WeldaliteTM210合金的拉伸性能與顯微組織

付 欣，鄭子樵，蔡 彪，李世晨，魏修宇

(中南大學 材料科學與工程學院，長沙 410083)

20世紀 90年代，美國的 Reynolds金屬公司和Martin Maritta公司合作，開發(fā)出Weldlite系列鋁鋰合金。該系列合金具有高強可焊的特點，抗拉強度最高可達700 MPa；在多種焊接工藝下均可形成致密的焊縫，其焊縫強度和韌性都明顯高于其他傳統(tǒng)鋁合金。Weldalite合金包括WeldaliteTM049和210兩個合金系列，其中049系列合金已進行廣泛研究，并在航空航天領域獲得了應用[1?3]。如WeldaliteTM049家族中的代表性合金 2195已應用于制作美國航天飛機外掛燃料貯箱，和原來使用的2219合金貯箱相比，質量減輕了3.4 t。然而到目前為止，有關WeldaliteTM210合金的研究報道卻極少。從零散的報道可知，與WeldaliteTM049合金相比，WeldaliteTM210合金主要有兩個特點：一是在合金成份上添加了 0.5%（質量分數(shù)）左右的 Zn；二是該合金在人工時效前，不進行冷變形也可以獲得較高的力學性能，這對時效前無法進行預變形的形狀復雜的構件具有十分重要的實用價值。因此，深入探討熱處理制度和微量Zn的添加對WeldaliteTM210合金微觀組織和力學性能的影響，對于進一步了解該合金特性和推廣其應用具有重要的意義。

1 實驗

采用高純 Al、Mg、Ag、Li錠和 Al-Cu、Al-Zr、Al-Zn中間合金按設計成分配料后在熔劑保護的石墨坩堝中熔煉后澆入氬氣保護的水冷模中。鑄錠經(jīng) 454℃、16 h和504 ℃、8 h雙級均勻化和切頭銑面后，熱軋成4 mm厚的板材，中間退火后再冷軋成2 mm厚的板材，其化學成分分析值如表1所列。試樣的熱處理工藝如下：在鹽浴爐中經(jīng)504 ℃，1 h固溶處理后淬入室溫水中，之后將試樣分為兩批，一批直接進行 180 ℃人工時效(T6)，另一批經(jīng) 6%軋制預變形后在160 ℃人工時效(T8)。硬度測試在MTK1000A顯微硬度計上進行，負荷為1.96 N，加載時間為15 s。拉伸實驗在CSS?44100萬能電子拉伸機上進行，拉伸試樣沿軋向截取，標距間長度30 mm，寬度8 mm，名義拉伸速度為2 mm/min。透射電鏡觀察試樣經(jīng)磨和雙噴電解減薄制取，電解溶液為25%硝酸和75%甲醇混合溶液(體積分數(shù))，采用液氮冷卻到?20~?35 ℃，工作電壓為15~20 V，電流控制在80~95 mA。電鏡觀察在 TecnaiG220上進行，加速電壓為200 kV。合金 1為WeldaliteTM210合金；合金2為WeldaliteTM210-free Zn合金。

表1 實驗合金的化學成分分析結果Table 1 Measured chemical compositions of experimental alloy

2 結果及分析

2.1 時效硬化特性

圖1所示為不同合金在T6和T8狀態(tài)下的硬度與時效時間曲線。從圖 1(a)可知，與一般的 Al-Li合金一樣，直接在180 ℃時效時，兩種合金的硬度隨時效時間的延長逐漸增加到峰值后緩慢下降，且含 Zn合金在整個時效周期內的硬度值都高于不含Zn合金的。比較兩種合金峰時效硬度值及到達峰時效的時間，發(fā)現(xiàn)微量 Zn的添加不影響合金的時效硬化速率，兩種合金峰值時效時間一致，但 Zn的添加顯著提高合金的峰時效硬度，這說明添加少量 Zn提高試驗合金的時效硬化能力。

圖1 兩種合金在T6和T8狀態(tài)下硬度與時效硬化曲線Fig.1 Relationships between hardness and aging time of different alloys under T6 and T8 conditions: (a) Aging at 180 ; (b)℃ 6% predeformation+aging at 160 ℃

對于淬火后經(jīng)過預變形再時效的樣品，時效曲線呈現(xiàn)與直接時效相類似的特征(見圖 1(b))。所不同的是含Zn合金和不含Zn合金的硬度值在整個時效周期內都相差較小，這說明預變形減少 Zn對試驗合金時效硬化能力的影響。

2.2 室溫拉伸性能

表2和3所列分別為合金1和合金2在T6和T8狀態(tài)下的拉伸性能。由表2和3可見，兩種合金在兩種狀態(tài)下的強度和硬度變化規(guī)律基本一致。表4所列為合金1和合金2在T6和T8狀態(tài)時的峰值強度。由表4可看出，T6峰時效狀態(tài)下，合金1經(jīng)180 ℃、24 h時效后，抗拉強度達到601.2 MPa，說明該合金不經(jīng)預變形直接時效即可獲得很高的強度。合金1的抗拉強度較不添加Zn合金2的增加15.4 MPa；T8狀態(tài)下，合金1與不添加Zn合金2的峰值強度相差不大，這表明預變形提高合金的時效強化效果，但同時削弱Zn的作用。

表4 合金1和2在 T6和T8狀態(tài)時的峰值強度Table 4 Tensile strengths of alloys 1 and 2 treated under T6 and T8 conditions

表2 T6工藝條件下合金1和合金2不同時效時間的強度及伸長率Table 2 Tensile properties of alloys 1 and 2 aged for different aging times under T6 condition

表3 T8工藝條件下合金1和合金2不同時效時間的強度及伸長率Table 3 Mechanical properties of alloys 1 and 2 aged for different times under T8 condition

2.3 顯微組織

圖2所示為合金1在180 ℃時效不同時間后的微觀組織形貌。從圖2可知，在時效初期就已經(jīng)能夠觀察到非常細小的θ′相和δ′相的大量析出(見圖2(a))；但T1相較少(見圖2(b))。時效24 h(峰時效)時，可以看到很多均勻分布的 T1相(見圖 2(d))和細球狀 δ′相，以及少量相互垂直的 θ′相，此外還可以看到一些板條狀δ′/θ′復合相(見圖 2(c)箭頭處)，其中一部分 θ′相形貌清晰，主要為θ′相的刃面，另一部分θ′相形貌模糊，主要是θ′相的寬面和在生長過程中被δ′相覆蓋的θ′相。在電子衍射花樣中除了基體衍射斑點外，還觀察到δ′相和θ′相斑點，T1相斑點相對較強。由圖2(e)和(f)可看出，合金時效 120 h(過時效)時，T1相和 θ′、δ′相進一步長大，但θ′和δ′相的密度減少，T1相靠消耗δ′和θ′相中的Li原子和Cu原子而長大。

不含Zn合金2在 T6工藝條件下峰值狀態(tài)的微觀組織形貌如圖3所示。由圖3可以看出，合金2的主要析出物為T1相、極少量的θ′相和δ′相，這與圖3(c)的衍射花樣相一致。與含Zn的合金1在T6峰時效狀態(tài)相比，T1相數(shù)量相對減少(對比圖 2(d)和 3(b))，這說明Zn的添加有促進T1相析出的作用。同時析出的θ′相和δ′相數(shù)量也明顯減少，且尺寸增大(對比圖2(c)和3(a))。

圖2 合金1在T6狀態(tài)下的TEM暗場像Fig.2 TEM dark field images of alloy 1 treated under T6 condition: (a), (b) T6, 4 h; (c), (d) T6, 24 h; (e), (f) T6, 120 h ((a), (c), (e)b=〈001〉α; (b), (d), (f) b=〈112〉α)

T8工藝條件下，合金1和合金2峰值時效狀態(tài)的微觀組織形貌如圖4所示。由圖4可以看出，合金1中析出少量的δ′相和θ′相(見圖4(a))，預變形的引入促使合金在晶內析出密度很大以及細小、均勻分布的T1相(比較圖 4(c)與 2(d))。時效之前的預變形對合金 2的作用與合金1的類似，也使合金在晶內析出大量細小且均勻分布的T1相(見圖4(d))，這說明預變形對T1相析出的促進作用大于Zn的作用。

3 討論

WeldaliteTM210合金是含少量Ag、Mg和Zn的

圖3 合金2在T6峰時效態(tài)的TEM暗場像及相應的電子衍射花樣Fig.3 TEM dark field images of alloys 2 peak aged under T6 condition and corresponding SAD pattern: (a) b=〈001〉α;(b) b= 〈112〉α; (c) SAD pattern, b=〈001〉α

Al-Cu-Li-Zr系合金，Al-Li-Cu-Zr系合金的析出順序和析出強化相的種類在很大程度上取決于Cu和Li的摩爾比。對于 Cu 含量為 2%~5%(質量分數(shù)) 的中銅合金，其主要析出過程大致如下[4]：α過飽和固溶體→G.P.區(qū)+δ′相→T1相+δ′相+(θ′相)→T1相。從透射電鏡觀察結果可以看出，合金1和合金2在T6峰時效狀態(tài)下的析出相主要是T1相，這是因為Mg和Ag的同時添加更有利于 T1相的析出[5?7]，從而消耗 θ′相形核所需的 Cu原子數(shù)量。HUANG等[8]的研究表明，T1相比δ′相的強化效果更明顯，故合金1和合金2在T6狀態(tài)下可獲得極高的力學性能。而在 T8狀態(tài)下，時效前的預變形可增加合金基體中的位錯密度[9?12]，為T1相提供更加有利的非均勻形核位置，因此，合金 1和合金2中T1相的析出密度進一步加大。

少量 Zn的添加對合金的時效組織與性能都有明顯的影響。和無Zn的合金2相比，合金1在T6峰時效狀態(tài)析出的T1相數(shù)量明顯增加，而尺寸減小。由此證明，添加少量Zn可進一步促進T1相析出。Al中加入溶質原子后，其層錯能會有所減小，特別是固溶度大的溶質原子，降低層錯能的作用更大。Zn、Mg和Ag等元素在Al中的溶解度都較大，這些固溶原子聚集在密排的{111}α面上，能降低Al合金的層錯能，有利于形成大量層錯，而這些層錯將為{111}α面上密排六方相如 T1、η′相的析出提供優(yōu)越的形核位置，因為這些析出相的形核長大可按層錯機制進行[13]。T6峰時效狀態(tài)下，合金1析出的δ′相比合金2的多，這是由于Zn的添加降低Li在Al中的溶解度，增加與基體的錯配度，從而促進δ′相的析出，并進入到δ′相和T1相中[14?15]。

T8狀態(tài)下，預變形引入的大量位錯為 T1相提供更加有利的非均勻形核位置，促進T1相的形核析出，從而減小微量Zn對T1相析出的促進作用，使合金1和合金2在T8狀態(tài)峰時效析出的T1相大小、分布及密度幾乎一樣，因此，強度也相差不大。

圖4 合金1和2在 T8峰時效態(tài)的TEM暗場像及相應的電子衍射花樣Fig.4 TEM dark field images of alloys 1 and 2 peak aged under T8 condition: (a) Alloy 1, b=〈001〉α; (b) Alloy 2, b= 〈001〉α;(c) Alloy 1, b=〈112〉α; (d) Alloy 2, b=〈112〉α

4 結論

1) WeldaliteTM210Al-Li合金具有比其他Al-Li合金更高的強度，但塑性較差。在T6態(tài)，σb=601.2 MPa，σ0.2=574.8 MPa，δ=4.5%；T8 態(tài)，σb=670.7 MPa，σ0.2=652.2 MPa，δ=4.3%。

2) WeldaliteTM210Al-Li合金在T6狀態(tài)下，其主要強化相是θ′相、δ′相和T1相。T8狀態(tài)下，預變形提高該合金的時效強化效果，其主要強化相是δ′相和T1相。T1相的強化效果最好，故強度大幅度升高。

3) 添加少量Zn能促進T1相、θ′相和δ′相更細小彌散析出，且數(shù)量明顯增加，使合金強度提高，但塑性略有下降。

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