DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2017.09.005

超声铸造2219铝合金均匀化工艺及第二相演变

谢姣，李晓谦，李瑞卿，蒋日鹏

(中南大学 机电工程学院 高性能复杂制造国家重点实验室，湖南 长沙，410083)

摘要：采用DSC、金相、扫描电镜及能谱分析等方法，研究超声铸造2219铝合金均匀化工艺及合金铸锭中的第二相在不同均匀化制度处理过程中的演变规律。研究结果表明：超声铸造2219铝合金铸锭中存在大量非平衡凝固共晶体，其中的低熔点非平衡共晶相为Al₂Cu相，其过烧温度为560.79 ℃；在均匀化热处理过程中，该非平衡凝固共晶体不断向合金基体溶解，其数量、形态和分布均发生很大变化；铸锭中还存在少量长条状含铁相，该相在某些均匀化制度处理下变得粗大；该合金较合理的均匀化制度为550 ℃，24 h。

关键词：2219铝合金；超声铸造；均匀化；第二相

中图分类号：TG146        文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2017)09-2288-06

Homogenization process and the second phases evolution of 2219 aluminium alloy treated by ultrasonic

XIE Jiao, LI Xiaoqian, LI Ruiqing, JIANG Ripeng

(State Key Laboratory of High Performance Complex Manufacturing, School of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

Abstract: Homogenization process and the second phases evolution of 2219 aluminium alloy treated by ultrasonic were studied by DSC, optical microscope, scanning electron microscopy and EDS. The results show that 2219 aluminium alloy treated by ultrasonic exhibits a large number of non-equilibrium eutectics, and its lower melting point eutectic is Al₂Cu phase, of which the overburn temperature is 560.79 ℃. With the increase of hemogenizing temperature, Al₂Cu phases are gradually dissolved into Al matrix, and great changes take place in their quantity, morphology and distribution. There is also a small amount iron-bearing phases, which becomes larger during homogenizing. Fairly reasonable homogenizing treatment of 2219 aluminium alloy treated by ultrasonic is at 550 ℃ for 24 h.

Key words: 2219 aluminum alloy; ultrasonic; homogenization; the second phase

2219铝合金属Al-Cu-Mn系，是析出强化型合金，可热处理强化，具有较高的室温强度及良好的高温和超低温性能，广泛应用于航空、航天及其他军民运载工具，例如贮藏液氢、液态氧的燃料油箱及两栖作战坦克的装甲和汽车的结构件等^[1-4]。目前，对2219铝合金的研究多集中于焊接^[3-12]，对其铸态微观结构及其均匀化热处理等研究较少。而在铸态铝合金在凝固过程中易产生严重的枝晶偏析，晶界上存在大量非平衡共晶相，必须通过铸锭均匀化热处理将其消除，否则不仅对材料的塑性加工非常不利，并且影响材料的使用性能。均匀化热处理的实质^[13]是铸锭晶粒中不均匀的合金成分扩散的过程，但该扩散仅限于晶粒内部，无法改善铸锭宏观尺度的成分不均匀性。超声铸造是一种超声铸造是一种有效改善铸造锭宏微观不均性的手段^[14-16]，因此，在超声铸造基础上研究2219铝合金铸锭均匀化过程中的第二相演变规律，对合理制定超声铸造2219铝合金均匀化工艺具有重要意义。本文作者以超声铸造2219铝合金为对象，研究该合金均匀化工艺以及第二相在铸锭均匀化过程中的演变规律，以便为获得高质量锭坯提供参考。

1  实验

本实验中用到的合金铸锭熔炼在电阻炉中石墨坩埚里进行，其化学成分如表1所示。实验设置的熔炼温度为650~685 ℃，超声波发生器的频率为20 kHz，最大功率为1 kW。待合金完全融化成液态后恒定温度为650 ℃，开始施加超声振动。将换能器工具头从液面正中间的位置垂直浸入，浸入深度为40 mm左右，超声工具头开始振动。30 min后取出超声振动装置，同时关掉电阻炉，使铸锭随炉冷却。

表1  2219铝合金主要化学成分(质量分数)

Table 1  Chemical composition of 2219 aluminum alloy        %

均匀化实验样品取自铸锭心部，距铸锭上表面40 mm处，长×宽×高为15 mm×15 mm×15 mm及直径×厚度为5.0 mm×1.5 mm。采用热空气循环箱式炉对样品进行不同均匀化温度处理(500，520，540，550，560和580 ℃/24 h)，均匀化热处理后出炉空冷。

将均匀化前后的方块样品在自动研磨机上打磨、抛光后，采用TESCAN扫描电镜(SEM)观察枝晶网溶解程度和第二相数量、形貌及分布特征，Oxford能谱仪(EDS)分析合金的微区及第二相粒子的化学成分，然后用Keller试剂腐蚀后在OLYCIA-DSX型光学显微镜上进行金相组织观察。将均匀化前的圆柱样品用DSC8500差示扫描量热仪型进行DSC分析。

2  结果与分析

2.1  超声铸造2219铝合金的铸态组织及热分析

超声铸造2219铝合金铸锭的金相组织、扫描电 镜组织及能谱分析结果分别如图1(a)和图1(b)所示。从图1(a)可以看出：合金铸锭中存在明显偏析，在晶界上存在大量非平衡共晶相，基体α-Al呈等轴状，晶粒尺寸差异很大。由图1(b)可以看出：该共晶相由枝晶间低熔点非平衡共晶相Al₂Cu相以及高熔点长条状含铁相组成。2219合金在平衡冷却凝固时不应出现共晶反应，但由于铸造过程中冷却速度快，发生非平衡凝固，因此，产生严重的枝晶偏析并形成大量的非平衡凝固共晶体，即α-Al固溶体与非平衡共晶相Al₂Cu相的共晶体。图2所示为超声铸造2219合金铸锭的DSC曲线。铸态组织分别在560.79 ℃和662.69 ℃出现明显的吸热峰，662.69 ℃为合金熔化峰值温度，560.79 ℃为合金组织中低熔点非平衡共晶相的初始回熔温度即Al₂Cu相熔化温度。从图2可见：合金铸锭中存在大量低熔点共晶相，该相在560.79 ℃熔化。

图1  超声铸造2219铝合金铸锭的显微组织及EDS结果

Fig. 1  Microstructure and EDS results of as-cast sample of 2219 aluminum alloy treated by ultrasonic

图2  超声铸造2219铝合金铸态DSC分析曲线

Fig. 2  DSC curve of as-cast sample of 2219 aluminum alloy treated by ultrasonic

560.79 ℃为Al₂Cu相该温度即2219铝合金铸锭的常规过烧温度，合金的均匀化热处理温度应在 560.79 ℃以下。为了同时研究过烧现象，选取 500，520，540，550，560和 580 ℃作为均匀化热处理温度进行试验。考虑到工厂实际生产条件，均匀化热处理时间为24 h。

2.2  均匀化热处理对超声铸造2219铝合金第二相数量及分布的影响

铸锭样品经不同温度均匀化热处理后的低倍SEM结果如图3所示。从图3可以看出：随着均匀化热处理温度升高，第二相逐渐减少，枝晶网逐渐被打断，Cu原子固溶进基体中，形成α固溶体，分布逐渐均匀；在550℃下处理24 h后，绝大部分第二相都已经消失，但仍有少许分布在晶界上，此现象说明合金第二相的溶解并不充分。均匀化温度在550 ℃以上处理24 h时，未溶入基体的第二相数量变化不明显，且出现黑色小圆点和三角形(见图3(e)~(f))，为典型的过烧组织复熔球和晶间三角形等。结合DSC曲线可知，此时均匀化热处理温度过高，出现过烧现象。

图3  超声铸造2219铝合金不同均匀化温度处理24 h后的散射图

Fig. 3  Low-magnification backscattered electron images of 2219 aluminium alloy treated by ultrasonic homogenized at different temperatures for 24 h

2.3  均匀化热处理对超声铸造2219铝合金第二相形貌的影响

超声铸造2219铝合金铸锭样品经不同温度均匀化热处理后的高倍SEM照片如图4所示。从图4(a)可以看出：在较低温度(500 ℃)下均匀化热处理24 h，晶粒内出现一些白色的小点，经能谱分析确定为Al₂Cu相；当均匀化热处理温度升高(≥520 ℃)时，该弥散分布的颗粒状Al₂Cu相消失不见(见图4(b)~(f))。均匀化热处理温度在520~550 ℃下处理24 h第二相形态无明显变化，都是骨骼状Al₂Cu相主要分布在晶界上，长条状含铁相穿插其中，起到串晶作用。进一步升高均匀化热处理温度至560 ℃时，Al₂Cu相呈弥散岛状分布，岛内又呈细小的网格状分布(见图4(e)~(f))，网格状Al₂Cu相中白色部分为含铁相，此时含铁相(如图4中箭头所指的相)由原来的细长型变成短粗型，第二相形态和分布变化都很大。

3  讨论

3.1  超声铸造2219铝合金铸锭均匀化制度

根据铝铜二元相图^[17]，Cu在Al基体中的溶解度在543 ℃时达到最大值5.7%，小于其在2219中的成分质量分数(5.8%~6.8%)，即2219中的Cu在Al中达到最大溶解度时仍不能完全固溶进基体中，Al₂Cu相在任何均匀化热处理制度下都不能完全溶解。均匀化温度越高，合金元素在 α-Al 基体中的溶解度越大，因Al₂Cu相溶解而固溶进基体的铜原子越多，同时加快原子扩散，可缩短固溶时间，节约能源。然而，若温度过高，超过合金低熔点共晶组织的熔点，则可能使低熔点共晶组织熔化，产生过烧，从而降低合金性能。在不发生过热、过烧及晶粒晶粒度增大的情况下，加热温度越高，越有利于获得最大过饱和度的均匀固溶体。由图3可知：超声铸造2219铝合金经550 ℃/24 h处理后达到较好的固溶效果，且没有出现过烧现象。

图4  超声铸造2219铝合金不同均匀化温度处理24 h后的高倍背散射图

Fig. 4  High-magnification backscattered electron images of 2219 aluminium alloy treated by ultrasonic homogenized at different temperatures for 24 h

合适的均匀化工艺可以改善合金的强韧性，从机理来说有固溶强化、位错强化、第二相强化等。而第二相的强化效果与其数量、形状、尺寸和分布及其与基体的强度、韧性和应变硬化特性、两相之间的晶体错配度和界面能等因素有关。通常第二相都是硬脆相，如2219铝合金中的Al₂Cu相和含铁相。当第二相沿晶界呈网格状分布时，材料比较脆^[18]。由图4(e)~(f)可知：超声铸造2219铝合金在550 ℃以上处理24 h时出现沿晶界呈网格状分布的Al₂Cu相。综上所述，超声铸造2219铝合金较合理的均匀化制度为550 ℃/24 h。

3.2  2219铝合金均匀化过程中第二相演变规律分析

均匀化热处理实质是第二相溶解和过饱和固溶体分解析出同时进行的一个双向动态过程。在均匀化热处理过程中，合金元素从过饱和固溶体析出形成第二相粒子的本质，是一个形核长大的过程，其析出速率取决于形核速率和长大速率，受温度控制，满足公式^[19]：

     (1)

其中：为形核率；N为单位体积基体中的原子数；ν为原子振动频率；ΔG_k为形核功；ΔG_A为扩散激活能；κ为波尔兹曼常数；T为热力学温度。形核功ΔG_k与温度正相关，温度越高，过饱和度越小，驱动力越小，形核功越大；扩散激活能ΔG_A与温度负相关，温度越高，原子越容易扩散运动，扩散激活能越小。2219铝合金在铸造过程中，由于冷却速率较快，部分Cu原子来不及扩散，局部形成过饱和固溶体，在较低温度下进行均匀化热处理时，由于晶内局部过饱和度较大，析出少量小颗粒Al₂Cu相，如图4(a)所示。在较高温度(≥520 ℃)下进行均匀化热处理时，扩散系数大，Cu原子容易扩散，晶界Al₂Cu相较快溶解，Cu原子固溶进基体中，而晶内过饱和度小，析出驱动力小，析出速率也较小，几乎不析出第二相。在500 ℃左右时，晶内局部既具有较高的驱动力，又具有一定的原子扩散速率，此时晶内析出少量Al₂Cu相小颗粒。

均匀化热处理时有些第二相并不能完全溶于基体中，这些未溶解的过剩相在均匀化过程中，为了减小界面能，以达到热力学平衡，可能发生聚集和球化^[20]。所谓聚集就是过剩相质点的粗化过程，其特征是小尺寸质点溶解而大尺寸质点长大。2219铝合金中的含铁相几乎不能溶解于基体中，在均匀化制度下发生聚集而粗化(如图4(e)~(f)所示)，随着均匀化温度升高，含铁相由原来的细长型变成短粗型。

4  结论

1) 超声铸造2219合金铸锭中存在大量的非平衡凝固共晶体，主要为Al₂Cu相以及少量长条状含铁共晶相。其常规过烧温度为560.79 ℃，较合理的均匀化制度为550 ℃/24 h。

2) 超声铸造2219合金铸锭在均匀化热处理过程中其非平衡凝固共晶相Al₂Cu相不断向合金基体溶解。在没有发生过烧情况下，均匀化温度越高，剩余第二相越少，固溶效果越好。当均匀化热处理温度在550 ℃以上时，出现三角晶界和复熔球，合金处于过烧状态。

3) 在均匀化热处理的过程中，第二相数量、形态和分布变化都很大。在500 ℃左右时，晶内析出少量Al₂Cu相小颗粒。随着均匀化温度升高，Al₂Cu相逐渐减少，由镂空状变为细密的网格状；而含铁相由原来的细长型变成短粗型。

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(编辑  陈灿华)

收稿日期：2016-10-07；修回日期：2016-11-26

基金项目(Foundation item)：国家重点基础研究发展规划(973计划)项目(2010CB731706，2012CB619504) (Projects(2010CB731706, 2012CB619504) supported by the National Basic Research Development Program (973 Program) of China)

通信作者：李晓谦，博士，教授，从事材料成型工艺及装备研究；E-mail: meel@csu.edu.cn