Al-Si 系铸造铝合金铸造工艺性能优异，广泛用于薄壁复杂铝合金铸件的生产[1-5]。近年来，随着航空发动机性能的逐渐提升，航空发动机用铝合金机匣、燃油控制泵阀体等薄壁复杂铝合金铸件的工作温度达到200 ℃左右[6-7]，因此，要求铸造Al-Si 合金同时具有良好的耐热性能[8-9]。本研究针对一种新研制的高纯Al-Si-Mg-Cu 耐热铸造铝合金，采用金属型单铸拉伸试棒，开展了高温拉伸性能研究，并和传统Al-Si 系耐热铸造铝合金ZL105A、ZL109 进行了对比。
1 实验材料与过程
新研制的高纯Al-Si-Mg-Cu 耐热铸造铝合金的主 要 成 分 是7%Si、1.5%Cu、0.7%Mg、0.5%Mn、0.2%Ti，余量为铝，杂质元素Fe 含量小于0.2%。
合金采用99.99%高纯铝锭、99.5%Mg 锭和Al-Si12A、AlCu50A、AlMn10A、AlTi5A 等中间合金锭配制。合金采用电阻熔化炉进行熔炼，用0.04%的Sr对合金进行变质处理[10]，采用Ar 气旋转喷吹对合金熔体进行精炼，将精炼后的熔体浇注成金属型单铸试棒。
单铸金属型试棒首先进行T6 处理，T6 处理制度如表1。T6 处理后，一部分试棒按图1 所示加工成标准拉伸试棒，分别进行室温、200 ℃和250 ℃瞬时拉伸性能测试；另一部分试样按表2 所示制度分别进行高温稳定化处理，处理后的试棒同样按图1加工成标准拉伸试棒，分别在相应稳定化温度下进行拉伸性能测试；每组测试选取12 个数据。在不同热处理制度的试棒上取样，抛光后用0.5%的HF 溶液对抛光面进行腐蚀处理以研究其组织变化。
图1 标准拉伸试样图
Fig.1 Drawing of standard tensile specimen
表1 合金T6热处理制度
Tab.1 T6 heat treatment process
固溶温度冷却方式535±5 ℃ 14 h 40～60 ℃水 170±5 ℃ 6 h 空冷固溶保温时间冷却介质时效温度时效保温时间
表2 合金稳定化处理制度
Tab.2 Stabilization treatment process
稳定化温度/℃ 保温时间/h 冷却方式200±5 50 空冷200±5 100 空冷250±5 50 空冷250±5 100 空冷
测试设备为电子万能拉伸试验机，测试方法按照GB/T 228《金属材料拉伸试验》规定的室温实验方法和高温实验方法进行；采用光学显微镜对不同热处理状态的试样微观组织进行观察。
2 实验结果
试棒T6 处理后的室温、200、250 ℃瞬时拉伸的抗拉强度、屈服强度和伸长率分别如图2～4 所示，图5～7 为合金T6 处理后在200 ℃的瞬时拉伸及200 ℃分别保温50、100 h 后的高温瞬时拉伸性能变化趋势图，图8～9 为合金T6 处理后在250 ℃的瞬时拉伸及250 ℃分别保温50、100 h 后的高温瞬时拉伸性能变化趋势图。
图2 不同温度下的瞬时抗拉强度
Fig.2 Instantaneous tensile strength at different temperatures
图3 不同温度下的瞬时屈服强度
Fig.3 Instantaneous yield strength at different temperatures
图4 不同温度下的瞬时伸长率
Fig.4 Instantaneous elongation at different temperatures
图5 200 ℃保温不同时间后的抗拉强度
Fig.5 Tensile strength after holding at 200 ℃for different time
图6 200 ℃保温不同时间后的屈服强度
Fig.6 Yield strength after holding at 200 ℃for different time
图7 200 ℃保温不同时间后的伸长率
Fig.7 Elongation after holding at 200 ℃for different time
图8 250 ℃保温不同时间后的抗拉强度
Fig.8 Tensile strength after holding at 250 ℃for different time
图9 250 ℃保温不同时间后的屈服强度
Fig.9 Yield strength after holding at 250 ℃for different time
图10 250 ℃保温不同时间后的伸长率
Fig.10 Elongation after holding at 250 ℃for different time
图11 为该合金分别在T6 处理和T6 处理后再按不同稳定化制度处理后的显微组织。
图11 不同热处理制度下合金的显微组织
Fig.11 Microstructure of the alloy under different heat treatment processes
3 分析与讨论
由图2～4 可知，合金T6 处理后，随测试温度提高，合金瞬时拉伸的抗拉强度、屈服强度、伸长率均呈现下降的规律。抗拉强度由室温的平均360 MPa左右分别降至平均330、300 MPa 左右，屈服强度则由室温的平均300 MPa 左右分别降至平均270、250 MPa 左右，伸长率由室温的平均10%分别降至平均6.1%和6.4%，伸长率在测试温度分别为200、250 ℃时没有明显变化。
由图5～7 可知，随保温时间延长，抗拉强度、屈服强度均呈明显下降趋势。抗拉强度由200 ℃保温0 h 的330 MPa 左右分别下降至260、250 MPa左右，屈服强度由200 ℃保温0 h 的270 MPa 左右分别下降至220、210 MPa 左右，变化并不显著；伸长率在200 ℃随保温时间的延长基本保持不变，均为6%左右，但较室温瞬时拉伸的伸长率(10%左右)降低了40%。如图8～10 所示，250 ℃保温后，合金的抗拉强度、屈服强度均急剧下降，且保温50 h 与100 h的强度值非常接近，而合金的伸长率显著提升。
Al-Si-Mg-Cu 合金的凝固组织主要为α 固溶体、Si相、Mg2Si 相(β 相)、CuAl2 相(θ 相)和Al2CuMg相(S 相)、Al5Cu2Mg8Si6 相(Q 相)[10-14]。图11(a)为合金T6 处理后的组织，可以看出，由于合金熔炼时采用了Sr 变质，在T6 处理后，Si 相变得近乎圆形或边界圆滑的块状；其他相经固溶处理后，绝大部分溶于基体中，时效后形成弥散分布的β 相、θ 相[15-16]，晶界上几乎无残留β 相、θ 相、S 相和Q 相。图11(b)为T6 处理后200 ℃保温50 h 的组织，与T6 处理后的组织相比，Si 相的数量没有显著差异，但在晶界上可以看到短棒状θ 相，说明T6 处理后弥散分布的θ 相经稳定化处理后发生了偏聚长大；200 ℃保温100 h 后，如图11(c)所示，偏聚长大的θ 相数量并无明显区别，但Si 相数量明显增多，说明固溶体中的Si 元素偏聚又形成了片状的Si 相[15]。200 ℃保温后，θ 相偏聚长大和Si 相的增加导致了强度和伸长率的下降。
图11(d)、(e)为T6 处理后250 ℃分别保温50、100 h 的组织，可以看出，组织中Si 相数量较T6 状态增多；另一显著现象是保温50 h 后，基体析出长条状θ 相；保温100 h 后，长条状θ 相发生断裂，变为短棒状。θ 相的数量、大小说明在250 ℃保温时，T6 处理后基体中弥散分布的θ 相大量聚集，对合金的强化作用大大减弱[17]。由于是在高温下保温、拉伸，合金基体的滑移系均可启动，使合金具有了很高的伸长率[18]。随着保温时间的延长，θ 相形态由长条状转变为短棒状，导致保温100 h 后的伸长率高于保温50 h 后的伸长率。
表3 为国内用于结构件铸造的几种Al-Si 系耐热铸造铝合金在200 ℃保温100 h 后的性能对比[19-20]，可以看出，新研制的Al-Si-Mg-Cu 合金200 ℃的抗拉强度、屈服强度明显高于其他合金，ZL105、ZL105A 合金的伸长率显著增加，说明合金中的强化相已经丧失强化作用。
表3 Al-Si-Mg-Cu合金与常用Al-Si系耐热铸造合金的200 ℃拉伸性能对比
Tab.3 Comparison of tensile properties between Al-Si-Mg-Cu alloy and common Al-Si heat resistant casting alloy at 200 ℃
合金代号 状态 抗拉强度/MPa伸长率/%ZL105 T7 130 90 20 ZL105A T6 95 70 40 ZL109 T1 180 102 2.0 Al-Si-Mg-Cu 合金 T7 250 210 6屈服强度/MPa
4 结论
(1)随着测试温度的升高，新研制的Al-Si-Mg-Cu合金的瞬时拉伸性能都逐渐降低。
(2)在200 ℃稳定化处理后，固溶体中的Si 元素聚集形成Si 相，θ 相开始偏聚长大，合金的拉伸性能虽有下降，但仍处于较高水平，说明该合金可在200 ℃下长时间工作。
(3)在250 ℃稳定化处理后，弥散分布的θ 相明显偏聚，合金的强度下降较多，温度的升高导致伸长率较高，且θ 相形态随保温时间的延长而变化，导致其伸长率进一步提高。
(4)相较于已有的Al-Si 系耐热铸造铝合金，该合金在200 ℃时拉伸性能具有明显的优势。
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