Al-Cu-Mg-Ag合金组织与性能

张恩贵 ,李泽江 ,曹俊生 ,姚芳

摘要：利用金相显微镜、电子万能材料实验机对Al-Cu-Mg-Ag合金的微观组织与力学性能进行了测试。结果表明：随着时效时间的延长，合金晶界上的第二相先固溶于基体，又逐渐从基体中析出，合金的晶粒先增大后减小；合金的强度先急剧增加，后趋于平缓，塑性先减小后趋于稳定。

关键词：Al-Cu-Mg-Ag合金、时效工艺、微观组织、力学性能

Al-Cu-Mg铝合金由于具有较低的密度、良好的热稳定性以及优异的力学性能，被广泛应用在航空航天和汽车等领域[1]。但是随着航空航天领域的快速发展对合金的要求越来越高，Al-Cu-Mg作为传统航空航天领域的重要材料，在工作温度超过150℃后力学性能会急剧下降，已无法满足耐高温性能的要求[2]。为满足新一代航天飞行器的性能要求，需要提高传统耐热铝合金的高温综合性能。

目前，提高Al-Cu-Mg合金耐热性能的方式主要有两种方式，一是粉末冶金法；二是在添加耐高温合金元素以提高其耐热性能。粉末冶金工艺复杂，成本极高且大型件难以生产，工业化生产受到限制。因此，本文在Al-Cu-Mg合金中加入Ag元素来提高其耐热性能，并对 Al-Cu-Mg-Ag合金的时效工艺进行了探究。

1、实验

采用纯铝、纯镁、纯银以及铝锆、铝锰、铝铜和铝钛等中间合金作为原材料。将原材料采用半连铸的熔铸方式制备Al-Cu-Mg-Ag 合金铸锭并进行均匀化退火。将均匀化后的铸锭进行切头去尾，并用车床去掉表面氧化皮。在箱式电阻炉中先将铸锭加热后进行锻造，锻造完成后空冷。在固溶炉后时效，随后进行空冷至室温。在Axio vert Al金相显微镜下进行金相组织观察，采用Keller试剂作为腐蚀溶液进行腐蚀。在CTM4105电子万能材料实验机上进行室温拉伸性能测试。

2、结果与分析

2.1 时效时间对微观组织的影响

图1为固溶后在不同时间时效后的金相组织。由图1可以看到，在固溶后经过不同时效时间的合金金相组织存在较大的差异。在固溶后未经时效的合金中（图1（a））仍有较多白色粗大的第二相存在，这些白色的第二相沿着晶界分布，说明固溶不完全。时效6h（图1（b））和8h（图1（c））后，合金中的粗大白色第二相逐渐消失。时效10h（图1（d））后，合金的晶界上又出现了大量细小的白色第二相，这些白色第二相呈颗粒状弥散分布在晶界上。对比固溶态和在不同时间时效后的合金金相组织可以发现，固溶态合金中的第二相沿晶界分布且较为粗大，随着时效时间的延长，晶界上的白色粗大第二相逐渐消失，在时效8h后，第二相基本消失，但是时效10h后，合金的晶界上又析出大量细小弥散的第二相。固溶状态和时效10h的第二相大小存在明显差异，固溶状态的第二相粗大且沿着晶界连续分布，时效10h后的白色第二相细小且沿着晶界弥散分布。由以上的金相组织可以知道，随着时效时间的延长，合金的晶粒先逐渐长大又逐渐减小，晶界上的第二相先逐渐消失又逐渐析出。这是因为在短时间的低温时效时，由于锻造时将晶粒破碎，且晶粒内部存在大量的内应力，在短时间的低温加热时作为晶粒长大的驱动力，且粗大的第二相逐渐溶解，因此在时效6h和8h后，晶粒长大且第二相消失。随着时效时间的延长，合金经过回复再结晶，导致晶粒细化，并在晶界上重新析出细小弥散的第二相，因此时效10h后的晶粒比6h和8h更加细小且在晶界上析出细小弥散的第二相。

图1 时效时间对合金组织的影响：（a）0h；（b）6h；（c）8h；（d）10h

2.2 时效时间对力学性能的影响

对不同状态合金的进行室温拉伸实验，其不同状态合金的抗拉强度、屈服强度和延伸率结果如表2所示。由表2可知，固溶态的合金的抗拉强度、屈服强度以及延伸率分别为265 MPa、123MPa和12.4%。固溶后的合金经过时效6h后，合金的屈服强度和抗拉强度得到显著提高，分别为466MPa和429MPa，但是延伸率有所降低，降到了8.1%。时效时间延长至8h，强度稍有增加，抗拉强度和屈服强度分别为497MPa和455MPa，但增幅不大，延伸率也有所降低，降到了7.0%。时效时间再次增加至10h，强度增幅依旧不大，抗拉强度和屈服强度分别为510MPa和469MPa，延伸率与时效6小时相当。

表1 不同状态合金力学性能

时效时间/h	抗拉强度/MPa	屈服强度/ MPa	延伸率/ MPa
0	265	123	12.4
6	466	429	8.1
8	497	455	7.0
10	510	469	7.9

由表1可以清楚地看到。在经过固溶并时效10h后，合金的强度和塑性达到最佳组合。这是因为在该热处理制度下，合金的晶粒尺寸得到了有效的细化，在晶界上析出了大量弥散细小的第二相，因此在保持由较高塑性的同时，获得了较高的强度。

3、结论

1）随着时效时间的增加合金的晶粒逐渐减小，第二相先消失再弥散析出。

2）随着失效时间的延长合金的强度逐渐增加，呈现出先急剧增加，后趋于平缓的趋势，延伸率逐渐降低，同样也趋于平缓。

4、参考文献

[1]李慧中, 张新明, 陈明安,等. 2519铝合金时效过程的组织特征[J]. 特种铸造及有色合金, 2005, 25(005):273-275.

[2]肖代红, 宋旼, 陈康华,等. 热处理对含Ag耐热铝合金组织与性能影响[J]. 材料热处理学报, 2008, 29(001):75-79.