新型高強(qiáng)韌鋁鋰合金的顯微組織和性能

李海濤, 于 娟, 劉洪濤, 謝睿勛, 馮朝輝, 趙唯一

(1. 沈陽飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所 結(jié)構(gòu)部, 遼寧 沈陽 110035;2. 北京航空材料研究院 北京市先進(jìn)鋁合金材料及應(yīng)用工程技術(shù)研究中心, 北京 100095)

新一代飛機(jī)損傷容限/耐久性設(shè)計(jì)思想對(duì)機(jī)體結(jié)構(gòu)材料提出了輕質(zhì)高效、長(zhǎng)壽命、耐腐蝕等更高的研制要求,迫切需要在現(xiàn)有材料的基礎(chǔ)上研制滿足高強(qiáng)度,同時(shí)兼?zhèn)涓邤嗔秧g性、低疲勞裂紋擴(kuò)展速率、優(yōu)異耐疲勞和耐蝕性的新一代合金。為了滿足這一需求,國(guó)內(nèi)外陸續(xù)開發(fā)了一批高韌性、高純、高耐損傷鋁合金,其中新型高強(qiáng)韌鋁鋰合金是以Al-Cu-Li系合金為基礎(chǔ)進(jìn)行成分優(yōu)化設(shè)計(jì)的鋁鋰合金,在第三代鋁鋰合金2098合金的基礎(chǔ)上,通過調(diào)整微合金化元素(Mn、Mg、Zn等)含量而研發(fā)的,具有高強(qiáng)度(≥500 MPa)、高模量(≥75 GPa)、低密度(≈2.7 g/cm3)、低裂紋擴(kuò)展速率、高耐應(yīng)力腐蝕性能等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)在國(guó)際上實(shí)現(xiàn)了廣泛應(yīng)用[1-4]。與7050-T7451鋁合金相比,新型高強(qiáng)韌鋁鋰合金可以有效減輕零件自重,提高結(jié)構(gòu)耐蝕性和壽命,作為飛機(jī)整體框、壁板等結(jié)構(gòu)件可實(shí)現(xiàn)4.6%～5.0%的減重效果[5-7]。付小強(qiáng)等[8]研究了時(shí)效處理對(duì)新型鋁鋰合金組織及力學(xué)性能的影響,結(jié)果表明,隨時(shí)效溫度的升高和時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng),合金基體內(nèi)的δ′(Al3Li) 相逐漸溶解,開始析出大量的T1(Al2CuLi)相,T1相的析出顯著提高了合金的硬度和強(qiáng)度。劉添樂等[9]研究了新型超高強(qiáng)鋁鋰合金在不同厚度方向上組織和性能的變化,結(jié)果表明T8(預(yù)壓縮變形6%,時(shí)效溫度150 ℃)狀態(tài)下,時(shí)效時(shí)間較短時(shí),厚板表層強(qiáng)度大于1/2厚度位置處,隨時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng),1/2厚度層的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度逐漸高于表層位置,這主要與析出相的數(shù)量和織構(gòu)組織變化有關(guān)。

目前關(guān)于新型鋁鋰合金的研究主要聚焦于時(shí)效處理或預(yù)變形處理對(duì)合金組織和性能的影響[10-11],對(duì)合金室溫力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性的研究較少。本文以新型高強(qiáng)韌鋁鋰合金為對(duì)象,研究合金在T84狀態(tài)下的室溫拉伸性能和高溫穩(wěn)定化后的室溫拉伸性能,同時(shí)對(duì)合金的微觀組織和拉伸斷口形貌進(jìn)行觀察,為鋁鋰合金的組織設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)所用材料為100 mm厚新型高強(qiáng)韌鋁鋰合金板材,表1為合金化學(xué)成分。板材經(jīng)530 ℃×150 min固溶后進(jìn)行室溫水淬處理,隨后沿厚板軋制方向進(jìn)行變形量為3.5%的預(yù)拉伸變形處理。將變形后的板材進(jìn)行人工時(shí)效處理至T84狀態(tài),時(shí)效制度為145 ℃×24 h。將T84態(tài)板材的寬度記為W,厚度記為T。

表1 試驗(yàn)用鋁鋰合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

室溫拉伸性能測(cè)試在Instron 5582型萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)按照GB/T 228.1—2021《金屬材料拉伸試驗(yàn) 第1部分:室溫試驗(yàn)方法》進(jìn)行,在厚板L向(縱向)、LT向(橫向)的不同厚度位置(T/2和T/4)和不同寬度位置(W/2、W/4和邊緣)處取樣,試驗(yàn)結(jié)果取平均值。穩(wěn)定化后室溫拉伸性能測(cè)試方法與室溫拉伸性能測(cè)試相同,取樣方向?yàn)長(zhǎng)T向取樣位置為W/2,T/4。穩(wěn)定化試驗(yàn)在時(shí)效爐內(nèi)進(jìn)行,溫度分別為100、125、150、175和200 ℃,穩(wěn)定化時(shí)間為100 h。

拉伸試樣斷口觀察在JEM-7001 F場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡上進(jìn)行,加速電壓為20 kV,分辨率為2.0 nm。微觀組織觀察在JEM-2000 FX型透射電鏡上進(jìn)行,加速電壓為200 kV。試樣制備過程:采用線切割切取約0.5 mm厚的薄片,用水砂紙經(jīng)粗磨、細(xì)磨到50 μm左右,將樣品沖成φ3 mm大小的圓片,然后在雙噴電解減薄儀上進(jìn)行雙噴減薄、穿孔。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 室溫拉伸性能

圖1為新型高強(qiáng)韌鋁鋰合金板材L和LT向不同厚度位置和不同寬度位置處的室溫拉伸性能?？梢钥闯?取樣方向相同時(shí),T/2位置處的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率均高于同一寬度位置T/4位置處的試樣。T/2位置處的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度比同一寬度位置T/4位置處的高10 MPa 左右,伸長(zhǎng)率變化較小。

圖1 試驗(yàn)用鋁鋰合金厚板不同取樣位置的室溫拉伸性能

圖2為L(zhǎng)向,W/2位置,不同厚度位置(T/2和T/4)處的拉伸試樣斷口形貌?？梢悦黠@看出,T/2位置處的斷口上韌窩尺寸更大,數(shù)量更多,而T/4位置處的韌窩較小,斷口分層特征更加明顯。圖3為對(duì)應(yīng)取樣位置的TEM照片,從不同方向的衍射斑點(diǎn)可以看出,合金的主要析出相為T1相和未溶的δ′相,圖3(a,c)分別為<112>方向觀察到的微觀組織,對(duì)比可知,T/2 位置處T1相和球狀δ′相的數(shù)量明顯比T/4位置處多,而且T1相的形貌較為短粗,長(zhǎng)度在50～120 nm之間,T/4位置處的T1相數(shù)量較少,分布更為稀疏,形貌更加細(xì)長(zhǎng)。

圖3 試驗(yàn)用鋁鋰合金L向不同厚度位置的TEM圖

2.2 熱穩(wěn)定性

圖4為新型高強(qiáng)韌鋁鋰合金板材LT向試樣分別在100、125、150、175和200 ℃下保溫100 h后的室溫拉伸性能。從圖4可以看出,穩(wěn)定化時(shí)間為100 h時(shí),穩(wěn)定化溫度為125 ℃時(shí),合金強(qiáng)度達(dá)到峰值,此時(shí)抗拉強(qiáng)度為535 MPa,屈服強(qiáng)度為483 MPa,伸長(zhǎng)率為5.7%。穩(wěn)定化溫度在125～175 ℃之間時(shí),合金強(qiáng)度逐漸降低,但降低程度較小,穩(wěn)定化溫度為200 ℃時(shí),合金強(qiáng)度顯著降低,此時(shí)抗拉強(qiáng)度為431 MPa,屈服強(qiáng)度僅為356 MPa,強(qiáng)度降低了20%左右。

圖4 試驗(yàn)用鋁鋰合金厚板不同溫度穩(wěn)定化100 h后LT向的室溫拉伸性能

圖5為新型高強(qiáng)韌鋁鋰合金T/4位置不同溫度穩(wěn)定化處理后<100>方向和<112>方向的TEM照片。從圖5可以看出,新型高強(qiáng)韌鋁鋰合金在125 ℃下穩(wěn)定化100 h后,合金中主要析出相仍為T1相,與未經(jīng)穩(wěn)定化處理時(shí)相比,T1相的尺寸和分布無明顯變化。穩(wěn)定化溫度超過150 ℃后,針狀析出相的數(shù)量逐漸減少,分布越來越稀疏,析出相形貌由細(xì)長(zhǎng)狀變?yōu)槎檀譅睢?/p>

圖5 試驗(yàn)用鋁鋰合金不同溫度下穩(wěn)定化100 h后在<100>(a～c)和<112>(d～f)方向的TEM圖 (T/4位置)

2.3 分析與討論

Al-Cu-Li系合金是可時(shí)效強(qiáng)化型鋁鋰合金,通常情況下,人工時(shí)效狀態(tài)合金的主要析出相為T1(Al2CuLi)相、θ′(Al2Cu)相和δ′(Al3Li)相,其中T1相與Al基體半共格,尺寸較大時(shí)不可被位錯(cuò)切過,是提高合金強(qiáng)度最主要的析出相;θ′相呈相互垂直的針狀結(jié)構(gòu)分布,可被位錯(cuò)切過,是Al-Cu-Li系合金的主要析出相之一,時(shí)效強(qiáng)化效果低于T1相,δ′相是鋁鋰合金自然時(shí)效狀態(tài)下的主要析出相,與Al基體共格,容易被位錯(cuò)切過,對(duì)合金強(qiáng)度的貢獻(xiàn)相對(duì)較小,合金經(jīng)過人工時(shí)效處理后,部分δ′相會(huì)發(fā)生回溶[12-14]。本文研究的新型高強(qiáng)韌鋁鋰合金T84狀態(tài)的主要析出相為T1相和δ′相,合金性能的改變主要取決于這兩種析出相的尺寸、數(shù)量及分布差別。板材進(jìn)行熱軋?zhí)幚頃r(shí),由于心部位置受到的變形與表層和T/4位置相比更大,產(chǎn)生的位錯(cuò)數(shù)量更多,在后續(xù)熱處理過程中,析出相的析出動(dòng)力更強(qiáng),因此人工時(shí)效狀態(tài)下,T/2位置處T1相和δ′相析出數(shù)量更多。合金屈服強(qiáng)度主要受位錯(cuò)開動(dòng)阻力的影響,析出相數(shù)量增多時(shí),對(duì)位錯(cuò)的釘扎作用增大,合金的屈服強(qiáng)度增大;抗拉強(qiáng)度主要取決于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力的大小,析出相數(shù)量的增加提高了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力,因此T/2位置處合金的強(qiáng)度高于T/4位置。斷口照片上也可以看出,同一寬度位置,T/2 和T/4位置的斷口上都呈現(xiàn)分層特征,但是T/4位置處的分層特征更為明顯,T/2位置處韌窩數(shù)量較多,尺寸較大,大韌窩中還包含若干小韌窩,因此,進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)時(shí),板材T/2位置處塑性更好。

熱穩(wěn)定化試驗(yàn)表明,該高強(qiáng)韌鋁鋰合金在150 ℃以下具有較好的耐熱性能。穩(wěn)定化時(shí)間為100 h時(shí),當(dāng)穩(wěn)定化溫度低于150 ℃時(shí),合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度變化較小,力學(xué)性能穩(wěn)定,這主要與析出相的尺寸和數(shù)量變化有關(guān)。鋁鋰合金厚板進(jìn)行熱穩(wěn)定化試驗(yàn)時(shí),合金的主要析出相為T1相,合金性能的變化主要取決于T1相數(shù)量和分布彌散程度的變化。穩(wěn)定化溫度低于150 ℃時(shí),與未經(jīng)穩(wěn)定化處理的合金微觀組織相比,析出的T1相數(shù)量和尺寸相當(dāng),因此,合金的性能并未發(fā)生明顯改變;進(jìn)一步升高穩(wěn)定化溫度后,基體內(nèi)的Cu、Li原子的擴(kuò)散速度顯著加快,促進(jìn)T1相粗化的同時(shí)降低了其析出密度[15-16],因此,穩(wěn)定化溫度超過175 ℃ 后,合金的強(qiáng)度逐漸下降。

3 結(jié)論

1) 新型高強(qiáng)韌鋁鋰合金厚板T/2厚度位置處的T1相和δ′相數(shù)量較多,位錯(cuò)的開動(dòng)阻力和運(yùn)動(dòng)阻力越大,合金強(qiáng)度越大;T/2厚度位置處的韌窩數(shù)量較多,尺寸較大,合金塑性較好。

2) 新型高強(qiáng)韌鋁鋰合金在150 ℃以下具有較好的耐熱性能,這是因?yàn)門1相在150 ℃下的粗化傾向小,析出數(shù)量穩(wěn)定,因此該穩(wěn)定化溫度下,合金高溫穩(wěn)定化后室溫拉伸性能變化較小。