時效溫度對鋁鋰合金組織及性能影響研究

趙 彤，張 罡，馬鵬程，杜曉明

(1.沈陽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110159；2.航天材料及工藝研究所，北京 100076)

鋁鋰合金憑借其優(yōu)良的綜合性能，已經(jīng)成為了航空航天領(lǐng)域的支柱性材料。其主要應(yīng)用于飛機蒙皮、框、腹板、梁、底板梁等位置。鋁鋰合金具備明顯的減重效果，在承壓縮應(yīng)力、彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力方面，鋁鋰合金能夠表現(xiàn)出足夠的強度以及足夠的抗疲勞性能；同時，鋁鋰合金具有良好的成型性，傳統(tǒng)的鋁合金成型工藝、裝備大部分也適用于鋁鋰合金[1-2]。在熱處理過程中，時效溫度、時效時間、預(yù)先變形程度以及預(yù)時效等因素都會對第二相的沉淀產(chǎn)生顯著的影響，進而產(chǎn)生不同種類、不同形貌特征的沉淀相，并以此給鋁合金的工藝性能、使用性能、力學(xué)性能帶來顯著影響。

在Al-Li-Cu-Mg系合金中，T1(Al2CuLi)和δ′(Al3Li)相是合金的主要強化相。T1相促使位錯以繞過的形式通過δ′相，分散共面滑移，與δ′相共同對合金產(chǎn)生強化作用[3-4]。通過改變熱處理制度，可以對合金的強化相進行相應(yīng)的調(diào)控，除δ′和T1相外，還有G.P.區(qū)、θ′(Al2Cu)、T2(Al5Li3Cu)、S′(A12CuMg)等相大量析出[5]，這些析出相對材料的強化也起到了重要作用，也進一步增加了合金強化微觀機制的研究難度。國內(nèi)外一些學(xué)者研究了Al-Li-Cu-Mg合金沉淀析出和硬化行為。研究結(jié)果表明，固溶的Cu或Mg不會影響δ′相的一般特征[6]。但也有研究認(rèn)為，Mg可降低Li在鋁中的溶解度，并可溶入δ′，從而增加其體積分?jǐn)?shù)[7]。因此有關(guān)T1和δ′相的形成與相互影響機制并不是很清楚。

因此本文重點研究新型Al-Li-Cu-Mg合金在時效過程中主要強化相T1和δ′相的形成及演變過程，為進一步改善鋁鋰合金的力學(xué)性能提供參考。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

試驗選用的材料是由某公司提供的Al-Li-Cu-Mg合金熱軋板坯，合金的原始狀態(tài)為退火態(tài)，板坯厚度為20mm，合金的化學(xué)成分見表1。

表1 Al-Li-Cu-Mg系鋁合金試樣的化學(xué)成 wt %

1.2 實驗方法

在垂直于板材軋制的方向截取試樣，加工制成10mm×10mm×3mm試樣。然后將試樣放于空氣爐中在510℃固溶處理90min后立即在室溫下水淬，淬火轉(zhuǎn)移時間控制在30s之內(nèi)。在電熱鼓風(fēng)烘箱中，進行人工時效處理，分別在150℃、165℃和180℃下時效34小時后空冷。

將時效處理后的試樣依次用400#、800#、1200#、2000#、4000#砂紙從粗磨到細(xì)磨與精磨，使樣品表面沒有劃痕平滑亮潔，然后進行拋光，用keller腐蝕試劑(1.0mLHF+1.5mLHCL+2.5mLHNO3+95mLH2O混合溶液)腐蝕20s，在200TAM型倒置金相顯微鏡下進行金相觀察。在TESCAN掃描電子顯微鏡下對其進行顯微組織觀察。利用日本理學(xué)Rigaku Ultima IV衍射儀(Cu Kα靶，加速電壓40kV，電流40mA)鑒定析出相，探測器掃描范圍為15°～100°，掃描步長為0.04°，速度為2°/min。在HVS-50數(shù)字式光學(xué)硬度計測量維氏硬度。每個樣品表面測試五個點，施加載荷為9.8N，加載時間15s。

2 實驗結(jié)果及討論

2.1 顯微組織

圖1為合金原始態(tài)和固溶淬火后的顯微組織對比。

圖1 Al-Li-Cu-Mg合金的SEM圖

由圖1a可見，合金原始組織中存在大小不均勻的第二相，而經(jīng)過510℃固溶淬火后的圖1b，只有極少量的第二相尚未完全溶解。

圖2為合金固溶后的X射線衍射圖譜。

由圖2可見，衍射峰全部為α(Al)基體峰，未發(fā)現(xiàn)其它第二相的存在。

圖3為不同時效溫度下試樣的光學(xué)顯微鏡金相圖。

圖2 Al-Li-Cu-Mg合金的X射線衍射圖

從圖3中可見，三種時效溫度下，晶粒沿軋制方向排列，保持板條狀晶粒的特征，表明合金在時效過程中沒有發(fā)生再結(jié)晶。但晶粒尺寸隨著時效溫度的升高而增加。三種時效溫度下，在α(Al)基體中均有析出相存在，且隨時效溫度增加，析出相數(shù)量增加。

Al-Li-Cu-Mg鋁合金高強度得益于固溶時效后不同強化相的析出。多數(shù)研究表明[8-10]，Al-Li-Cu-Mg合金中的Cu含量達到2%至5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，固溶時效后析出相會以下列的方式進行析出：α過飽和固溶體→GP區(qū)+δ′相→T1相+δ′相+θ′相→T1相。為了更清楚地分析時效溫度對析出相的形狀、大小和分布的影響，圖4給出了時效溫度分別為150℃、165℃和180℃的SEM微觀形貌圖。

圖3 Al-Li-Cu-Mg合金不同時效溫度下的金相組織

圖4 Al-Li-Cu-Mg合金不同時效溫度下的SEM形貌

由圖4可見，Al-Li-Cu-Mg合金在三種時效溫度下均有大量的析出相產(chǎn)生，且析出相都沿軋制方向分布，既存在于晶內(nèi)，又分布于晶界，且析出相的數(shù)量、形態(tài)和尺寸都存在明顯的差別。150℃下(圖4a)，析出相的形態(tài)主要以球狀為主，且有少量盤片狀結(jié)構(gòu)。由圖2中的X射線衍射圖譜可知，150℃下出現(xiàn)了δ′相和T1的衍射峰，表明析出相以δ′相為主，并伴有少量的T1相。165℃下(圖4b)，析出相的形態(tài)主要以盤片狀結(jié)構(gòu)為主，并有少量的球狀和板條狀結(jié)構(gòu)。此外由X射線衍射圖(圖2)也可見，T1相對應(yīng)的衍射峰強度急劇增加，δ′相衍射峰強度減弱，并出現(xiàn)了θ′相的衍射峰。表明析出相以T1相為主，并伴有少量的δ′相和板條狀θ′相。

當(dāng)時效溫度增加到到180℃時(圖4c)，析出相的形態(tài)主要以盤片狀和板條狀結(jié)構(gòu)為主，并有少量的球狀結(jié)構(gòu)。由X射線衍射圖(圖2)可證實，析出相主要是T1相，僅有少量的δ′相和θ′相。以上分析表明，隨時效溫度增加，析出相由亞穩(wěn)相δ′和θ′逐步轉(zhuǎn)變?yōu)門1相。這一相轉(zhuǎn)變過程勢必會對合金的力學(xué)性能產(chǎn)生重要的變化。

2.2 時效硬化行為

Al-Li-Cu-Mg鋁合金在510℃/90min固溶制度下，經(jīng)不同時效溫度時效34h得到的維氏硬度如表2所示。

表2 Al-Li-Cu-Mg鋁合金的硬度 HV

由表2可見，合金經(jīng)固溶淬火后，硬度顯著增加，這是因為固溶淬火后溶入基體中的溶質(zhì)原子會引起晶格畸變，畸變所產(chǎn)生的應(yīng)力場和位錯周圍的應(yīng)力場發(fā)生相互作用，使合金元素的原子聚集到位錯附近，形成柯氏氣團，阻礙位錯運動，從而使合金硬度提高。此外，隨時效溫度升高，合金的硬度增加。沉淀強化是鋁鋰合金的主要強化機制，析出相種類、數(shù)量和尺寸受時效制度的影響較大，進而不同程度地影響合金的力學(xué)性能。結(jié)合前述的微觀組織演變可知，引起合金硬度變化的主要原因是，隨著時效溫度的改變，合金的析出相種類和數(shù)量都發(fā)生了變化。鋁鋰合金較低溫度時效的主要強化相為δ′相[8]。文獻[9]指出，鋁鋰合金人工時效初期，因δ′相引起的強化作用在110～150℃短時間時效即可造成合金發(fā)生軟化，極不穩(wěn)定。隨著時效溫度的升高，T1相析出，在溫度高于165℃時，T1相析出的熱力學(xué)動力學(xué)門檻值越來越小，析出更加迅速。析出的T1相與δ′相對合金產(chǎn)生協(xié)同強化作用。此外，T1相與基體間的錯配度較小，具有良好的匹配性，這使得T1相在高溫下不易粗化，使其具有良好的力學(xué)性能。

3 結(jié)論

(1)對Al-Li-Cu-Mg合金在150～180℃時效34小時后產(chǎn)生的強化相主要有δ′相、T1相和θ′相。在150℃時析出大量δ′相和少量T1相；隨著時效溫度的升高，在165℃以上主要為大量T1相，少量θ′相和δ′相。

(2)硬度分析表明，隨時效溫度升高，硬度增加，時效溫度高于165℃時，T1相與δ′相對合金產(chǎn)生協(xié)同強化作用。