2024铝合金的均匀化热处理研究
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髫 蕞
图３ ２０２４铝合金的ＤＳＣ曲线
２．３均匀化态合金的组织 图４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）所示为合金在不
同均匀化温度下进行均匀化处理的金相组织。可 以看出，随均匀化温度的升高，合金组织中的非 平衡低熔点共晶相逐渐溶解，晶界上的残留相由 连续分布转变为不连续分布。经４９５℃均匀化处理 ２４ｈ后，合金中的枝晶网络变稀，非溶相和枝晶偏 析基本消除；当均匀化温度进一步升高到５０５ｃ｜Ｃ时， 发生轻微过烧；合金经５１５℃均匀化后，出现晶界 复熔物或三角晶界，合金处于较严重过烧状态。 因此，考虑到Ｔ业生产中的各种影响因素（大尺寸 铸锭和炉温波动等），在满足合金性能要求的前提 下，建议合金均匀化温度为４９０～４９５。Ｃ。
１ 实验材料及方法
实验用材料为东北轻合金有限责任公司提供的 ２０２４铝合金铸锭，其主要化学成分（质量分数／％）为 Ｃｕ ３．８－４．９，Ｍｇ １．２－１．８，Ｍｎ ０．３—０．９，Ａ１余量。铸 锭尺寸为８５ｍｍｘ３００ｍｍｘ２００ｍｍ。利用线切割将铸 锭切割成１５ｍｍｘｌ５ｍｍｘｌｏｍｍ（长×宽×高）的小块 试样。小块试样分别在４６５℃、４８００Ｃ、４９５℃、 ５０５℃、５１５℃下进行均匀化处理，处理时间为２４ ｈ。在选定的最佳均匀化温度下分别处理１２ ｈ、２４ ｈ、４８ ｈ和７２ ｈ。均匀化处理所用设备为程序控温 ＳＸ－４—５０箱式电阻炉，温度误差±２℃。采用 ＰＯＬＹＶＥＲ—ＭＥＴ显微镜观测金相组织，金相试样采 用ＫｅＨｅｍ试剂腐蚀；Ｓｉｒｉｏｎ２００场发射扫描电镜观 察铸锭枝晶组织、定性观测枝晶网络溶解程度和 残留相的大小、数量和分布特征。采用日本理学Ｇ， ｌｎａＸ ２５００Ｘ射线衍射仪分析合金中第二相。第二相 组成分析采用Ｓｉｒｉｏｎ２００扫描电镜上配套的ＥＤＸ设备
共晶相，Ｃｕ，Ｍｇ和Ｍｎ元素在晶内及晶界分布不均匀；经过均匀化处理后，合金组织中的非平衡相逐渐溶解，各组元分布趋
于均匀；该合金的过烧温度为５０３．１℃，合理均匀化制度为４９５％，２４ ｈ，该制度与均匀化动力学方程得到的结论基本一致。
关键词：２０２４铝合金；显微组织；均匀化处理；动力学
中图分类号：１－Ｇ１６６０．３
《铝加工》
２０１０年第４期总第１９５期
学术综论
２０２４铝合金的均匀化热处理研究
刘成，罗兵辉，王聪，杨磊
（中南大学材料科学与工程学院。长沙４１００８３）
摘要：采用光学显微镜（ＯＭ）、差热分析（ｏｓｃ）、扫描电镜（ｓＥＭ）、能谱分析（ＥＤＳ）和ｘ射线衍射（ＸＲＤ）等方法，研究２０２４铝
合金铸态与均匀化态的显微组织演化和成分分布。结果表明：２０２４铝合金的铸态组织枝晶偏析严重，在晶界存在很多低熔点
低很多，各合金组元的浓度沿枝晶间分布基本呈 周期性变化，研究合金组元在均匀化过程中的变 化规律，只需研究相邻枝晶间合金组元的扩散规 律即可。由前面的图５（ａ）可以看出，２０２４合金中主 要元素Ｃｕ、Ｍｇ和Ｍｎ沿枝晶间呈周期性变化，本实
Ａ＝ｉ１ Ａｃｏ………………………………（２）
式中：￡为枝晶间距；Ａｃ。为晶界与晶内元素 含量差；为完全均匀化后合金元素平均含量；菇为 元素所在处与晶界的距离。
图４（ｆ）、（ｇ）、（ｈ）所示为合金在４９５℃不同时间 下均匀化处理的金相组织。从图中可以看出，随 着均匀化时间的延长，晶界上粗大的共晶组织和 枝晶逐渐溶解。合金在４９５℃均匀化处理１２ｈ时，枝 晶网溶解不充分，晶界上粗大的非平衡相有所减 少；当均匀化时间达到２４ｈ时，合金组织中网状共 晶体基本溶解，且枝晶网络变稀见图４（ｅ）；此后再 延长均匀化时间，尽管枝晶网溶解充分，残留相 较少，但效果也不很明显见图４（ｇ）和（ｈ）。考虑到 生产周期，２０２４合金适宜的均匀化时间定为２４ｈ为 宜。 ２．４均匀化前后合金元素的成分分布
图５所示为２０２４铝合金铸锭经均匀化处理前后 主要合金元素的线扫描分析结果。可见，铸态合 金的主要元素ｃｕ、Ｍｇ、Ｍｎ在合金内分布不均匀， 尤其是在晶界上存在明显的富集现象，其中ｃｕ的 偏析程度最大，Ｍｇ的次之，Ｍｎ的偏析程度最小；
·１０·
万方数据
刘成，等：２０２４铝合金的均匀化热处理研究
学术综论
文献标识码：Ａ
文章编号：１００５—４８９８（２０１０）０４－０００８—０７
大量研究表明【１删：合金在凝固时都存在枝晶偏 析，在晶界和晶内各组元分布不均匀，必须通过均 匀化处理消除或降低铸锭晶体内化学成分和组织 的不均匀性。均匀化处理能促进合金中低熔点可 溶解共晶相完全或接近完全溶解，减少第二相的 体积百分数，使合金铸锭化学成分分布趋于均匀， 组织达到或接近平衡状态，提高合金元素在基体 中的固溶度，同时改善合金的塑性，提高合金的 强度，最终改善合金的加工性能及使用性能㈣。
万方数据
图４ ２０２４合金均匀化处理后的金相组织
《铝加工》
２０１０年第４期总第１９５期
铸锭经４９５。Ｃ／２４ ｈ均匀化处理后，合金元素扩散， 枝晶偏析消除，从晶界至晶内的分布也趋于平稳，
只是晶界仍存在少量元素分布偏聚。
学术综论
图５ ２０２４合金的线扫描分析曲线
２．５均匀化前后合金的ＸＲＤ物相组织 图６所示为２０２４合金铸态和均匀化态的ＸＲＤ
专＝号ｌｎ（ｔ）一号１ｎ（４４订．６铋ＬＺ）……………（７）
令Ｐ＝号，Ｂ＝硒４．６，便得到：
Ｔ＝Ｐ １ｎ（壶）…………………一（８）
式（８）即为均匀化动力学方程。只要给出铸 锭原始组织参量便可做出铸锭加热转变动力学曲 线。由于在相同温度下，Ｍｇ和Ｍｎ合金元素的扩散 比ｃｕ元素要快，所以主要考虑Ｃｕ元素的扩散。在 本实验中，Ｄｏ（Ｃｕ）＝８．４ｍｍ２／ｓ，Ｑ（Ｃｕ）＝１３６．８ｋＪ／ｔｏｏｌ， Ｒ＝８．３１ Ｊ／（ｍｏｌ·Ｋ），将各参量代人式（８）便可绘出 不同参数时ｃｕ元素的均匀化动力学曲线（见图７）。
谱，２０２４铸态铝合金主要由仪（Ａ１）、Ｓ（Ａ１２ＣｕＭｇ）和 ０（Ａｌ：Ｃｕ）平衡相组成。合金铸锭经４９５℃／２４ ｈ均匀 化处理后，０（Ａ１２Ｃｕ）相完全回溶到ｄ（ＡＩ）基体中，Ｓ （Ａ１２ＣｕＭｇ）相也基本回溶，经５１５０Ｃ／２４ｈ均匀化处理 后，０（Ａ１２Ｃｕ）相和Ｓ（Ａ１２ＣｕＭｇ）相完全回溶。
（ｃ）Ａ点的ＥＤＳ谱
Ｂ点的ＥＤＳ谱
万方数据
·９·
《铝加工》
２０１０年第４期总第１９５期
学术综论
图２铸态２０２４合金的ＳＥＭ像及元素面扫描分布
图３所示为铸态及均匀化态２０２４合金的ＤＳＣ曲 线。由图３可知，铸锭在５０３．１℃和６４１．２℃处出现吸 热峰。其中，５０３．Ｉ。Ｃ是该合金组织中非平衡低熔 点共晶相的熔化温度；６４１．２℃是合金的熔点。比 较铸态及不同均匀化处理后的ＤＳＣ曲线，发现均匀 化处理后，共晶组织的熔化峰面积减小，表明均匀 化处理使晶界非平衡低温共晶相溶解充分，合金 元素在晶界处的偏析减少。而均匀化退火是基于 原子的扩散运动，均匀化过程中，扩散系数与温 度的关系可用Ａｒｒｈｅｎｉｕｓ方程表示如下：
Ｄ＝Ｄ０ｅｘｐ（羔ｎ ） ｎ１
式中：Ｄ为与温度基本无关的系数；ｐ为扩散 激活能；Ｒ为摩尔气体常数；ｚ为绝对温度。从Ａ１１ｒ ｈｅｎｉｕｓ方程可以看出，温度越高，扩散系数越大， 原子扩散速度越快，偏析越容易消除。因此，为 了加速均匀化过程，应尽可能提高均匀化温度。 然而，为了防止合金过烧，该合金铸锭的均匀化 温度不能超过５０３．１℃。
相的ＥＤＳ能谱。从图ｌ中可以看出，铸态组织由树 枝状ａ（Ａ１）和枝晶间低熔点共晶体组成，基体Ｏｔ （Ａ１）呈等轴状，枝晶网络上这些共晶体大部分呈灰
色（Ｑ（Ａ１）＋ＡＩｚＣｕＭｇ相共晶），还有小部分颜色较亮 （Ｑ（Ａ１）＋Ａ１２Ｃｕ相共晶）。 图２所示为铸态合金的ＳＥＭ组织与合金中主要合金 元素ｃｕ、Ｍｇ、Ｍｎ在晶内及晶界的面扫描分布。从 图２可以看出，合金中主要元素ＣｕＴｆｌ］Ｍｇ在晶界存在 不同程度的富集现象，其成分偏析程度由大到小 的顺序依次为Ｃｕ、Ｍｇ、Ｍｎ，元素含量由晶界向晶 内逐渐降低。 ２．２均匀化前后合金的ＤＳＣ曲线
笔越赠
时间／ｈ 图７不同参数时ｃｕ元素的均匀化动力学曲线 从图７可以看出，随着均匀化温度的升高，均 匀化时间大大缩短。根据定量金相可以知道，铸态 枝晶平均间距Ｌ约为５２１ｘｍ，由以上分析可知，理想 的均匀化温度为４９５。Ｃ，查动力学曲线可知在此温 度下的均匀化时间为２１．６ｈ，这与实验结果
（４９５℃，２４ｈ）基本吻合。经均匀化退火后，合金组 织枝晶偏析基本消除，晶界上的残留相也基本溶 解。但合金经均匀化处理后晶界仍存在少量的Ｃｕ 和Ｍｇ偏聚，这可能是由于合金中这些元素含量较 高引起的。
４结论
（１）铸态２０２４合金组织中存在严重的元素偏析 偏析程度大小为Ｃｕ、Ｍｇ、Ｍｎ。在晶界上有许多粗 大的Ａ１２ＣｕＭｇ和Ａ１２Ｃｕ非平衡相。经４９５０Ｃ／２４ ｈ均匀 化处理后，合金铸锭中大部分平衡相溶解，晶界变 得稀薄，各合金元素分布趋于均匀。
验结果与以上研究相符。因此，研究２０２４铝合金 的均匀化动力学，只需研究其相邻枝晶间主要元 素Ｃｕ、Ｍｇ和Ｍｎ的扩散规律即可。
ＳＨＥＷＭＡＮｆ－ｅ认为，均匀化过程中合金元素的 分布状态可用余弦函数的傅氏级数分量逼近，表
达式为：
Ｃ（ｚ）＝Ｃ拟ＣＯＳ ２７，ＴＸ………………………（１）
◆一Ｑ（ＡＩ）
◆
●
作者简介：刘成（１９８４一），男，湖北赤壁人．硕士研究生，从事耐蚀及高强铝合金研究。 收稿日期：２０１０－０５—１０
·８·
万方数据
刘成，等：２０２４铝合金的均匀化热处理研究
学术综论
进行；ＤＳＣ分析在ＳＤＴ—Ｑ６００热分析仪上进行，升 温速率为１０℃／ｒａｉｎ。
２实验结果与分析
２．．ｆ铸态组织 图１所示为铸态２０２４铝合金的微观组织及第二
匀化动力学的系统研究鲜有报道。在此，本文作 者利用ＯＭ、ＤＳＣ、ＳＥＭ、ＸＲＤ等手段研究了２０２４ 铝合金铸态和均匀化处理后的显微组织及成分变 化，得到最佳均匀化工艺，并导出均匀化动力学 方程，同时，也对实验所得均匀化工艺进行了验 证。以期为优化２０２４铝合金均匀化工艺，指导实 际生产提供理论及参考依据。
２０２４铝合金由于强度高、比重低、耐热性好 等优点，主要用作飞机蒙皮、骨架、肋梁、隔框及 卫星等航天器上要求承受高循环载荷的结构件， 已成为航空工业中使用最为广泛的铝合金材料之 一。目前为止，国内外有关２０２４铝合金的研究已 有大量报道：李晗等利用正交试验研究了热处理 对２０２４铝合金薄板力学性能的影响，提出了２０２４一 Ｔ６２态较优的热处理工艺参数。王轶农等研究了冷 轧态２０２４铝合金的再结晶织构及晶界特征分布。 ＮＩＮＧ Ａｉ—ｌｉｎｔｌ０Ｉ等研究了固溶后大冷变形对２０２４铝合 金析出及性能的影响。Ｆ．Ｍ．Ｋｈｏｓｈｎａｗｔｌｌ等研究了时 效温度和时间对２０２４铝合金剥落腐蚀性能的影响。 熊少敏【－２】等研究了２０２４铝合金中的沉淀相对其ＰＬＣ 效应的影响。Ｊｏｎｅｓ，Ｋｔｌ３－１４１等对２０２４铝合金的腐蚀疲 劳及裂纹扩展行为进行了研究。而有关２０２４铝合 金均匀化处理前后显微组织变化、成分变化和均
在均匀化热处理过程中，当合金元素浓度差衰
减到击吉△ｃ。时，认为均匀化结束，则有： 击丁１础庐ｉ１△ｃ。ｅｘｐ（一髻眈）………（５）
·１２·
万方数据
刘成。等：２０２４铝合金的均匀化热处理研究
学术综论
而扩散系数Ｄ与温度珀勺关系：
Ｄ＝Ｄｏｅｘｐ（一蒜）…………………··（６）
将式（６）代人式（５），整理后得：
式（２）逼近的分布状态的每一个基波分量均随 加热时间按一定速度独立衰减，基波衰减函数可描 述为：
Ｃ（ｘ，ｔ）＝ｃ＋吉△ｃｏｃｏｓ（孕）ｅｘｐ（一等㈨（３）
式中：Ｄ为合金元素在基体中的扩散系数；ｔ 为时间。
式（３）所示的余弦分布衰减规律可由衰减函数 表示：
ｃ（川）＝告△ｃ。ｅｘｐ（一譬ｏｔ）…………（４）
●
Ａ－－Ａ１２Ｃｕ
５１５℃／２４ｈ一 ｌ
ｏ－－ＡＩ￡ｕＭｇ
均匀化
■一 ｌ∥
ｊ
４９５℃／２４ ｈ
均匀化
０ ０ ９． 吸。 Ｌ夕
铸态
一
ｏ．
ｏ
已 ｏ沧 、△ ／
４０
６０
８０
街／（ｏ）
图６ ２０２４合金铸锭均匀化前后的ＸＲＤ谱
３均匀化动力学分析
研究表明叫Ｊｑ：在具有严重偏析的铸态组织中 ，固溶体内部的合金元素含量比枝晶部分的含量
图３ ２０２４铝合金的ＤＳＣ曲线
２．３均匀化态合金的组织 图４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）所示为合金在不
同均匀化温度下进行均匀化处理的金相组织。可 以看出，随均匀化温度的升高，合金组织中的非 平衡低熔点共晶相逐渐溶解，晶界上的残留相由 连续分布转变为不连续分布。经４９５℃均匀化处理 ２４ｈ后，合金中的枝晶网络变稀，非溶相和枝晶偏 析基本消除；当均匀化温度进一步升高到５０５ｃ｜Ｃ时， 发生轻微过烧；合金经５１５℃均匀化后，出现晶界 复熔物或三角晶界，合金处于较严重过烧状态。 因此，考虑到Ｔ业生产中的各种影响因素（大尺寸 铸锭和炉温波动等），在满足合金性能要求的前提 下，建议合金均匀化温度为４９０～４９５。Ｃ。
１ 实验材料及方法
实验用材料为东北轻合金有限责任公司提供的 ２０２４铝合金铸锭，其主要化学成分（质量分数／％）为 Ｃｕ ３．８－４．９，Ｍｇ １．２－１．８，Ｍｎ ０．３—０．９，Ａ１余量。铸 锭尺寸为８５ｍｍｘ３００ｍｍｘ２００ｍｍ。利用线切割将铸 锭切割成１５ｍｍｘｌ５ｍｍｘｌｏｍｍ（长×宽×高）的小块 试样。小块试样分别在４６５℃、４８００Ｃ、４９５℃、 ５０５℃、５１５℃下进行均匀化处理，处理时间为２４ ｈ。在选定的最佳均匀化温度下分别处理１２ ｈ、２４ ｈ、４８ ｈ和７２ ｈ。均匀化处理所用设备为程序控温 ＳＸ－４—５０箱式电阻炉，温度误差±２℃。采用 ＰＯＬＹＶＥＲ—ＭＥＴ显微镜观测金相组织，金相试样采 用ＫｅＨｅｍ试剂腐蚀；Ｓｉｒｉｏｎ２００场发射扫描电镜观 察铸锭枝晶组织、定性观测枝晶网络溶解程度和 残留相的大小、数量和分布特征。采用日本理学Ｇ， ｌｎａＸ ２５００Ｘ射线衍射仪分析合金中第二相。第二相 组成分析采用Ｓｉｒｉｏｎ２００扫描电镜上配套的ＥＤＸ设备
共晶相，Ｃｕ，Ｍｇ和Ｍｎ元素在晶内及晶界分布不均匀；经过均匀化处理后，合金组织中的非平衡相逐渐溶解，各组元分布趋
于均匀；该合金的过烧温度为５０３．１℃，合理均匀化制度为４９５％，２４ ｈ，该制度与均匀化动力学方程得到的结论基本一致。
关键词：２０２４铝合金；显微组织；均匀化处理；动力学
中图分类号：１－Ｇ１６６０．３
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２０２４铝合金的均匀化热处理研究
刘成，罗兵辉，王聪，杨磊
（中南大学材料科学与工程学院。长沙４１００８３）
摘要：采用光学显微镜（ＯＭ）、差热分析（ｏｓｃ）、扫描电镜（ｓＥＭ）、能谱分析（ＥＤＳ）和ｘ射线衍射（ＸＲＤ）等方法，研究２０２４铝
合金铸态与均匀化态的显微组织演化和成分分布。结果表明：２０２４铝合金的铸态组织枝晶偏析严重，在晶界存在很多低熔点
低很多，各合金组元的浓度沿枝晶间分布基本呈 周期性变化，研究合金组元在均匀化过程中的变 化规律，只需研究相邻枝晶间合金组元的扩散规 律即可。由前面的图５（ａ）可以看出，２０２４合金中主 要元素Ｃｕ、Ｍｇ和Ｍｎ沿枝晶间呈周期性变化，本实
Ａ＝ｉ１ Ａｃｏ………………………………（２）
式中：￡为枝晶间距；Ａｃ。为晶界与晶内元素 含量差；为完全均匀化后合金元素平均含量；菇为 元素所在处与晶界的距离。
图４（ｆ）、（ｇ）、（ｈ）所示为合金在４９５℃不同时间 下均匀化处理的金相组织。从图中可以看出，随 着均匀化时间的延长，晶界上粗大的共晶组织和 枝晶逐渐溶解。合金在４９５℃均匀化处理１２ｈ时，枝 晶网溶解不充分，晶界上粗大的非平衡相有所减 少；当均匀化时间达到２４ｈ时，合金组织中网状共 晶体基本溶解，且枝晶网络变稀见图４（ｅ）；此后再 延长均匀化时间，尽管枝晶网溶解充分，残留相 较少，但效果也不很明显见图４（ｇ）和（ｈ）。考虑到 生产周期，２０２４合金适宜的均匀化时间定为２４ｈ为 宜。 ２．４均匀化前后合金元素的成分分布
图５所示为２０２４铝合金铸锭经均匀化处理前后 主要合金元素的线扫描分析结果。可见，铸态合 金的主要元素ｃｕ、Ｍｇ、Ｍｎ在合金内分布不均匀， 尤其是在晶界上存在明显的富集现象，其中ｃｕ的 偏析程度最大，Ｍｇ的次之，Ｍｎ的偏析程度最小；
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刘成，等：２０２４铝合金的均匀化热处理研究
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文献标识码：Ａ
文章编号：１００５—４８９８（２０１０）０４－０００８—０７
大量研究表明【１删：合金在凝固时都存在枝晶偏 析，在晶界和晶内各组元分布不均匀，必须通过均 匀化处理消除或降低铸锭晶体内化学成分和组织 的不均匀性。均匀化处理能促进合金中低熔点可 溶解共晶相完全或接近完全溶解，减少第二相的 体积百分数，使合金铸锭化学成分分布趋于均匀， 组织达到或接近平衡状态，提高合金元素在基体 中的固溶度，同时改善合金的塑性，提高合金的 强度，最终改善合金的加工性能及使用性能㈣。
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图４ ２０２４合金均匀化处理后的金相组织
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２０１０年第４期总第１９５期
铸锭经４９５。Ｃ／２４ ｈ均匀化处理后，合金元素扩散， 枝晶偏析消除，从晶界至晶内的分布也趋于平稳，
只是晶界仍存在少量元素分布偏聚。
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图５ ２０２４合金的线扫描分析曲线
２．５均匀化前后合金的ＸＲＤ物相组织 图６所示为２０２４合金铸态和均匀化态的ＸＲＤ
专＝号ｌｎ（ｔ）一号１ｎ（４４订．６铋ＬＺ）……………（７）
令Ｐ＝号，Ｂ＝硒４．６，便得到：
Ｔ＝Ｐ １ｎ（壶）…………………一（８）
式（８）即为均匀化动力学方程。只要给出铸 锭原始组织参量便可做出铸锭加热转变动力学曲 线。由于在相同温度下，Ｍｇ和Ｍｎ合金元素的扩散 比ｃｕ元素要快，所以主要考虑Ｃｕ元素的扩散。在 本实验中，Ｄｏ（Ｃｕ）＝８．４ｍｍ２／ｓ，Ｑ（Ｃｕ）＝１３６．８ｋＪ／ｔｏｏｌ， Ｒ＝８．３１ Ｊ／（ｍｏｌ·Ｋ），将各参量代人式（８）便可绘出 不同参数时ｃｕ元素的均匀化动力学曲线（见图７）。
谱，２０２４铸态铝合金主要由仪（Ａ１）、Ｓ（Ａ１２ＣｕＭｇ）和 ０（Ａｌ：Ｃｕ）平衡相组成。合金铸锭经４９５℃／２４ ｈ均匀 化处理后，０（Ａ１２Ｃｕ）相完全回溶到ｄ（ＡＩ）基体中，Ｓ （Ａ１２ＣｕＭｇ）相也基本回溶，经５１５０Ｃ／２４ｈ均匀化处理 后，０（Ａ１２Ｃｕ）相和Ｓ（Ａ１２ＣｕＭｇ）相完全回溶。
（ｃ）Ａ点的ＥＤＳ谱
Ｂ点的ＥＤＳ谱
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图２铸态２０２４合金的ＳＥＭ像及元素面扫描分布
图３所示为铸态及均匀化态２０２４合金的ＤＳＣ曲 线。由图３可知，铸锭在５０３．１℃和６４１．２℃处出现吸 热峰。其中，５０３．Ｉ。Ｃ是该合金组织中非平衡低熔 点共晶相的熔化温度；６４１．２℃是合金的熔点。比 较铸态及不同均匀化处理后的ＤＳＣ曲线，发现均匀 化处理后，共晶组织的熔化峰面积减小，表明均匀 化处理使晶界非平衡低温共晶相溶解充分，合金 元素在晶界处的偏析减少。而均匀化退火是基于 原子的扩散运动，均匀化过程中，扩散系数与温 度的关系可用Ａｒｒｈｅｎｉｕｓ方程表示如下：
Ｄ＝Ｄ０ｅｘｐ（羔ｎ ） ｎ１
式中：Ｄ为与温度基本无关的系数；ｐ为扩散 激活能；Ｒ为摩尔气体常数；ｚ为绝对温度。从Ａ１１ｒ ｈｅｎｉｕｓ方程可以看出，温度越高，扩散系数越大， 原子扩散速度越快，偏析越容易消除。因此，为 了加速均匀化过程，应尽可能提高均匀化温度。 然而，为了防止合金过烧，该合金铸锭的均匀化 温度不能超过５０３．１℃。
相的ＥＤＳ能谱。从图ｌ中可以看出，铸态组织由树 枝状ａ（Ａ１）和枝晶间低熔点共晶体组成，基体Ｏｔ （Ａ１）呈等轴状，枝晶网络上这些共晶体大部分呈灰
色（Ｑ（Ａ１）＋ＡＩｚＣｕＭｇ相共晶），还有小部分颜色较亮 （Ｑ（Ａ１）＋Ａ１２Ｃｕ相共晶）。 图２所示为铸态合金的ＳＥＭ组织与合金中主要合金 元素ｃｕ、Ｍｇ、Ｍｎ在晶内及晶界的面扫描分布。从 图２可以看出，合金中主要元素ＣｕＴｆｌ］Ｍｇ在晶界存在 不同程度的富集现象，其成分偏析程度由大到小 的顺序依次为Ｃｕ、Ｍｇ、Ｍｎ，元素含量由晶界向晶 内逐渐降低。 ２．２均匀化前后合金的ＤＳＣ曲线
笔越赠
时间／ｈ 图７不同参数时ｃｕ元素的均匀化动力学曲线 从图７可以看出，随着均匀化温度的升高，均 匀化时间大大缩短。根据定量金相可以知道，铸态 枝晶平均间距Ｌ约为５２１ｘｍ，由以上分析可知，理想 的均匀化温度为４９５。Ｃ，查动力学曲线可知在此温 度下的均匀化时间为２１．６ｈ，这与实验结果
（４９５℃，２４ｈ）基本吻合。经均匀化退火后，合金组 织枝晶偏析基本消除，晶界上的残留相也基本溶 解。但合金经均匀化处理后晶界仍存在少量的Ｃｕ 和Ｍｇ偏聚，这可能是由于合金中这些元素含量较 高引起的。
４结论
（１）铸态２０２４合金组织中存在严重的元素偏析 偏析程度大小为Ｃｕ、Ｍｇ、Ｍｎ。在晶界上有许多粗 大的Ａ１２ＣｕＭｇ和Ａ１２Ｃｕ非平衡相。经４９５０Ｃ／２４ ｈ均匀 化处理后，合金铸锭中大部分平衡相溶解，晶界变 得稀薄，各合金元素分布趋于均匀。
验结果与以上研究相符。因此，研究２０２４铝合金 的均匀化动力学，只需研究其相邻枝晶间主要元 素Ｃｕ、Ｍｇ和Ｍｎ的扩散规律即可。
ＳＨＥＷＭＡＮｆ－ｅ认为，均匀化过程中合金元素的 分布状态可用余弦函数的傅氏级数分量逼近，表
达式为：
Ｃ（ｚ）＝Ｃ拟ＣＯＳ ２７，ＴＸ………………………（１）
◆一Ｑ（ＡＩ）
◆
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作者简介：刘成（１９８４一），男，湖北赤壁人．硕士研究生，从事耐蚀及高强铝合金研究。 收稿日期：２０１０－０５—１０
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万方数据
刘成，等：２０２４铝合金的均匀化热处理研究
学术综论
进行；ＤＳＣ分析在ＳＤＴ—Ｑ６００热分析仪上进行，升 温速率为１０℃／ｒａｉｎ。
２实验结果与分析
２．．ｆ铸态组织 图１所示为铸态２０２４铝合金的微观组织及第二
匀化动力学的系统研究鲜有报道。在此，本文作 者利用ＯＭ、ＤＳＣ、ＳＥＭ、ＸＲＤ等手段研究了２０２４ 铝合金铸态和均匀化处理后的显微组织及成分变 化，得到最佳均匀化工艺，并导出均匀化动力学 方程，同时，也对实验所得均匀化工艺进行了验 证。以期为优化２０２４铝合金均匀化工艺，指导实 际生产提供理论及参考依据。
２０２４铝合金由于强度高、比重低、耐热性好 等优点，主要用作飞机蒙皮、骨架、肋梁、隔框及 卫星等航天器上要求承受高循环载荷的结构件， 已成为航空工业中使用最为广泛的铝合金材料之 一。目前为止，国内外有关２０２４铝合金的研究已 有大量报道：李晗等利用正交试验研究了热处理 对２０２４铝合金薄板力学性能的影响，提出了２０２４一 Ｔ６２态较优的热处理工艺参数。王轶农等研究了冷 轧态２０２４铝合金的再结晶织构及晶界特征分布。 ＮＩＮＧ Ａｉ—ｌｉｎｔｌ０Ｉ等研究了固溶后大冷变形对２０２４铝合 金析出及性能的影响。Ｆ．Ｍ．Ｋｈｏｓｈｎａｗｔｌｌ等研究了时 效温度和时间对２０２４铝合金剥落腐蚀性能的影响。 熊少敏【－２】等研究了２０２４铝合金中的沉淀相对其ＰＬＣ 效应的影响。Ｊｏｎｅｓ，Ｋｔｌ３－１４１等对２０２４铝合金的腐蚀疲 劳及裂纹扩展行为进行了研究。而有关２０２４铝合 金均匀化处理前后显微组织变化、成分变化和均
在均匀化热处理过程中，当合金元素浓度差衰
减到击吉△ｃ。时，认为均匀化结束，则有： 击丁１础庐ｉ１△ｃ。ｅｘｐ（一髻眈）………（５）
·１２·
万方数据
刘成。等：２０２４铝合金的均匀化热处理研究
学术综论
而扩散系数Ｄ与温度珀勺关系：
Ｄ＝Ｄｏｅｘｐ（一蒜）…………………··（６）
将式（６）代人式（５），整理后得：
式（２）逼近的分布状态的每一个基波分量均随 加热时间按一定速度独立衰减，基波衰减函数可描 述为：
Ｃ（ｘ，ｔ）＝ｃ＋吉△ｃｏｃｏｓ（孕）ｅｘｐ（一等㈨（３）
式中：Ｄ为合金元素在基体中的扩散系数；ｔ 为时间。
式（３）所示的余弦分布衰减规律可由衰减函数 表示：
ｃ（川）＝告△ｃ。ｅｘｐ（一譬ｏｔ）…………（４）
●
Ａ－－Ａ１２Ｃｕ
５１５℃／２４ｈ一 ｌ
ｏ－－ＡＩ￡ｕＭｇ
均匀化
■一 ｌ∥
ｊ
４９５℃／２４ ｈ
均匀化
０ ０ ９． 吸。 Ｌ夕
铸态
一
ｏ．
ｏ
已 ｏ沧 、△ ／
４０
６０
８０
街／（ｏ）
图６ ２０２４合金铸锭均匀化前后的ＸＲＤ谱
３均匀化动力学分析
研究表明叫Ｊｑ：在具有严重偏析的铸态组织中 ，固溶体内部的合金元素含量比枝晶部分的含量