同步冷却热成形AA2024铝合金的显微组织及拉伸性能

陈国亮^1,2，陈明和²，王春艳¹，王 宁²，孙佳伟²

（1.常州机电职业技术学院，常州 213164；2.南京航空航天大学机电学院，南京 210016）

摘  要：为了研究同步冷却热成形工艺参数对可热处理强化铝合金微观组织及机械性能的影响规律，本文选用H18态AA2024铝合金板料进行不同工艺参数的同步冷却热成形试验，并进行TEM分析及力学性能测试。其结果表明：同步冷却热成形AA2024铝合金的主要强化相为针状Al₂CuMg，时效温度越高针状Al₂CuMg相的尺寸越粗大、分布越密集；时效时间增加会导致Al₂CuMg相的数量略有增加，但尺寸基本不变。同步冷却热成形AA2024铝合金的强度随成形温度的升高而增加，随时效温度的升高呈现先升高后降低的趋势，190℃时达到峰值；成形温度≤475℃时，AA2024铝合金的强度随时效时间的增加先升高然后趋于稳定，8h时达到峰值；成形温度＞475℃时，AA2024铝合金的强度基本不受时效时间影响。

关键词：同步冷却热成形；AA2024铝合金；显微组织；拉伸性能

0  引  言

同步冷却热成形(HFSC)工艺是一种对可热处理强化铝合金同时进行固溶处理和冲压成形的新工艺^[1,2]。在该工艺过程中，首先将可热处理强化铝合金板料加热到固溶处理温度并保温一段时间，使合金原子最大限度溶解到基体并实现组织均匀化；然后将板料快速移入室温模具进行成形并保压，利用模具与板料之间的热传递快速冷却以获得具有所需形状及组织为过饱和固溶体的半成品；最后通过相应的时效处理使强化相析出获得形状和力学性能满足使用要求的零件^[3]。与传统可热处理强化铝合金零件的冷成形生产工艺^[4]相比：首先，同步冷却热成形过程中板料在高温状态下成形，可热处理强化铝合金的塑性高、变形抗力低，可以提高板料的变形量并减少产品的回弹^[5]；其次，可热处理铝合金板料在闭合的模具中利用与模具之间的热传递进行冷却，不但可以消除淬火变形^[6]，提高零件的生产精度，而且可以省去专门的冷却（水冷、空冷或水雾冷）工序，简化生产流程，降低生产成本。与传统可热处理铝合金零件温/热成形生产工艺^[7,8]相比，同步冷却热成形过程中只需对可热处理强化铝合金板料进行固溶处理加热，能耗较低，并且加热时间可控，最终产品不会出现晶粒粗大等组织缺陷^[9]。

同步冷却热成形工艺的研究方向主要为2000和6000系铝合金的工艺可行性^[10]和成形性能^[5,11-13]，以及该工艺对AA2024铝合金强化机制的影响^[7]。但现有研究并未涉及诸如成形温度、时效温度、时效时间等工艺参数在同步冷却热成形过程中对可热处理强化铝合金最终微观组织以及力学性能的影响。本文选用H18态AA2024铝合金板料在不同工艺参数下进行同步冷却热成形试验，并对成形后试样进行透射电镜（TEM）分析和力学性能测试，研究同步冷却热成形工艺参数对可热处理强化铝合金机械性能及微观组织的影响。

1  试样制备与试验方法

1.1  试样制备

选用成分如表1所示的AA2024-H18铝合金轧制板料毛坯，宽度沿轧制方向，规格为184 mm×80 mm×0.8 mm（L×W×H）。利用模具在高速液压机上进行成形试验，模具中的冷却管路保证模具在试验过程中始终处于室温状态，如图1所示。使用马弗炉进行试样的加热和时效处理，炉中放置两个测量精度为1 ℃的K型热电偶，分别用于控制炉温和测量试样温度。

表1 AA2024 –H18铝合金成分（%）

Table.1 Chemical compositions of AA2024 –H18 (mass fraction, %)

图1 同步冷却热成形模具

Fig.1 Hot forming die with synchronous cooling

同步冷却热成形试验流程为：首先将H18态AA2024铝合金毛坯加热到成形温度并保温5min，然后快速移动到模具上成形并保压1min，再对成形后的试样进行人工时效处理获得所需成形试样。成形温度、时效温度、时效时间如表2所示。

表2 试验工艺参数

Table.2 Technological parameter of experiment

1.2  试验方法

利用线切割设备在同步冷却热成形试样上加工出如图2所示的拉伸试样，使用特制夹具在RG2000-20电子拉伸试验机上测试AA2024铝合金的最终拉伸性能，试样应变速率为0.00025s^-1。

(a) 取样位置   (b) 拉伸试样尺寸

图2 拉伸试样

Fig. 2 Specimens for uniaxial tensile test

在同步冷却热成形试样的R5圆角处截取直径3 mm 的圆片，机械抛光及离子减薄后利用JEM-2100透射电镜进行微观组织观察，分析AA2024铝合金位错和合金相分布情况，并用电镜自带的能谱仪对强化相进行微区成分分析。

2 试验结果与讨论

2.1 微观组织

同步冷却热成形后AA2024铝合金的位错分布如图3所示，可以看出同步冷却热成形后试样内部有大量的位错。通常，由于加热和保温过程中静态回复和静态再结晶作用，导致经过塑性变形的可热处理强化铝合金在固溶处理后位错密度很低，而同步冷却热成形后AA2024铝合金存在大量位错，主要是因为在同步冷却热成形过程中AA2024铝合金是先进行固溶处理获得静态再结晶组织，再在降温过程中进行成形，成形时的动态回复不能完全消除因塑性变形而产生的位错，导致同步冷却热成形后AA2024铝合金中存在较高的位错密度。

(a) 150℃-8h                      (b) 230℃-8h

图3 同步冷却热成形后AA2024铝合金的位错（成形温度495℃）

Fig.3 Dislocation distributions in HFSC AA2024 sample（forming temperature 495℃）

在同步冷却热成形后AA2024铝合金试样中存在大量细针状颗粒物，如图3中箭头所示，通过能谱分析可知这些细针状颗粒物为Al₂CuMg相，如图4所示。这些细针状的Al₂CuMg相对位错具有强烈的钉扎作用^[14]，形成沉淀强化效应，起到强化AA2024铝合金的作用，因此细针状的Al₂CuMg相是同步冷却热成形后AA2024铝合金中的主要强化相。

（a）高分辨形貌             （b）衍射谱               （c）能谱图

图4 同步冷却热成形后AA2024铝合金中Al2CuMg相

Fig. 4 Precipitated phase CuMgAl2 in HFSC AA2024 sample

图5、图6、图7所示为同步冷却热成形后AA2024铝合金中针状沉淀相Al₂CuMg的分布情况，可以看出时效时间和时效温度对Al₂CuMg相的尺寸及分布情况均有影响。相同时效时间（8h）内，时效温度越高针状Al₂CuMg相的尺寸越粗大，分布越密集：时效温度为150℃时只有少量针状Al₂CuMg相析出；时效温度为230℃时Al₂CuMg相十分粗大近乎板条状且布满铝基体，如图5所示。随着时效温度的增加，晶界上Al₂CuMg相逐渐析出长大， 时效温度为230℃时呈粗条状布满整个晶界，如图6所示。与时效温度相比，时效时间对Al₂CuMg相尺寸及分布情况的影响相对较小，相同时效温度（190℃）下，时效时间的增加对Al₂CuMg相的尺寸基本没有变化，只是分布密度略有增加，如图7所示。

（a）150℃                       （b）190℃                    （c）230℃