2A66鋁鋰合金時效行為的研究

高文理++曹亞雷++陸政 張顯峰++馮朝輝

摘要：通過DSC分析、硬度測試、拉伸測試、SEM和TEM檢測等手段，研究了2A66鋁鋰合金時效組織和性能的變化.研究結果表明：對于同一時效溫度，隨著時效時間的延長，強度出現峰值；時效溫度越高，出現峰值的時間越短.2A66鋁鋰合金最佳的峰值時效制度為165 ℃保溫64 h，此時合金獲得了良好的強塑性結合，硬度為146 HB，抗拉強度為526.5 MPa，屈服強度為448.9 MPa，延伸率為10.1%.165 ℃時效過程中合金的主要強化相為δ'，θ'和T1相，時效初期合金的主要強化來源為GP區、δ'和θ'相，峰值時效時合金的主要強化相為θ'和T1相.

關鍵詞：時效；顯微組織；力學性能；2A66鋁鋰合金

中圖分類號：TG146.21 文獻標識碼：A

近年來航空航天工業的迅猛發展對材料提出了更高的要求，為了進一步提高飛行器的性能，降低自重和節約能源，以降低費用，研究和開發具有重量輕、高比強、耐腐蝕性良好的新型金屬材料成為當務之急.鋁鋰合金作為一種新型的鋁合金材料被開發出來，它具有低密度、高彈性模量、高強度和優良的綜合機械性能.鋰是自然界中密度最小的金屬元素，在Al基體中每添加1%的Li，鋁合金的彈性模量會提高6%，比彈性模量會增加9%，質量也會減少3%，其抗拉強度與2024，7075等鋁合金相當[1-2].鋁鋰合金的生產工藝同普通鋁合金沒有原則性的差別，且與碳纖維增強等復合材料相比，它的成形、維修等都比較方便，其成本也遠遠低于復合材料，被認為是21世紀最有競爭力的航空航天材料之一[3-5].

工業用鋁鋰合金通常采取T6和T8兩種熱處理工藝，由于時效前的預變形可以增加鋁合金中的位錯密度，促進了θ'和T1等富銅相的形核與析出，使得鋁鋰合金的T8態往往比T6態具有更好的強塑性配比.然而，對于一些形狀復雜的構件，不可進行預變形[6]，T6狀態下的鋁鋰合金面臨著強度和塑性的匹配問題.2A66鋁鋰合金是我國自主研發的AlCuLi系脫溶強化型鋁合金，強度高、塑性好，具有良好的加工性能，在航空航天領域具有良好的應用前景.本文主要研究了T6狀態下2A66鋁鋰合金的顯微組織和力學性能，并討論了時效過程中組織與性能的關系，旨在為該合金在航空航天領域中的應用提供理論依據.

1實驗方法

實驗用料為北京航空材料研究院提供的AlCuLiX系鋁鋰合金2A66，其成分如表1所示.合金熔煉和精煉后經半連續鑄造制得圓錠，鑄錠經過均勻化退火、開坯、熱軋、冷軋等工序后得到2 mm厚板材.

2A66鋁鋰合金的熱處理工藝確定為固溶+時效.固溶處理在SX2410型箱式電阻爐中進行，并于溫度低于20 ℃的清水中水淬，淬火轉移時間≤5 s；時效處理在DHG9145A型電熱鼓風干燥箱中進行，溫度誤差為±2 ℃，取樣后空冷.隨后在HBRVU187.5型布洛維光學硬度計上進行布氏硬度測試，加載載荷為612.9 N，保荷時間為30 s，每個試樣測試5個點并取其平均值作為測量值.在Instron3369電子萬能試驗機上進行室溫拉伸性能測試，拉伸速度為1 mm/min，拉伸試樣斷口形貌在Quanta 200型環境掃描電子顯微鏡（SEM）上進行觀察.DSC分析在STA449C型熱分析儀上進行，采用Ar氣保護，升溫速率分別為5，10和15 ℃/min，升溫范圍為20～700 ℃.采用30%（V硝酸/V水）硝酸+70%（體積分數）甲醇混合溶液雙噴減薄制備TEM試樣，并在JEM3010高分辨透射電子顯微鏡上觀察顯微組織，電鏡加速電壓為200 kV.

2實驗結果

2.1DSC分析

圖1為軋制態2A66鋁鋰合金的DSC曲線.從圖1可以看出，合金在524.8，573.9，648.5 ℃出現了3個吸熱峰，其中前兩個峰對應于2A66合金中兩種非平衡低熔點共晶相的融化溫度，而648.5 ℃則對應于該合金的熔點.由此可以初步確定2A66鋁鋰合金的過燒溫度為525 ℃，固溶處理時不能超過此溫度，本實驗中固溶溫度定為520 ℃.

T/℃

2.2布氏硬度曲線

圖2為2A66鋁鋰合金520 ℃固溶時的時間硬度曲線圖.從圖中可以看出，隨著固溶時間的延長，2A66鋁鋰合金的硬度出現了先上升后下降的現象，于90 min時達到了峰值，峰值強度為75.3 HB.在固溶處理初期，隨著固溶時間的延長，殘留的第二相會不斷地溶入基體內，使得淬火后固溶體的過飽和度不斷增加，合金的強度也不斷增加并逐漸達到峰值；到了固溶處理后期，再結晶晶粒會進一步長大并出現粗化，使得合金的硬度值下降.綜上所述，本實驗選取520 ℃/90 min作為2A66鋁鋰合金的固溶處理制度.

圖3為經2A66鋁鋰合金520 ℃/90 min固溶處理后在不同溫度單級時效時硬度隨時效時間的變化曲線.時效溫度分別為145 ℃，165 ℃和185 ℃，與其對應的時效時間分別為0～120 h，0～86 h和0～36 h.從圖中可以看出，2A66鋁鋰合金具有比較明顯的時效強化作用，3種溫度下該合金的布氏硬度隨時效時間的變化規律比較相似，都存在欠時效、峰值時效和過時效3個階段，溫度越高達到峰值的時間越短.145 ℃低溫時效時，時效初期合金的硬度上升較為緩慢，時效60 h后硬度為132 HB，隨后合金硬度上升得更為緩慢，時效108 h硬度才達到138 HB，之后合金的硬度基本保持不變.165 ℃時效時，時效初始階段合金的硬度迅速上升，時效至12 h硬度已達到120 HB；隨后硬度上升變緩，時效至40 h硬度達到130 HB；之后隨著時效時間的延長合金的硬度值繼續緩慢上升，時效64 h后達到峰值，峰值硬度達到146 HB；繼續時效將會進入過時效狀態，合金硬度開始緩慢下降.時效溫度提高到185 ℃后，合金的初始硬化速率明顯加快，18 h便達到峰值時效，峰值硬度為150 HB，隨后就進入了過時效階段.