多级均匀化处理的目的与实践

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为什么要进行多级均匀化处理？其目的意义是什么？
一、多级均匀化处理的目的与意义
1、最大限度地消除处于晶界的低熔点共晶物，同时又避免合金过烧。
2、控制弥散相的大小和数量，为后续加工抑制再结晶，提高弥散强化效果做组织准备。
3、可获得合金中更为细小的难溶相粒子及减小第二相粒子的无析出区域。（低温预处理会明显细化合金基体中第二相粒子的尺寸及减小第二相粒子无析出区域。）
4、在提高产品质量的前提下达到节能降耗、提高生产效率的目的。
5、多级均匀化处理对于φ203mm以上棒径合金及高成分多组元合金的意义尤为重要。


二、举例说明多级均匀化处理的工艺实践特点
1、多级均匀化处理当前主要应用于高强热处理可强化铝合金，最大限度地消除低熔点共晶物同时又避免合金过烧。
举例1，2050合金经多级均匀化处理，消除了Cu元素的晶界偏析，过烧点向后推移了5℃。
我国西南铝研制铸态2050铝锂合金时发现，该合金组织中存在严重的元素偏析，铸锭中的Mn、Mg、Ag元素基本均匀分布，但Cu元素在晶界处明显富集。他们结合DSC分析和金相检测综合判断，该合金的过烧温度范围为502~510℃，经一级均匀化热处理后过烧温度范围提高至510~515℃，过烧点向后推移了约5℃。通过金相法、面扫描、电导率等方式对均匀化效果进行综合评价后，确定2050铝锂合金的最佳均匀化热处理制度为470℃/8h+505℃/24 h，使Cu元素偏析基本消除，该工艺2015年已经应用到工业生产中。

举例2，最大限度的消除了7068合金的晶界残留物。
7068合金组织偏析严重，主要呈现为树枝状α相和非平衡共晶AlZnMgCu四元相，低熔点共晶相沿晶界呈连续网状分布，起始溶解温度为467.3℃；合肥工业大学通过研究对该合金采用：455℃/16h+465℃/4h+475℃/4h三级均匀化处理后，使合金成分均匀，残留共晶很少，显著提高了力学性能和导电性能，T6态的抗拉强度、延伸率以及电导率分别达到715MPa、13.3%和34.5% IACS。

举例3，消除7A04合金的非平衡共晶相T(AlZnMgCu)，提高未溶相的过烧温度，降低难溶相的体积分数
国内很多单位对7A04合金铸锭的均匀化处理制度进行过研究，具体介绍东轻厂的研究成果：①东轻厂认为7A04合金铸锭组织为枝晶网状组织，枝晶网由T(AlZnMgCu)、Mg₂Si与(AlFeMnCr)相组成。②T相属非平衡组织，是易溶相，熔化温度为467~489℃，(AlFeMnCr)化合物为难溶相，Mg₂Si相虽然不像(AlFeMnCr)相那样难溶，但在460℃温度下，溶解也很缓慢。③通过实验后，改变了常规均匀化处理(465℃/24h)，采用460℃/16 h+505℃/6 h的二级高温均匀化处理工艺。④第一阶段均匀化的目的是为了使非平衡共晶相完全充分熔入α(Al)中，T相非平衡共晶全部溶解后，合金过烧温度已提高到525℃(即Mg₂Si +(AlFeMnCr)+α(AI)共晶的开始熔化温度)，所以，第二阶段均匀化温度确定为505℃，这样即消除了T相熔化而使组织过烧的可能性，也降低了难溶相在合金中的体积分数，改善了铸锭的热加工性能和制品的使用性能。
⑤性能测试。与普通均匀化相比，二级高温均匀化使铸锭强度从 212 MPa下降到207 MPa，降低2.4%；硬度从674MPa下降至617 MPa,了，下降8.5%；屈服强度从172 MPa下降到163 MPa 降低5.2%；延伸率从10.9%提高到12.4%，提高了13.8%。
举例4，消除6082合金非平衡凝固造成的组织偏析
福建南平铝业认为，6082铝合金铸态组织中存在明显的由非平衡凝固造成的颗粒状偏析组织，在研究的基础上获得了能得到最佳综合力学性能的均匀化热处理工艺为：550℃/2h+575℃/3.5 h，强风冷却至200℃后再水冷。按上述均匀化热处理后，挤制的型材中、尾部具有良好的综合力学性能，其抗拉强度、屈服强度、伸长率分别达到310MPa、280 MPa、10%。

2、双级均匀化普遍应用于控制弥散相的大小和数量，为后续加工抑制再结晶，提高弥散强化效果做组织准备。
举例5，3104合金双级均匀化处理后，可使初生相、第二相粒子均匀分布
中南大学研究了3104铝合金(0.8%~1.4%Mn，0.8% ~1.3%Mg，0.6%Fe，0.8%Si，0.05%~0.25%Cu，余量为Al)铸锭单级和双级均匀化过程中溶解和析出行为。结果表明：①600℃均匀化时，在保温时间1.5至24h范围内，随保温时间的延长，非平衡结晶相逐渐溶解、球化。②在450℃均匀化时，在晶内和晶界处析出大量含Mn第二相，但锭坯中的骨骼状和片状的非平衡结晶相仍存在。③600℃/12h+450℃/12 h双级均匀化(先高温后低温)后，锭坯中初生相和析出相的第二相粒子均匀分布，初生第二相粒子的平均粒径约为4μm，析出第二相粒径约为0.5μm。
举例6，7020合金的双级均匀化，第一步的作用是优化弥散相的尺寸与密度，第二步的作用是溶解晶界颗粒与低熔点相。
有国外资料研究7020(Al-4.37%Zn-1.22%Mg-0.36%Mn-0.20%Zr-0.10%Cr)合金锆含量和铸锭均匀化制度对挤压材粗晶环的影响中发现：①7020合金同时含有Mn、Cr、Zr三个弥散相形成元素，它们在连续铸造时的偏析倾向不一，Mn在晶界附近含量高，而Cr、Zr在晶粒内部含量高，均匀化处理后，弥散相的析出也会遗留这种特点。②Cr和Zr的弥散相颗粒会在390~550℃的温度范围内保温2~48h时析出。含锆的弥散相颗粒尺寸小于25nm，含铬的弥散相颗粒尺寸为25~100nm，而含锰的弥散相在≥510℃保温至少4h时析出。含锰的弥散相颗粒尺寸小于50nm ，这种弥散相在晶粒内部几乎为零。③在510℃/8h的均匀化处理后，含锆的弥散相占有62%的体积百分比，而含锰和含铬的弥散相各占23%和14%(余下的1%是混合相)。所以，含锆的弥散相颗粒对抑制再结晶的作用最大。④低温均匀化(390℃)没有让纳米级的弥散相完全析出，但是，470℃的均匀化处理会使得再结晶基本受到抑制，而更高的均匀化处理温度(550℃)会导致再结晶晶粒的体积百分比的回升(5.6%)；再结晶晶粒的体积分数随均匀化处理时间的增长而减少。24h之后，再结晶晶粒的体积分数趋于恒定，所以，长于24 h的均匀化热处理是没有必要的。
⑤对于中(0.13%)，低(0.08%)锆含量的合金中弥散相颗粒的平均直径相差不大，但比高(0.2%)锆含量的合金中弥散相颗粒要细小。均匀化处理时间对弥散相颗粒的平均直径的影响极小。可是，随锆含量增大，弥散相颗粒的密度增加，含0.2%锆的合金中的弥散相颗粒的密度是含0.13%锆的合金的2倍。⑥在上述研究基础上，作者推荐对含锆0.2%的7020合金采用470℃/24 h+550℃/2h的两阶段均匀化处理，第一级均匀化目的是优化弥散相晶粒的尺寸和密度，第二级均匀化目的是溶解大部分晶界颗粒和低熔点相的需要。按此工艺操作，在挤压棒材时(铝棒温度500℃，挤压速度5mm/s，铝棒直径203 mm，挤压后棒材直径48mm）再也没有出现粗晶环。

3、双级均匀化用于获得合金中更为细小的难溶相粒子及减小第二相粒子的无析出区域。
举例7，φ816 mm的7N01合金铸锭均匀化过程中的析出特性介绍
①7N01合金铸锭铸态组织中除了基体α-Al外，主要还存在3种结晶相：白色条状或块状主要含AlFeMn的结晶相，少量亮白色条状或椭球状T相(即Al2Mg3Zn3相)以及黑灰色细小圆球状且常附着在T相上的Mg₂Si相。②7N01合金铸锭经常规均匀化(470℃/24h)处理后，T相回溶入基体消失，而主要含Fe、含Si的过剩结晶相仅发生部分溶解，并收缩圆化呈碎颗粒状分布于基体中，同时基体中析出大量尺寸不超过0.5μm的主要含 AlFeMnSi弥散相粒子。③对该合金采用（250~350℃/24h+水淬 +470℃/24h）均匀化处理后，发现低温预处理会明显细化合金基体中第二相粒子的尺寸及减小第二相粒子无析出区域，且随预处理温度降低，第二相粒子尺寸逐渐减小，第二相粒子无出区域逐渐减少。

4、双级均匀化处理可以在提高产品质量的前提下达到节能降耗、提高生产效率的目的。
国内5083 铝合金超塑性的研究起步较晚。目前国内生产的5083铝合金板材超塑性能达不到国外同类产品的水平，表现为成型性能差、废品率高。5083铝合金铸锭组织由四个主要相组成，分别是α(Al基体)、β(Mg₂Al3)、(FeMn)Al6和Mg₂Si，在传统的465℃/15~20h单级均匀化处理过程中大量β(Mg₂Al3)和几乎全部Mg₂Si分解并扩散到基体中，随着均匀化处理温度的降低，基体中过饱和组元成分虽已大部分弥散析出，但仍具有较大体积的少量共晶相β(Mg2Al3)没能彻底消除，且趋于球化状态。而对(FeMn)Al6相则没有影响。
举例8，降低5083合金的晶粒尺寸，提高超塑性
东轻厂通过对比不同均匀化制度处理后的超塑5083铝合金扁锭的组织和性能认为，采用(490~500)℃/36h的单级均匀化处理，虽然也有较好的效果，但采用(390~405)℃/4h+(485~500)℃/24h的双级均匀化处理制度能使冷轧板材组织更细小、弥散，这种细小组织对板材超塑性能有利，而且双级均匀化处理后其轧板的晶粒尺寸与进口料的相差不大。原因是在第一级均匀化处理过程中，使第二相的析出更细小和均匀。