等工藝。工件在固溶處理過(guò)程中，其金相組織發(fā)生變化，對(duì)工件的后續(xù)變形和熱處理效果產(chǎn)生直接影響。通過(guò)固溶處理加熱工件，可使其組織第二相能夠全部融入固溶體。保溫一段時(shí)間后，對(duì)第二相自溶固體進(jìn)行快速冷卻可以得到過(guò)飽和溶質(zhì)原子和空位。傳統(tǒng)鑄錠均勻化處理過(guò)程中，熱處理溫度以及變形組織的固溶溫度都低于非平衡共晶熔點(diǎn)，使得殘留的結(jié)晶粒不能徹底溶解，殘留的結(jié)晶相在晶內(nèi)以及晶界上聚集分布，進(jìn)而使工件存在應(yīng)力集中以及裂紋產(chǎn)生的隱患。鑄錠后續(xù)變形能夠碎化殘留的第二相顆粒，但仍會(huì)有部分殘留在組織內(nèi)直接影響工件的拉伸強(qiáng)度、斷裂韌性和疲勞性等機(jī)械性能。目前實(shí)際生產(chǎn)中大多采用通過(guò)固溶+自然時(shí)效方式熱處理的2A12 鋁合金作為加工原料，其金相組織狀態(tài)穩(wěn)定，力學(xué)和機(jī)械性能良好。

梁孟超[7]研究發(fā)現(xiàn)2A12 鋁合金的晶粒尺寸隨著固溶時(shí)效溫度的升高而增大，當(dāng)時(shí)效參數(shù)為495℃×10 min 時(shí)，強(qiáng)度最大，綜合性能最好。劉春燕等[8]通過(guò)對(duì)固溶+ 自然時(shí)效后的2A12 鋁合金進(jìn)行過(guò)時(shí)效試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，未變形的2A12 鋁合金經(jīng)過(guò)自然時(shí)效后相比人工時(shí)效，其強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率提高36%；經(jīng)過(guò)分級(jí)時(shí)效能提升強(qiáng)度約50%，其硬度隨著故時(shí)效溫度的升高而降低，并在（260~280）℃×2 h 時(shí)獲得100~120 HBS 硬度；300 ℃×2 h 時(shí)獲得60~105 HBS 硬度的。

2.3 鋁合金的均勻化處理

在均勻化熱處理工程中工件受熱均勻，通過(guò)將其鑄錠溫度控制在與其固相線或者共晶溫度接近的溫度范圍內(nèi)，并在這一溫度參數(shù)設(shè)置的環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間保溫，隨后冷卻至室溫，能夠完全溶解工件可溶解的相和組織，使過(guò)飽和固溶體和少量彌散析出細(xì)小質(zhì)點(diǎn)。均勻化處理能使非平衡第二相在工件鑄錠產(chǎn)生過(guò)程中溶解，可降低工件第二相體積分?jǐn)?shù)，提高其熱塑性、固溶度和固熔強(qiáng)度。通過(guò)均勻化熱處理，可提升工件鑄錠組織在室溫下的塑性、冷熱變形工藝性能，減小其熱軋開(kāi)裂的危險(xiǎn)系數(shù)，提升熱軋帶板的邊緣質(zhì)量和擠壓速度，還能降低工件的抗變形抗力，進(jìn)而提高整體生產(chǎn)率。

目前，均勻化熱處理主要應(yīng)用于7XXX 系鋁合金。2021年張尉等[9]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)465 ℃均勻化熱處理后，7XXX 鋁合金的鑄錠晶界處枝晶部分消失，低熔點(diǎn)相溶解不充分，將熱處理工藝參數(shù)改進(jìn)為465℃×24 h+478℃/8 h 后，工件鑄錠晶界低熔點(diǎn)共晶相基本消失，晶粒增大不明顯，同時(shí)殘留第二相僅為0.8%；改善熱處理工藝后工件的抗拉強(qiáng)度為533.5 MPa，屈服強(qiáng)度為455 MPa,延伸率為16.5%。

2.4 鋁合金的形變熱處理

形變熱處理結(jié)合鋁合金的塑性變形強(qiáng)化和時(shí)效強(qiáng)化，改善工件的顯微組織，使其韌性、抗應(yīng)力腐蝕能力等力學(xué)性能顯著提升，同時(shí)，形變熱處理還可以簡(jiǎn)化生產(chǎn)流程，顯著提高生產(chǎn)效率。鋁合金的形變熱處理工藝將塑性變形以及熱處理共同作用在工件上，能夠有效控制工件形狀。形變熱處理主要包括低溫形變熱處理、高溫形變熱處理、中間形變熱處理以及最終形變熱處理等類(lèi)型。其中，中間形變熱處理以及對(duì)中性面熱處理的應(yīng)用相對(duì)廣泛； 低溫形變熱處理技術(shù)主要應(yīng)用于AI-Cu-Mg 系合金，但不適用于Al-Zn-Mg-Cu 系合金；高溫形變熱處理技術(shù)將熱加工作為固溶處理環(huán)節(jié)，之后在短時(shí)間內(nèi)淬火，一般對(duì)Al-Cu 以及AI-Mg-Si 系合金有較為優(yōu)良的處理效果，但是不可應(yīng)用在Al-Zn-Mg-Cu 系列合金中。

2015 年，薛淼[10]研究發(fā)現(xiàn)2A12 鋁合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度隨著形變熱處理中的變形率和失效時(shí)間的增大而變化，呈現(xiàn)先增后減狀態(tài)，當(dāng)變形率為40%、時(shí)效時(shí)間為15 h，兩者達(dá)到最大值——539 N/mm2、370 N/mm2；工件硬化指數(shù)與變形率成正比，并在50%變形率時(shí)達(dá)到0.56 最優(yōu)值。2016 年，劉松[11]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)相同溫度參數(shù)的熱處理工藝后，2A12 合金伸長(zhǎng)率隨形變量增大而減小，塑性降低，當(dāng)變形量為40%時(shí)抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值533.68 MPa。

2.5 鋁合金的回歸熱處理

回歸熱處理(RHT）是先將強(qiáng)化后的鋁合金工件快速加熱到一定溫度，隨后短時(shí)保溫，使工件材料性能達(dá)到新淬火前的狀態(tài)，其實(shí)質(zhì)就是一種短時(shí)加熱的過(guò)程[12]。經(jīng)過(guò)人工時(shí)效熱處理后的工件也能進(jìn)行回歸再時(shí)效處理。對(duì)鋁合金工件進(jìn)行回歸處理后再時(shí)效處理，可以恢其強(qiáng)度，并提高工件材料的韌性、防腐蝕開(kāi)裂等綜合性能。

宋佩維等[13]通過(guò)對(duì)2A12-T4 狀態(tài)的鋁合金進(jìn)行不同時(shí)長(zhǎng)的回歸熱處理實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，回歸熱處理工藝為250℃×（20~25）s，熱處理的時(shí)長(zhǎng)與固溶狀態(tài)的恢復(fù)速度成反比，隨著熱處理時(shí)長(zhǎng)增加，工件依次顯現(xiàn)回歸、人工時(shí)效和過(guò)時(shí)效的特征。2014年，趙俊[14]將回歸熱處理工藝擴(kuò)展應(yīng)用到7XXX 鋁合金并進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的回歸熱處理工藝最優(yōu)參數(shù)為465 ℃×2 h+120℃×12 h+190 ℃×5 min+120 ℃×16 h，對(duì)7XXXX 系鋁合金進(jìn)行工藝優(yōu)化的回歸熱處理后，其抗拉強(qiáng)度達(dá)到727 MPa，屈服強(qiáng)度達(dá)到703 MPa，伸長(zhǎng)率可達(dá)8.3%，綜合力學(xué)性能得到有效提高。

3 結(jié)論與展望

通過(guò)不同方式的熱處理來(lái)改變2A12 鋁合金的硬度、屈服強(qiáng)度、塑性、伸長(zhǎng)率等各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)，可滿(mǎn)足各行業(yè)的使用需求。因此熟悉并掌握不同熱處理方式的作用、特點(diǎn)及具體的工藝參數(shù)就顯得尤為重要。同時(shí)還要認(rèn)識(shí)到目前對(duì)于2A12鋁合金的熱處理方式的研究需更進(jìn)一步。

1）均勻化熱處理方式目前廣泛應(yīng)用于7XXX 系鋁合金，對(duì)2A12 鋁合金的均勻化熱處理研究比較匱乏，尚未形成完善成熟的工藝參數(shù)及指導(dǎo)文件。因此，研究2A12 鋁合金的均勻化熱處理就顯得很有意義。

2）諸多學(xué)者陸續(xù)展開(kāi)對(duì)2A12 鋁合金進(jìn)行多種熱處理方式混合實(shí)驗(yàn)研究，以期得到更為具體詳細(xì)、貼近實(shí)際需求的熱處理工藝參數(shù)。目前，大多數(shù)研究成果停留在試驗(yàn)階段或針對(duì)性較強(qiáng)，尚未具有普適性并應(yīng)用推廣。因此，可以通過(guò)增加不同狀態(tài)和用途的2A12 鋁合金樣本擴(kuò)大試驗(yàn)范圍，得到更為詳細(xì)的工藝參數(shù)，并推廣到實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中。

3）還應(yīng)認(rèn)識(shí)到目前的熱處理技術(shù)促進(jìn)行業(yè)發(fā)展的同時(shí)，也潛存著對(duì)環(huán)境、人體健康及材料本身的危害隱患。研究2A12鋁合金的熱處理工藝不應(yīng)局限于對(duì)材料性能的提升和滿(mǎn)足使用需求，還應(yīng)不斷創(chuàng)新發(fā)展，來(lái)減輕對(duì)環(huán)境和材料本身的破壞，逐步解放人力，實(shí)現(xiàn)智能自動(dòng)化。