热加工与热处理对Al-5.0Cu铝合金微观组织结构的影响.pdf

第5 9 卷第4 期 2 0 07 年11 月 有色金属 N o n f e r r o L l sM e t a l s V 0 1 ．5 9 ，N o ．4 N o v e 1 2 b e r20 07 热加工与热处理对A l 一5 ．O C u 铝合金 微观组织结构的影n 向 刘矢婴 南昌航空大学材料科学与工程学院，南昌3 3 0 0 6 3 摘要在热挤出、热锻造及热处理操作过程中，A I 一5 ．0 C u 铝合金微观结构发生了一系列变化，这种变化直接影响最终产品 的性能。用光学显微镜、扫描电镜、图像分析系统等对在加工的不同阶段合金的金相显微组织结构。二相粒子分布情况进行观察 分析。结果表明．在试验温度范围内，热处理之后合金产品组织结构呈现不同程度的再结晶．再结晶晶粒尺寸有随温度升高而变 大的趋势。 ．， 关键词金属材料；A I - 5 ．0 C u 铝合金；微观结构；热加工；热处理 中图分类号T G l 4 6 ．2 1 ；T G I l 3 ．1 2 ；T G l 5 6文献标识码A 文章编号1 0 0 1 ～0 2 1 1 2 0 0 7 0 4 0 0 5 2 0 4 ‘』f 酬吐芝鲁喜黧蚕委曼曼龛苎A ，“1 一三巴苎1 ’实验芳法 制造飞机发动机螺旋桨桨叶的主要材料。桨叶的实 一一“⋯ 际工作环境要求其具有高机械性能和耐腐蚀性能，主要实验工作在爱尔兰国立大学完成。试验用 例如抗剥落腐蚀。发生剥落腐蚀破坏严重降低了结合金材料由H D AF o r g i n g sL t d ． U K 提供。表1 构承载能力。桨叶的制造一般需经热机械加工。热为试验用舢一5 ．0 C u 合金组分。挤出原料取自合金 挤出、热锻造及随后的热处理是其中关键的操作环铸锭，经均质处理、炉冷后，分别在3 6 0 和4 4 0 ℃热 节。这一系列热机械加工根本改变了初始合金铸件挤出。从挤出棒上截取一部分用于锻造，分别于5 的微观结构，产品的性能由最终微观结构决定。。已个温度下完成锻造加工2 5 0 ，3 0 0 ，3 6 0 ，4 0 0 和 有的研究表明u qJ ，再结晶晶粒组织的呈现有利于4 4 0 ℃。这系列操作共产生1 0 个锻件，全部锻件在 提高合金的抗剥落腐蚀性能，而热加工温度在很大5 1 5 ℃进行溶液热处理6 h ，冷水淬火，然后经1 0 h 人 程度上影响了再结晶结构的形成。因此，研究热加．、工时效热处理，时效温度为1 7 0 ℃。所有热处理在 工过程对合金微观结构的影响对提高合金产品综合空气循环加热炉中完成。． 性能有积极意义。 ， 。表1 试验用A l - 5 ．0 C u 合金成分 T a b l e1 C o m p o s i t i o n so fA I - 5 ．0 C ua l l o ys t u d i e d 壁坌皇塑 里 坚竺里些 兰 垄里丝 含量／％0 ．5 60 ．2 35 ．00 ．7 50 ．0 10 ．0 10 ．0 00 ．0 10 ．0 10 ．0 1其余 对热机械加工各阶段的合金试样进行了显微组 织结构检验，S E M 检验在J E O LJ S M 一8 4 0 扫描电 镜完成。量化显微结构分析由B u e h l e rO m n i m e t 图 像分析系统完成。 收稿日期2 0 0 6 一O l 一0 9 基金项目爱尔兰国立大学研究基金资助项目 2 0 0 i 作者简介刘天婴 1 9 6 2 一 ，女，北京市人，博士，主要从事材料加 工、材料微观组织结构与性能、机械工程方面的研究。 2 试验结果与讨论 2 ．1 挤出微观结构 图1 所示为挤出棒前端的微观结构。由于该部 分在挤出过程中承受较小的塑性变形，因而保留了 合金挤出前的某些结构特征。图1 挤出截面大多呈 现为铸造枝晶网状结构，相当数量的粗糙金属间相 粒子分布于基体。均质处理溶解了大部分C u ，并有 可能改变某些金属间共晶相的形态。 万方数据 第4 期刘天婴热加工与热处理对～一5 ．0 C u 铝合金微观组织结构的影响5 3 a 一挤出温度3 6 0 “ C ； b 一挤出温度4 4 0 “ C 图l 挤出棒前端显微组织结构 抛光 F i g ．1 M i c r o s t r u e t u r eo ff r o n ts e c t i o no fe x t r u d a t e 靠近截取锻造原料处，挤出微观结构显示连续表2 挤出微观截面上二相体积分数／％ 分布的铸造枝晶网已消失，破碎的二相粒子重新分T a b l e 2 V o l u m e f r a c t i o no fs e c o n dp h a s eo n t h e 布在基体上。经B u e h l e rO m n i m e t 图像量化分析系 统检测，3 6 0 ℃挤出温度下二相粒子体积分数略高于 4 4 0 ℃，见表2 。这一现象归于在高挤出温度下，尽 管某些含杂质或过渡元素的金属间组分相可能仍未 溶于固溶体，但高温却促进某些可溶性元素，例如 C u 重新溶解到固溶体中。此外，在两种挤出温度下 B u e h l e rO m n i m e t 图像分析系统检测的二相粒子体 积分数均高于根据杠杆原理计算的业C u 体积分 数，见表2 ，这说明除烈2 C u 相外，合金基体上还有 其他金属间相分布。 e x t r u d a t em i c r o - s e c t i o n 光学显微镜观察表明，挤出截面上大多数金属 间相呈淡粉色，接近圆形轮廓。S E M E D S 进一步分 析确定这些近圆形轮廓相含较高的C u ，见图2 。而 在少量灰色，形状不规则的相上，则检测到F e ，S i ， M n 等元素。此外，两种挤出温度下，合金挤出试样 基体上分布的第二相的组成无明显不同。 a 一 2 3 0 0 x ； b 一二相粒子7 富含C u 的S E M E D S ； C 一吉F e ，M n ，S i 的金属相二相粒子6 的S E M - E D S 图2S E M 二次电子图像 挤出温度3 6 0 ℃ F i g ．2S E Ms e c o n d a r ye l e c t r o ni m a g e e x t r u s i o nt e m p e r a t u r e3 6 0 。C 。 ．图3 为经K e l l e r ’s 试剂浸蚀后挤出棒纵向微观征变化，在4 4 0 ℃时，锻造微观组织出现与已观察到 组织结构。可以观察到4 4 0 ℃的较高挤出温度使材的在较高温度下挤出试样相似的微观结构特征，在 料产生了沿挤出方向带状晶粒结构。纵向微观截面呈现带状晶粒结构，见图4 。在此阶 2 ．2 锻造微观结构 ． “ 段，再结晶结构尚未发现。 铝合金挤出试样在5 种温度下经锻造加工，然2 ．3 热处理微观结构 后检查微观组织结构。低锻造温度未见明显结构特全部试样经溶液热处理、淬火、人工时效热处理 万方数据 5 4有色金属 第5 9 卷 后，挤出温度3 6 0 ℃下的一组试样纵向微观结构如 图5 所示。大部分试样出现再结晶组织结构，再结 晶晶粒沿纵向伸长，且其大小随锻造温度升高而逐 渐增加，两种挤出温度并未对晶粒尺寸产生显著影 响，见表3 。B u e h l e rO m n i m e t 图像分析系统进行量 化显微分析表明，2 5 0 ～3 6 0 ℃挤出温度，晶粒纵向平 均尺寸变化在1 0 0 弘m - - 略大于1 0 0 0 u m 之间，4 0 0 ℃ 以上高锻造温度，晶粒非常大以至于无法用图像分 析系统进行精确测定。观察到有超过l m m 大晶粒。 而且，高锻造温度下个别试样为部分再结晶结构，并 伴有少量局部次晶结构呈现。 a 一挤出温度3 6 0 “ C ； b 一挤出温度4 4 0 X 3 ‘ 图3 挤出棒微观组织结构 图中水平方向为挤出方向} F i g ．3 M i c r o s t r u c t u r eo fe x t r u d a t e p h o t oh a sh o r i z o n t a lp a r a U dt oe x t r u s i o nd i r e c t i o n a 一挤出温度3 6 0 “ 2 ； b 一挤出温度4 4 0 “ C 图44 4 0 ℃锻造温度下试样微观组织结构 图中水平方向为与锻压方向垂直的纵向 F i g ．4 M i e r o s t r u e t u r eo ff o r g i n ga t4 4 0 。C p h o t oh a sh o r i z o n t a lp e r p e n d i c u l a rt op r e s sd i r e c t m n 表3B u e h l e rO m n i m e t 图像分析系统测定的晶粒大小分布 引用标准偏差 仙m T a b l e3G r a i ns i z ed i s t r i b u t i o nm e a s u r e db yB u e I l l e rO m n i m e tI m a g eA n a l y s e r s t a n d a r dd e v i a t i o nq u o t e d 注L 一锻仵截面的纵向；L T 一锻件截面的横向。 合金试样经热处理工艺后产生再结晶，这一现 象受先前的热机械加工影响很大。较高的锻造温度 有效地减少了材料应变硬化程度与变形材料中的位 错密度，从而导致储存应变能的下降。这部分储存 能是合金在随后热处理过程中产生再结晶的驱动 力。由于获得了相对较多的再结晶动力，在低锻造 温度下，试样呈现大量再结晶组织且晶粒尺寸较小。 3结论．． 所研究的m 一5 ．0 C u 合金，在各热加工阶段析出 万方数据 第4 期刘天婴热加工与热处理对A l 一5 ．0 C u 铝合金微观组织结构的影响 5 5 的第二相主要为她C u 及A I C u ，M n ，F e ，，S i 金属 间相粒子。热机械加工未引入再结晶晶粒结构。该 结构主要形成于热处理操作中，而且再结晶晶粒尺 寸主要受锻造温度影响，其变化趋势为随温度升高 而逐渐变大。在高锻造温度下，部分再结晶结构带 有少量局部次结构呈现。挤出温度对再结晶组织未 见显著影响。 a 一锻造温度2 5 0 “ 2 ； b 一锻造温度3 0 0 1 2 ； c 一锻造温度3 6 0 1 2 ； d 一锻造温度4 0 0 “ C ； e 一锻造温度4 4 0 “ C 图5 经热处理之后不同锻造温度下下合金纵向截面微观组织结构变化 挤出温度3 6 0 ’C F i g ．5L o n g i t u d i n a lm i c r o - z e c t i o n sa f t e rh e a tt r e a t m e n ta td i f f e r e n tf o r g i n gt e m p e r a t u r e s e x t r u s i o nt e m p e r a t u r e3 6 0 。C 参考文献 ⋯ ． [ 1 ] M e t t i sA e r o s p a c eG r o u p ／H D AF o r g i n g sL t d ．L e e d s [ K ] ．UK I - I D AF o r g i n gL t d 1 8 ． [ 2 ] L i uTY ，R o b i n s o nJS ，M c C a r t h yM A ．T h eI n f l u e n c eo fh o td e f o r m a t i o no nt h ee r d o l i a t i o nc o r r o s i o nb e h a v i o u ro fa l u r n i n i u m a l l o y2 0 2 5 [ J ] ．J o u r n a lo fM a t e r i a lP r o c e s s i n gT e c h n o l o g y ，2 0 0 4 ，1 5 3 ／1 5 4 e 1 8 5 1 9 2 ． ‘ 【3 ] L i uTY ，R o b i n s o njS ，M c C a r t h yMA ．T h ei n f l u e n c eo fp r o c e s s i n ga n dm i c r o s t r u c t u r a l ．p a r a m e t e r sO nt h ee x f o t i a t i o nc o r r o s i o n s u s c e p t i b i l i t yo f2 0 2 5 [ J ] ．M a t e r i a l sS c i e n c eF o r u m ，2 0 0 2 ，3 9 6 4 0 2 1 4 1 9 1 4 2 4 ． 一 I n f l u e n c eo fT h e r m a lM e c h a n i c a lP r o c e s s i n go nM i c r o s t r u e t u r eD e v e l o p m e n to fA l - 5 ．O C uA l l o y L 』U1 诅咒叫n g ＆ ∞zo fM a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ，N a n c h a n gH a n g k o n gU n i v e r s i t y ，N a n c h a n g3 3 0 0 6 3 ，C h i n a j， 。A b s t r a c t ， 。I nt h ep r o c e s so ft h e r m o ．e x t r u s i o n ，t h e r m o - f o r g i n ga n dh e a tt r e a t m e n t ，t h em i c r o s t r u c t u r eo fA 1 5 ．O C ui s c h a n g e d ．T h ep r o p e r t i e so ff i n a lp r o d u c t sa r ei n f l u e n c e db yt h er e s u l t e ds t r u c t u r e s ．T h em i c r o s t r u c t u r e sc h a r a c t e r i z a t i o na n ds e c o n dp h a s ed i s t r i b u t i o no fA I 一5 ．0 C ua l l o yd u r i n gt h e r m a lm e c h a n i c a lp r o c e s s i n ga n dh e a tt r e a t m e n ta r ei n v e s t i g a t e db yu s i n go p t i c a lm i c r o s c o p y ，S E M ，a n di m a g ea n a l y s i st e c h n i q u e s ．T h er e s u l t ss h o wt h a t t h er e c r y s t a l l i z a t i o no c c u r si nt h ea l l o yp r o d u c t sa f t e rh e a tt r e a t m e n tw i t hv a r i e dl e v e li nt e s t i n gh o tp r o c e s s i n g t e m p e r a t u r er a n g e ．T h er e - c r y s t a l l i z a t i o ng r a i ns i z ei si n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fp r o c e s s i n gt e m p e r a t u r e ． K e y w o r d s m e t a lm a t e r i a l ；A 1 5 ．0 C ua l u m i n i u ma l l o y ；m i c r o s t r u c t u r e ；t h e r m a lm e c h a n i c a lp r o c e s s i n g ； h e a tt r e a t m e n t 万方数据