固溶方式及时效对Al-Mg-Si-Cu合金组织及性能的影响

　　0 前 言

　　随着目前社会对轻量化结构材料的需求量不断增加以及对高强度性能的要求不断提高，如何开发出综合性能优良的轻质合金已成为结构材料研究领域的重要热点之一[1-5].Al-Mg-Si-Cu合金是一种典型的时效强化型合金，增加Cu含量可以显著地提高合金的强度，但合金的耐晶间腐蚀性会显著降低[6].据文献表明，Al-Mg-Si-Cu合金时效后第二相种类及分布等均对合金力学性能及耐蚀性有较为明显的影响，即当晶内析出大量的细小而弥散的第二相时，合金可获得较高的强度; 而晶界上析出的第二相呈断续分布时，有利于延缓晶间腐蚀的扩展.因此寻求合理的固溶、时效方式以改善和控制合金晶内和晶界的第二相数量及分布状态是保证合金具有较高强度和良好耐蚀性的关键所在[7-9].

　　相关研究表明，通过逐步提高固溶温度到多相共晶熔点之上的强化固溶工艺，可有效提高合金的固溶程度并对随后时效析出程度及抗断裂性能改善有积极的作用[10].而采用双级固溶工艺亦可在一定程度上控制第二相的粗化和晶粒长大，有利于时效后的合金获得高强度及良好的耐蚀性能[11].为此，本研究重点探讨常规固溶、强化固溶及双级固溶等方式对时效后Al-Mg-Si-Cu合金组织、力学性能及耐晶间腐蚀性能的影响作用，并综合比较分析不同固溶处理对时效后第二相析出状态的影响效果及作用机理，为进一步改善该合金性能以及完善热处理制度提供理论依据.

　　1 实验方法

　　本实验采用1070纯铝、纯镁、T2铜以及Al-50%Si中间合金为主要原料配制Al-Mg-Si-Cu合金. 合金的化学成分为(wt%)：1.3Mg、0.8Si、0.9Cu、0.2Mn、0.1Zn及余量铝. 合金的熔炼在KSW-4D-11电阻炉中进行，先将纯铝和纯铜装入石墨坩埚中，待熔化后依次加入纯锌、纯镁和Al-50%Si 中间合金等，并搅拌使熔体成分均匀，保温静置5～10min后浇注成型. 合金经570℃×10h均匀化处理、变形量分别为50%的热轧和冷轧变形后，加工成厚度为2mm的板材.对冷轧板材分别进行常规固溶、强化固溶及双级固溶3种不同的工艺处理，并比较分析单级时效和双级时效后合金的强化效果(具体工艺参数如表1所示). 采用CMM-77Z金相显微镜对不同状态下合金的组织进行观察; 采用WDW3200微机控制电子万能试验机及HB-3000型布氏硬度计对试样进行综合力学性能测试;按照GB7998-87标准对合金试样进行晶间腐蚀对比实验以评价其耐蚀性.

　　2 结果与分析

　　2.1 不同固溶处理后合金组织

　　图1分别为经不同固溶工艺处理后Al-Mg-Si-Cu合金的显微组织.

　　由图1可知，经3种不同固溶方式处理的合金，其组织基本呈现为等轴晶粒的α基体相及分布在晶界和晶内的第二相粒子. 其中经过常规固溶后的合金，其晶内和晶界处存在大量粗大的共晶相;而经强化固溶后的合金，其晶粒尺寸与常规固溶相比有所长大，但分布在晶界处的粗大共晶相大为减少;经双级固溶后的晶粒大小相对于常规固溶态亦有所增大，分布在晶界和晶内的的第二相数量少于常规固溶而略多于强化固溶.总体上基体晶粒尺寸呈现出由小到大的顺序为：常规固溶<强化固溶<双级固溶.这主要因为加热温度的提高以及保温时间的延长均会导致合金基体晶粒存在不同程度长大的缘故.而第二相的大小与分布状态则与固溶工艺对固溶程度的影响密切相关，即在常规固溶的基础上进一步提高温度到580℃进行强化固溶时，合金基体内低熔点的共晶组织首先在低温阶段保温率先固溶于基体，从而提高了合金组织中剩余共晶体的抗过烧能力，因此可在随后更高温度下进行强化固溶处理，使合金基体组织中粗大共晶相的溶解速率及固溶程度获得大幅提高，从而减少残留于基体中的粗大未溶相[12].经双级固溶的合金相对于强化固溶而言，具有更多的第二相分布于晶界与晶内，这是由于合金在强化固溶淬火后，大部分第二相都固溶于基体中，然而，在随后更低温度下(即540℃)进行二级固溶时伴随着原子的扩散作用和第二相的不断析出，过饱和固溶体相应地发生一定程度的分解，从而导致固溶度有所降低，因此晶界和晶内相应分布有更多第二相粒子.