多級(jí)時(shí)效對(duì)ZL114A合金組織和拉伸性能的影響

全琪峰，董立新，劉力菱，方華偉

（1.西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，成都610031；2.重慶鐵馬工業(yè)集團(tuán)有限公司，重慶400050）

0 前言

ZL114A合金屬于Al-Si系鋁合金，密度較低，強(qiáng)度較高，具有優(yōu)良的鑄造性能、機(jī)械性能、力學(xué)性能、抗腐蝕性能和焊接性能，已廣泛應(yīng)用于我國航空航天等領(lǐng)域。隨著航空航天領(lǐng)域不斷發(fā)展，對(duì)ZL114A合金的綜合性能要求也不斷提升。為獲得高強(qiáng)度、高塑性的ZL114A合金，我國與國外學(xué)者在組織成分、鑄造工藝、熱處理工藝、改進(jìn)及晶粒細(xì)化等方面進(jìn)行了科學(xué)研究，并取得了不小的成就[1]。

在熱處理工藝的研究和改進(jìn)方面，閆峰等人研究了分級(jí)固溶對(duì)ZL114A鋁合金組織與性能的影響，發(fā)現(xiàn)采用分級(jí)固溶處理能有效地提高合金的力學(xué)性能[2]。李衛(wèi)超等人研究了固溶溫度和固溶時(shí)間對(duì)ZL114A合金共晶硅形態(tài)的影響，發(fā)現(xiàn)固溶溫度對(duì)共晶硅的粒化過程有很大的影響，提高固溶溫度可以減少固溶時(shí)間[3]。賀曉軍等人研究了固溶溫度、固溶時(shí)間、淬水水溫、時(shí)效溫度和時(shí)效時(shí)間等工藝參數(shù)對(duì)ZL114A合金力學(xué)性能的影響[4]。

本文在以上熱處理工藝的研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了多級(jí)時(shí)效對(duì)ZL114A合金組織和拉伸性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)研究的材料為ZL114合金，其化學(xué)成分如表1所示。

表1 ZL114A合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

其熔煉過程為：加料→熔化→攪拌→調(diào)整成分→精煉→變質(zhì)→澆注。熔煉原料由純鋁錠、ZL114合金回爐料（≤總量的30%）、中間合金、結(jié)晶硅和純鎂組成。在澆注前的變質(zhì)處理過程中加入了爐料重量的0.04%～0.05%的鋁鍶變質(zhì)劑。本實(shí)驗(yàn)中，未經(jīng)熱處理的鑄態(tài)ZL114A合金材料的抗拉強(qiáng)度為175.52MPa，伸長(zhǎng)率1.9%，圖1是鑄態(tài)ZL114A合金的顯微組織。

圖1鑄態(tài)ZL114A合金顯微組織

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)材料分為3組，分別命名1組、2組、3組合金試樣。1～3號(hào)合金試樣分別按照表2的熱處理實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行處理。在箱式電阻爐中進(jìn)行固溶處理，在55℃水溫的水浴鍋中進(jìn)行淬火處理，在烘箱中進(jìn)行時(shí)效處理。熱處理完后在WS-100型電子萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)上拉伸試樣，測(cè)試其抗拉強(qiáng)度和延伸率。最后用金相試樣經(jīng)粗磨、細(xì)磨、拋光后，用濃度為0.2%的HF水溶液腐蝕5～10s，在光學(xué)顯微鏡下觀察樣品的顯微組織。

表2 ZL114A合金的熱處理試驗(yàn)方案

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同熱處理工藝下的拉伸性能

為了測(cè)試不同熱處理工藝下合金的力學(xué)性能，本實(shí)驗(yàn)采用WDW-200微控電子試驗(yàn)機(jī)對(duì)熱處理后的合金進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖3不同熱處理工藝下合金的力學(xué)性能

由圖2可知，相對(duì)于第1組和第2組試樣，第3組試樣的性能十分優(yōu)異，抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率都是最高的，且抗拉強(qiáng)度高達(dá)410MPa。說明在其他處理工藝不變的前提下，多級(jí)時(shí)效相對(duì)于傳統(tǒng)的時(shí)效工藝更能提高ZL114A合金的力學(xué)性能。

2.2 多級(jí)時(shí)效對(duì)合金組織和拉伸性能的影響

ZL114合金中強(qiáng)化機(jī)制有固溶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化，而析出強(qiáng)化是主要的強(qiáng)化機(jī)制。按位錯(cuò)通過析出相的方式不同，將析出強(qiáng)化分為兩類：當(dāng)顆粒析出相的尺寸細(xì)小且密度大時(shí)，這時(shí)強(qiáng)化機(jī)制為切過機(jī)制；當(dāng)顆粒析出相的尺寸大且與基體不是完全共格關(guān)系時(shí)，這時(shí)為繞過強(qiáng)化機(jī)制[5]。

為了探究多級(jí)時(shí)效提高ZL114A合金的力學(xué)性能的微觀機(jī)理，本文對(duì)熱處理后的合金試樣進(jìn)行了微觀形貌的表征。1、2、3組試樣的顯微組織如圖3所示。共晶硅是ZL114A合金中最主要的析出相，因此共晶硅的形態(tài)對(duì)強(qiáng)度、塑性的影響最大。

將圖3中經(jīng)過熱處理的試樣的顯微組織與圖1中鑄態(tài)原始試樣進(jìn)行對(duì)比?？梢钥闯鼋?jīng)過熱處理后的試樣，α-Al枝晶數(shù)少，晶粒趨向于等軸化，共晶硅的形態(tài)從針狀、纖維狀變?yōu)榍驙睢㈩w粒狀。顆粒狀的共晶硅比起纖維狀的共晶硅，更加有助于提高合金的塑性，而細(xì)纖維狀大大加強(qiáng)了合金的球化和共晶硅的彌散分布。因此，熱處理后的試樣都比未經(jīng)熱處理的強(qiáng)度和塑性要高。

圖3不同熱處理工藝下的ZL114A合金顯微組織

通過比較圖3中三種不同熱處理工藝下試樣的顯微組織進(jìn)行可以看出：

從α-Al的形態(tài)上看，第3組試樣的晶粒等軸化程度更最高，晶粒度最細(xì)小，晶粒分布均勻彌散；第2組試樣的的晶粒等軸化程度居中，晶粒度居中，晶粒不規(guī)則；第1組試樣的晶粒等軸化程度最低，晶粒度最大，有粗大的枝狀晶。

從共晶硅的形態(tài)上看，第3組試樣的共晶硅多呈球狀、棒狀，晶粒度最大，但是圓化程度最高，連續(xù)性最好，晶粒之間的間距最小，彌散程度最高，各個(gè)晶粒之間大小相差不大；第2組試樣的共晶硅多呈顆粒狀和棒狀，晶粒度最小，但晶粒間距較大，晶粒大小參差不齊，連續(xù)性最差，彌散程度居中；第1組試樣的共晶硅多呈棒狀、球狀，晶粒度居中，圓化程度最低，晶粒之間間距較小，連續(xù)性較好，彌散程度較差。另外，第3組試樣α-Al基體中析出相最多，第2組試樣居中，第1組試樣其次。

綜上所述，本實(shí)驗(yàn)中的ZL114A合金采用熱處理工藝545℃×12h+55℃水淬+155℃×8h+175℃×8h時(shí)的強(qiáng)度和塑性最好。另外，賀軍等人在對(duì)ZL114A合金熱處理工藝的研究中，發(fā)現(xiàn)單級(jí)時(shí)效時(shí)采用155℃×7.5h得到的ZL114A合金的力學(xué)性能最好。但是本文中的研究發(fā)現(xiàn)采用單級(jí)時(shí)效175℃×8h比采用單級(jí)時(shí)效155℃×8h的強(qiáng)度和塑性都要更好。其中的原因可能在于本文中研究的ZL114A合金材料加入了鋁鍶變質(zhì)劑。當(dāng)然，具體原因還值得深入探討。

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)中的ZL114A合金材料采用545℃×12h+55℃水淬+155℃×8h+175℃×8h熱處理工藝的試樣的強(qiáng)度和塑性最好。因?yàn)槎嗉?jí)時(shí)效155℃×8h+175℃×8h使得α-Al晶粒等軸化程度更高，晶粒度更小。同時(shí)使得共晶硅析出更充分，共晶硅晶粒圓化程度更高，多呈圓狀和顆粒狀，顆粒大小較一致，連續(xù)性和彌散性較好。