中南大学固态相变论文

CENTRAL SOUTH UNIVERSITY

《固态相变》课程论文

题目热处理工艺对Al-Cu-Mg-Ag合金组织和性能的影响学生姓名

学号

指导教师

学院材料科学与工程学院

专业材料学

热处理工艺对Al-Cu-Mg-Ag合金组织和性能的影响

摘要：均匀化处理、固溶处理、时效处理吨合金的组织形态及力学性能有很大的影响，本文对三中处理方式后的合金形态进行了描述。

关键词：均匀化处理固溶处理时效处理

绪论

作为一种时效硬化型铝合金，Al-Cu-Mg系铝合金的研究取得了巨大成果，近几十年来，该系合金在航空航天工业方面已得到了广泛的应用。传统的Al-Cu-Mg系铝合金如2618，2021及2219等合金通常在低于150℃的温度下使用[1]；在高于150℃下使用时，该系合金强度会急剧下降，无法满足使用要求。超音速飞机由于巡航速度较高，在飞行过程中会与空气发生摩擦而产生巨大的气动热，致使飞机的表面温度升高而使机身材料处于150℃以上的工作环境中。作为飞机的蒙皮材料，Al-Cu-Mg系铝合金的服役温度为150℃及以上时，主要的时效析出相θ′或S相将长大粗化而使合金性能急剧恶化，限制了该合金的应用前景。较之变形铝合金，虽然一些铸造耐热铝合金的耐高温性能好，但由于其较差的塑性变形能力和耐蚀性，降低了市场竞争力，限制了其在航空工业中的广泛应用。目前，主要采用粉末冶金法（包括快速凝固和喷射沉积）来提高铝合金的中高温性能，但是用粉末冶金法生产的耐热铝合金不仅制造工艺复杂，难于制成大型材而且成本极高[2]，所以其大规模应用受到限制。综上所述，为提高合金耐热温度和高温性能，利用传统的铸造冶金法制备耐热铝合金仍然具有突出的实际应用价值。

1.均匀化处理对合金铸锭组织的影响

1.1合金的铸态组织

铸态合金在光学显微镜下的金相组织如图1所示。由图可知，铸态合金的微

观组织呈树枝状形态，枝晶网络厚度不一且不连续分布。树枝状组织是由α-Al 固溶体组成，枝晶网络及晶界处主要是由非平衡共晶相和少量不溶的金属间化合物组成。三种合金的微观尺寸相差不大，较为接近。

a b

c

c

图1(b)合金的铸态显微组织；

选取铸态合金(Al-Cu-Mg-0.33%Ag)进行SEM观察及深入分析。图2为铸态合金微观组织及主要合金化元素的面扫描分布，背散射电子图像显示黑色部分为α-Al固溶体；图2(a)进一步表明合金铸锭组织存在着严重的枝晶偏析，晶界上分布着非平衡的粗大第二相。图2(b)，(c)和(d)分别为Cu，Mg和Ag三种元素的面扫面分布图，由图可知，这些合金化元素不同程度地偏析富集于晶界上，但是在晶内的分布则比较均匀；其中，Cu元素在晶界上的偏析最为严重，其次为Mg 元素，而Ag元素在晶内和晶界上都分布较为均匀。综上所述，主要的合金化元素在合金铸锭内不均匀分布。

a b

c d

图2 合金铸态显微组织

(a)背散射电子像；(b)Cu元素面分布；(c)Mg元素面分布；(d)Ag元素面分布

对合金进一步进行扫面电镜高倍观察和微区能谱分析。根据能谱分析可知，图3(a)灰色区域中的A处只含有Al和Cu元素，Al/Cu原子比接近2:1，见图3(b)所示，由此可知，A处为Al2Cu化合物；图3(a)白色区域中的B点处的化合物成分含有Al，Cu，Mg和Zr四种元素，其中Al和Cu元素质量及原子百分含量高达93%，且两者的原子比接近1:1，见图3(c)，该处为Cu元素严重偏析区域，这可能是由于Cu元素的含量超过了其在α-Al固溶体中的极限固溶度而在该晶界处偏析；图3(a)所指C处的化合物含有Al，Cu，Mg和Ag四种元素，其中Cu/Mg 原子比约为1:1，见图3(d)，由此可知，C处为Al2CuMg化合物。综上所述，合金中存在Al2Cu，Al2CuMg等多种非平衡第二相。

因此，为了使合金化元素均匀分布并尽可能地完全溶解非平衡的粗大第二相，改善合金铸锭内部的组织状态，提高铸锭的质量，在对合金进行轧制前必须对铸锭进行均匀化退火处理。

1.2不同均匀化处理工艺对合金铸锭组织的影响

根据表1所设计的均匀化退火工艺对合金进行不同均匀化退火处理，并对退火后的样品进行SEM 和OM 观察与分析，并由此确定合金最佳的均匀化退火处理制度。

图5所示为合金经不同均匀化退火处理后的背散射电子像，经均匀化退火处理后，合金晶界处非平衡低熔点共晶相逐渐发生了溶解，枝晶网络厚度变小，粗大第二相逐渐溶入α-Al 固溶体中，残留相减少。随着均匀化温度(485℃，500℃，515℃)的升高，非平衡第二相溶解得更加充分，如图5(a)，(b)，(c)及(f)所示。图5(c)，(d)和(e)，均匀化退火温度(515℃)相同，而均匀化时间(8h ，16h ，24h)逐渐增加，晶界处的非平衡第二相也随均匀化时间的延长溶解得比较充分，但是均匀化时间再进一步增加，其效果相差也不大，见图5(d)和(e)。DTA 热分析结果显示在525℃左右有一个明显的吸热峰，表明合金在该温度下有非平衡共晶相开始发生熔化转变，图5(f)是420℃×6h+525℃×8h 均匀化处理的背散射电子像，尽管合金溶质原子均匀化得非常充分，但是对合金进行金相组织观察时，发现合金晶界

图3 合金晶界化合物能谱分析 (a)背散射电子像；(b)图(a)中A 处的能谱分析结果；(c)图(a)中B 处的能谱分析结

果：(d)图(a)中A 处的能谱分析结果

A

B

C

(a) Element Wt%At% MgK 8.68

12.41

AlK 54.67 70.42 AgK 12.78 4.12 CuK

23.86 13.05

(d)

Element Wt% At% MgK 2.77 4.91 AlK 32.75 52.32 CuK 59.79 40.56 ZrK

4.68

2.21

(c)

Element Wt% At%

AlK 46.02 66.75 CuK

53.98 33.25

(b)