胡麗敏 張 帥 成 桃 李愛文 王海軍

熱處理對2195鋁鋰合金組織及性能的影響

胡麗敏 張 帥 成 桃 李愛文 王海軍

（航天新力科技有限公司，貴州 563003）

鋁鋰合金因具有高比強(qiáng)度、高耐腐蝕和抗疲勞等優(yōu)點，常作為受力結(jié)構(gòu)件被廣泛應(yīng)用于航天航空領(lǐng)域。本文系統(tǒng)研究了2195鋁鋰合金的制造工藝，成功制備了性能優(yōu)越的鍛板，為其工業(yè)生產(chǎn)提供了理論依據(jù)；綜合采用金相顯微鏡、硬度計和拉伸試驗機(jī)等手段，分別探索了不同熱處理對2195鋁鋰合金的組織及性能的影響。經(jīng)拉伸測試發(fā)現(xiàn)，所制備2195鋁鋰合金鍛板的抗拉強(qiáng)度高達(dá)602MPa，延伸率9.5%。

2195鋁鋰合金；熱處理；組織；性能

1 引言

鋰是迄今為止被發(fā)現(xiàn)的最輕的金屬元素，密度為0.534g/cm3。大量研究發(fā)現(xiàn)，每添加1.0%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，以下同）Li元素在鋁合金中可使密度降低3%，彈性模量上升10%～20%[1，2]，且其強(qiáng)度可與傳統(tǒng)的2024、7075等鋁合金媲美。鋁鋰合金材料除了具有密度低、彈性模量高、比強(qiáng)度和比剛度比較高外，還具有優(yōu)異的疲勞性能、耐腐蝕及焊接性能[3～5]，并且比復(fù)合材料氣動性更好、防腐能力更強(qiáng)、成本更低，比鎂合金更耐腐蝕、成型性能更好。因此，在航天航空領(lǐng)域用鋁鋰合金代替常規(guī)的高強(qiáng)度鋁合金可使結(jié)構(gòu)質(zhì)量減輕10%～20%，剛度提高15%～20%。進(jìn)入空中的航天運載器，每減輕1kg，其發(fā)射費用將節(jié)省約2萬美元，因此結(jié)構(gòu)減重在航天領(lǐng)域可謂“克克計較”。在航空航天輕量化要求日益嚴(yán)峻的情況下，作為被全球公認(rèn)是航天航空領(lǐng)域最理想輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料之一，鋁鋰合金材料在航空航天領(lǐng)域顯現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景[6]。

鋁鋰合金既是變形鋁合金也是可熱處理強(qiáng)化鋁合金，常見的強(qiáng)化和增韌方法是通過一系列熱處理手段進(jìn)行調(diào)控，通常包括鑄錠的熱變形處理和變形合金的固溶和時效處理[7～9]。通過前期的努力，2195合金的力學(xué)性能得到了顯著改善。但合金的峰值應(yīng)力大多仍為550～590MPa，斷裂伸長率往往低于9%[10～13]。因此，同時賦予2195 Al-Cu-Li合金較高的抗拉強(qiáng)度和良好的塑性仍然是一個挑戰(zhàn)。目前，國內(nèi)鋁鋰合金工業(yè)化制備仍存在工藝流程長、控制難、材料純凈性差且性能落后，產(chǎn)品成本高、產(chǎn)能小等核心技術(shù)難題。因此，通過真空感應(yīng)熔煉制備技術(shù)和一系列熱處理調(diào)控，生產(chǎn)材料純凈度高且力學(xué)性能優(yōu)異的2195鋁鋰合金鍛板，并探索均勻化退火和T6及T8熱處理工藝對2195鋁鋰合金組織及性能的影響。

2 實驗方法

將配好的純Al、AlCu50、AlCr5合金、純Li、純Mg和純Ag等原材料采用真空感應(yīng)爐熔煉鑄造，得到直徑145mm、重10kg的2195鋁鋰合金鑄錠；對鑄錠取樣進(jìn)行ICP和光譜測試，測得鑄錠的化學(xué)成分如表1所示。從表1可以看出，鑄錠實測化學(xué)成分結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)ASTM A217—2020中2195鋁鋰合金的要求。

表1 合金的化學(xué)成分 wt.%

表2為真空熔煉鑄錠的雜質(zhì)元素含量。從表中可以看出，鑄錠中的Fe、Si等易生成不溶或難溶脆性相元素含量遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)中要求；堿金屬雜質(zhì)Na、Ca的含量較低，H含量遠(yuǎn)小于0.0001%。這說明鑄錠的純凈度比較高。

表2 鑄錠中雜質(zhì)元素含量 wt.%

從鑄錠頭部和尾部沿鑄錠半徑方向在邊緣和中心各取一塊試樣進(jìn)行金相觀察，然后切掉鑄錠頭尾部分，進(jìn)行均勻化處理（490℃/40h），并在錠子一端取小塊試樣進(jìn)行均勻化組織觀察，然后將退火后的鑄錠鍛造變形得到厚度為28mm的鍛板，沿鍛板主變形方向和垂直主變形方向各取六個拉伸試樣（10mm拉棒），兩個方向各取三個試樣進(jìn)行固溶處理（510℃/2h）+7%預(yù)變形+人工時效（160℃/18h），得到T8態(tài)試樣；剩下的試樣進(jìn)行T6態(tài)熱處理（510℃/2h+人工時效160℃/18h）；最后將T6/T8態(tài)試樣進(jìn)行拉伸性能測試以及組織觀察。其中，鑄態(tài)和退火態(tài)金相試樣尺寸：15mm×10mm×10mm，T6/T8態(tài)金相試樣：10mm×12mm。

在CTM4105萬能拉伸試驗機(jī)上進(jìn)行力學(xué)性能測試，試樣尺寸沿鍛板主變形方向按國標(biāo)取10mm拉棒，引伸計標(biāo)距為50mm，拉伸速率為1mm/min。為了保證實驗數(shù)據(jù)的可靠性，每個狀態(tài)的實驗合金準(zhǔn)備3個平行樣，每個狀態(tài)點的屈服強(qiáng)度（0.2）、抗拉強(qiáng)度（b）以及延伸率（）都是取三個平行樣的平均值。

在JMHVS-100-XYZ全自動精密顯微硬度計上進(jìn)行硬度測試，硬度計載荷為1.96N，持續(xù)時間為15s，每個測試點測6次，取平均值，當(dāng)取值之間差值較大時，去掉最大、最小值后再取平均值。

利用AXIO VERT A1蔡司顯微鏡觀察分析合金的相顯微（OM）組織。將需要進(jìn)行金相觀察的試樣依次在400#、800#、1500#、2000#、3000#砂紙上研磨，然后進(jìn)行機(jī)械拋光，用濃度為0.5%的氫氟酸（HF）溶液對拋光后鑄態(tài)和均勻化態(tài)試樣進(jìn)行腐蝕，腐蝕時間為30～40s；T6/T8態(tài)試樣用Keller試劑（2.5%HNO3+1.0%HF +1.5%HCl+95%H2O）腐蝕30～50s。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 熱處理工藝對2195鋁鋰合金性能的影響

圖1 2195鋁鋰合金不同熱處理狀態(tài)的硬度圖

圖1為2195合金經(jīng)不同熱處理后的硬度圖。不同熱處理對合金的硬度有明顯影響，可以看出T6和T8熱處理能明顯提高合金的硬度，且T8態(tài)合金硬度比T6態(tài)高。這是因為在T6處理過程中，固溶時會產(chǎn)生固溶強(qiáng)化，而后續(xù)的時效處理還會產(chǎn)生析出相，當(dāng)發(fā)生變形時，析出相會阻礙位錯移動，從而提高合金的強(qiáng)度；T8處理除了固溶強(qiáng)化外，其在時效前引入預(yù)變形，一方面產(chǎn)生了變形強(qiáng)化，使得后續(xù)的析出時效強(qiáng)化在較高的強(qiáng)度起點進(jìn)行，另一方面，時效前預(yù)變形引入大量位錯為后面析出強(qiáng)化相提供形核位置，促進(jìn)析出相析出，顯著提高合金的強(qiáng)度。

圖2為2195合金T6/T8處理后的拉伸性能。T6態(tài)拉伸樣的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別為491MPa、394MPa，斷面收縮率以及延伸率分別為33%、14.5%；T8態(tài)合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷面收縮率以及延伸率分別是：602MPa、560MPa、24.5%、9.5%。雖然T8態(tài)合金的抗拉強(qiáng)度中比T6態(tài)合金高，但是T6態(tài)合金的延伸率比T8態(tài)要好。猜測這是因為T8處理過程中引入了預(yù)變形，預(yù)變形會出現(xiàn)大量位錯，而位錯是通過攀移、滑移等形式存在，會形成位錯網(wǎng)絡(luò)和纏結(jié)，改變合金的亞結(jié)構(gòu)，為析出相提供優(yōu)越的形核位點，促進(jìn)析出強(qiáng)化，提高合金的強(qiáng)度。但7%預(yù)變形量使得位錯密度比較高，促進(jìn)析出相大量形核，使得在析出前期就消耗掉大量Cu和Li元素，導(dǎo)致析出后期這兩種元素不足，從而析出短小的T1相，而T1相是硬質(zhì)脆性相，分散共面滑移的效果不明顯，不利于塑性的改善，因此T8態(tài)合金塑性較差[14]。

圖2 T8/T6態(tài)2195鋁鋰合金的力學(xué)性能

3.2 熱處理工藝對2195鋁鋰合金組織的影響

3.2.1 均勻化退火

圖3為2195合金均勻化（490℃/40h）前后的金相組織圖。從圖3a～圖3d中可以看出，鑄錠頭部組織呈明顯的樹枝晶特征且尺寸較大，呈連續(xù)而密集的枝晶網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，尾部的樹枝晶尺寸較小，這是由于尾部合金溫度梯度較低，冷卻速度較小造成的。鑄錠心部的樹枝晶要比邊部尺寸大，是由于在澆注凝固過程中，心部溫度梯度小，冷卻速度小造成的。此外，從高倍金相圖中看出，合金中存在大量的結(jié)晶相和組織成分偏析，晶界上富集著許多非平衡共晶體和其他非平衡相?？梢詮膬煞矫鎭斫忉尵Ы绺浇植嫉倪@些第二相。一方面，鑄態(tài)合金晶界附近上Cu元素的偏析降低了鋁合金的層錯能，為其析出提供了有利條件。另一方面，從凝固理論上看，溶質(zhì)原子（＜1）被排斥并聚集到固液界面前面，而Cu原子（Cu=0.17）在晶界偏析，容易形成粗大含Cu相，這些相會大量消耗Cu含量，不利于遠(yuǎn)離晶界的二次相的形核和生長[15]。對比鑄態(tài)和均勻化退火態(tài)2195合金的金相組織可以看出，合金經(jīng)490℃/40h均勻化處理后，枝晶網(wǎng)絡(luò)狀組織大量減少，晶界變得清晰平直，晶界和晶內(nèi)共晶相數(shù)量減少，說明合金均勻化效果明顯。而且晶界析出相由鑄態(tài)的連續(xù)分布變得離散，晶界變細(xì)薄，這說明了鑄態(tài)沿晶界可溶共晶相回溶至基體。

圖3 2195不同狀態(tài)合金在不同位置的金相圖

3.2.2 T6/T8熱處理

圖4為T6/T8態(tài)的2195鋁鋰合金鍛板不同方向截面的金相組織圖。從圖中可以看出，T6和T8態(tài)合金組織中均存在被拉長的纖維組織、帶狀組織和被擠碎的粗大第二相，其中第二相沿主變形方向聚集分布；T8態(tài)合金的金相組織較T6態(tài)纖維組織較細(xì)長、密集。對比兩種狀態(tài)的金相組織可猜測對材料強(qiáng)度起決定性作用的是析出強(qiáng)化相的特征，需要對其進(jìn)行掃描和透射分析。

圖4 2195合金鍛板經(jīng)T6、T8熱處理后不同方向截面的金相圖

4 結(jié)束語

a. 利用真空感應(yīng)爐成功熔煉出了較高純凈度的2195鋁鋰合金，再經(jīng)鍛造得到鍛板，鍛板經(jīng)過均勻化（490℃/40h）、固溶（510℃/2h）、7%預(yù)變形以及時效（160℃/20h）后，合金的抗拉強(qiáng)度達(dá)到602KPa，延伸率9.5%。

b. 均勻化處理后，原始鑄態(tài)組織中的宏觀枝晶網(wǎng)絡(luò)狀組織大量減少，晶界變得清晰平直，晶界和晶內(nèi)共晶相數(shù)量減少。

c. T6或T8處理后，合金的硬度值翻倍，其組織中存在被拉長的纖維組織、帶狀組織和被擠碎的粗大第二相以及再結(jié)晶晶粒，但是T8態(tài)合金由于引入了預(yù)變形，增加了強(qiáng)化效果，其強(qiáng)度比T6態(tài)高。

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Effect of Heat Treatment on Microstructure and Properties of 2195 Al-Li Alloy

Hu Limin Zhang Shuai Cheng Tao Li Aiwen Wang Haijun

(Guizhou Aerosace Xinli Technogy Co., Ltd., Guizhou 563003)

Al-Li alloy is widely used in aerospace field as a stressed structure due to its high specific strength, high corrosion resistance and fatigue resistance. In this paper, the manufacturing process of 2195 Al-Li alloy is systematically studied, and the forging plate with superior performance is successfully prepared, which provides theoretical basis for its industrial production. The effects of different heat treatments on the microstructure and properties of 2195 Al-Li alloy were investigated by means of metallographic microscope, hardness tester and tensile machine. The tensile test shows that the tensile strength of the forged sheet is up to 602MPa and the elongation is 9.5%.

Al-Li alloy；heat treatment；organizations；performance

TG156.9

A

航天用高純高均質(zhì)鋁鋰合金鑄錠熔煉制備技術(shù)研究（120000820）。

胡麗敏（1993），碩士，材料科學(xué)與工程專業(yè)；研究方向：新材料制備加工技術(shù)研發(fā)。

2021-11-16