同步冷卻熱成形AA2024鋁合金的顯微組織及拉伸性能
陳國亮1,2，陳明和2，王春艷1，王 寧2，孫佳偉2
（1.常州機電職業技術學院，常州 213164；2.南京航空航天大學機電學院，南京 210016）
摘 要：為了研究同步冷卻熱成形工藝參數對可熱處理強化鋁合金微觀組織及機械性能的影響規律，本文選用H18態AA2024鋁合金板料進行不同工藝參數的同步冷卻熱成形試驗，并進行TEM分析及力學性能測試。其結果表明：同步冷卻熱成形AA2024鋁合金的主要強化相為針狀Al2CuMg，時效溫度越高針狀Al2CuMg相的尺寸越粗大、分布越密集；時效時間增加會導致Al2CuMg相的數量略有增加，但尺寸基本不變。同步冷卻熱成形AA2024鋁合金的強度隨成形溫度的升高而增加，隨時效溫度的升高呈現先升高后降低的趨勢，190℃時達到峰值；成形溫度≤475℃時，AA2024鋁合金的強度隨時效時間的增加先升高然后趨于穩定，8h時達到峰值；成形溫度＞475℃時，AA2024鋁合金的強度基本不受時效時間影響。
關鍵詞：同步冷卻熱成形；AA2024鋁合金；顯微組織；拉伸性能
0 引 言
同步冷卻熱成形(HFSC)工藝是一種對可熱處理強化鋁合金同時進行固溶處理和沖壓成形的新工藝[1,2]。在該工藝過程中，首先將可熱處理強化鋁合金板料加熱到固溶處理溫度并保溫一段時間，使合金原子最大限度溶解到基體并實現組織均勻化；然后將板料快速移入室溫模具進行成形并保壓，利用模具與板料之間的熱傳遞快速冷卻以獲得具有所需形狀及組織為過飽和固溶體的半成品；最后通過相應的時效處理使強化相析出獲得形狀和力學性能滿足使用要求的零件[3]。與傳統可熱處理強化鋁合金零件的冷成形生產工藝[4]相比：首先，同步冷卻熱成形過程中板料在高溫狀態下成形，可熱處理強化鋁合金的塑性高、變形抗力低，可以提高板料的變形量并減少產品的回彈[5]；其次，可熱處理鋁合金板料在閉合的模具中利用與模具之間的熱傳遞進行冷卻，不但可以消除淬火變形[6]，提高零件的生產精度，而且可以省去專門的冷卻（水冷、空冷或水霧冷）工序，簡化生產流程，降低生產成本。與傳統可熱處理鋁合金零件溫/熱成形生產工藝[7,8]相比，同步冷卻熱成形過程中只需對可熱處理強化鋁合金板料進行固溶處理加熱，能耗較低，并且加熱時間可控，最終產品不會出現晶粒粗大等組織缺陷[9]。
同步冷卻熱成形工藝的研究方向主要為2000和6000系鋁合金的工藝可行性[10]和成形性能[5,11-13]，以及該工藝對AA2024鋁合金強化機制的影響[7]。但現有研究并未涉及諸如成形溫度、時效溫度、時效時間等工藝參數在同步冷卻熱成形過程中對可熱處理強化鋁合金最終微觀組織以及力學性能的影響。本文選用H18態AA2024鋁合金板料在不同工藝參數下進行同步冷卻熱成形試驗，并對成形后試樣進行透射電鏡（TEM）分析和力學性能測試，研究同步冷卻熱成形工藝參數對可熱處理強化鋁合金機械性能及微觀組織的影響。
1 試樣制備與試驗方法
1.1 試樣制備
選用成分如表1所示的AA2024-H18鋁合金軋制板料毛坯，寬度沿軋制方向，規格為184 mm×80 mm×0.8 mm（L×W×H）。利用模具在高速液壓機上進行成形試驗，模具中的冷卻管路保證模具在試驗過程中始終處于室溫狀態，如圖1所示。使用馬弗爐進行試樣的加熱和時效處理，爐中放置兩個測量精度為1 ℃的K型熱電偶，分別用于控制爐溫和測量試樣溫度。
表1 AA2024 –H18鋁合金成分（%）
Table.1 Chemical compositions of AA2024 –H18 (mass fraction, %)
|
Si |
Fe |
Cu |
Mn |
Mg |
Cr |
Zn |
Ti |
Al |
|
0.4 |
0.3 |
4.1 |
0.67 |
1.52 |
0.03 |
0.18 |
0.06 |
the rest |
圖1 同步冷卻熱成形模具
Fig.1 Hot forming die with synchronous cooling
同步冷卻熱成形試驗流程為：首先將H18態AA2024鋁合金毛坯加熱到成形溫度并保溫5min，然后快速移動到模具上成形并保壓1min，再對成形后的試樣進行人工時效處理獲得所需成形試樣。成形溫度、時效溫度、時效時間如表2所示。
表2 試驗工藝參數
Table.2 Technological parameter of experiment
|
成形溫度（℃）
Forming temperature（℃） |
時效溫度（℃）
Aging temperature（℃） |
時效時間（h）
aging time（h） |
|
435
455
475
495
505 |
150
170
190
210
230 |
4
8
12 |
1.2 試驗方法
利用線切割設備在同步冷卻熱成形試樣上加工出如圖2所示的拉伸試樣，使用特制夾具在RG2000-20電子拉伸試驗機上測試AA2024鋁合金的最終拉伸性能，試樣應變速率為0.00025s-1。
(a) 取樣位置 (b) 拉伸試樣尺寸
圖2 拉伸試樣
Fig. 2 Specimens for uniaxial tensile test
在同步冷卻熱成形試樣的R5圓角處截取直徑3 mm 的圓片，機械拋光及離子減薄后利用JEM-2100透射電鏡進行微觀組織觀察，分析AA2024鋁合金位錯和合金相分布情況，并用電鏡自帶的能譜儀對強化相進行微區成分分析。
2 試驗結果與討論
2.1 微觀組織
同步冷卻熱成形后AA2024鋁合金的位錯分布如圖3所示，可以看出同步冷卻熱成形后試樣內部有大量的位錯。通常，由于加熱和保溫過程中靜態回復和靜態再結晶作用，導致經過塑性變形的可熱處理強化鋁合金在固溶處理后位錯密度很低，而同步冷卻熱成形后AA2024鋁合金存在大量位錯，主要是因為在同步冷卻熱成形過程中AA2024鋁合金是先進行固溶處理獲得靜態再結晶組織，再在降溫過程中進行成形，成形時的動態回復不能完全消除因塑性變形而產生的位錯，導致同步冷卻熱成形后AA2024鋁合金中存在較高的位錯密度。
(a) 150℃-8h (b) 230℃-8h
圖3 同步冷卻熱成形后AA2024鋁合金的位錯（成形溫度495℃）
Fig.3 Dislocation distributions in HFSC AA2024 sample（forming temperature 495℃）
在同步冷卻熱成形后AA2024鋁合金試樣中存在大量細針狀顆粒物，如圖3中箭頭所示，通過能譜分析可知這些細針狀顆粒物為Al2CuMg相，如圖4所示。這些細針狀的Al2CuMg相對位錯具有強烈的釘扎作用[14]，形成沉淀強化效應，起到強化AA2024鋁合金的作用，因此細針狀的Al2CuMg相是同步冷卻熱成形后AA2024鋁合金中的主要強化相。
（a）高分辨形貌 （b）衍射譜 （c）能譜圖
圖4 同步冷卻熱成形后AA2024鋁合金中Al2CuMg相
Fig. 4 Precipitated phase CuMgAl2 in HFSC AA2024 sample
圖5、圖6、圖7所示為同步冷卻熱成形后AA2024鋁合金中針狀沉淀相Al2CuMg的分布情況，可以看出時效時間和時效溫度對Al2CuMg相的尺寸及分布情況均有影響。相同時效時間（8h）內，時效溫度越高針狀Al2CuMg相的尺寸越粗大，分布越密集：時效溫度為150℃時只有少量針狀Al2CuMg相析出；時效溫度為230℃時Al2CuMg相十分粗大近乎板條狀且布滿鋁基體，如圖5所示。隨著時效溫度的增加，晶界上Al2CuMg相逐漸析出長大， 時效溫度為230℃時呈粗條狀布滿整個晶界，如圖6所示。與時效溫度相比，時效時間對Al2CuMg相尺寸及分布情況的影響相對較小，相同時效溫度（190℃）下，時效時間的增加對Al2CuMg相的尺寸基本沒有變化，只是分布密度略有增加，如圖7所示。
（a）150℃ （b）190℃ （c）230℃
