預拉伸處理對2A97薄板組織和性能的影響

于　娟，　陸　政，　李國愛，　馮朝輝

(北京航空材料研究院 北京市先進鋁合金材料及應用工程技術研究中心， 北京 100095)

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預拉伸處理對2A97薄板組織和性能的影響

于娟，陸政，李國愛，馮朝輝

(北京航空材料研究院 北京市先進鋁合金材料及應用工程技術研究中心， 北京 100095)

通過室溫拉伸、腐蝕試驗、TEM等手段，研究人工時效前預拉伸處理對2A97鋁鋰合金組織和性能的影響。結果表明：在相同時效工藝下，經3%的預拉伸變形后，2A97合金的強度和耐蝕性能都有較大提高，其中抗拉強度提高了32 MPa，晶間腐蝕等級變為點蝕等級；預拉伸處理促進了時效過程中T1相在晶內的均勻彌散析出，降低了δ′相的含量，抑制了晶界平衡相的析出，從而改善了合金的強度和耐蝕性能。

2A97鋁鋰合金；預拉伸；析出相；拉伸性能；晶間腐蝕

2A97鋁鋰合金是我國自主研發的Al-Cu-Li系可時效強化型鋁合金，合金化程度高，強度高，具有良好的綜合性能，已經成為航空航天的重要材料之一[1]。Cassada和Noble 等研究認為，時效前增加預變形，可以改變主要強化相 T1(Al2CuLi)和δ′(Al3Li)的競爭析出動力學，促進 T1相析出并使之細化[2-3]。對固溶處理后的Al-Li合金在時效前進行適當冷變形，可在合金中形成密布的位錯或位錯纏結，成為 T1相非均勻形核的位置，從而使時效過程中析出的第二相微粒更為彌散均勻分布，增大位錯不能切割的沉淀相的體積分數，減小合金的共面滑移及晶界應力集中，并減小無沉淀析出帶寬度，改善合金的綜合力學性能[4-9]。Kumai等發現鋁鋰合金腐蝕行為主要和T1相有關，腐蝕時T1相為陰極相，而晶界和亞晶界邊緣的貧Cu無沉淀帶為陽極相，晶間腐蝕和亞晶間腐蝕是由于貧Cu無沉淀帶的溶解造成的[10]。時效前進行預變形，導致基體內位錯的大量形成，促進T1相大量而均勻形核，阻礙了貧Cu無沉淀帶的形成，因而減少了晶界腐蝕和亞晶界腐蝕。預拉伸處理可以改變合金時效析出物的類型和分布，不僅可以改善合金的力學性能，對合金的耐腐蝕性能也有顯著影響。我國對鋁鋰合金的研究與世界先進水平還有較大的差距，對Al-Cu-Li系鋁鋰合金力學性能和腐蝕性能的綜合分析也相對較少。本工作研究2A97鋁鋰合金在時效前經預拉伸變形和未經變形的合金組織和性能的影響關系，為進一步改善合金的綜合性能奠定基礎。

1　實驗材料及方法

實驗材料為西南鋁業公司提供的工業化生產的1.2 mm厚度規格的2A97鋁鋰合金冷軋板材。板材經520 ℃/30 min固溶+室溫水淬處理后，其中一部分試樣立即進行3% 預拉伸變形，然后進行人工時效，另一部分直接進行人工時效處理。人工時效工藝為115 ℃/14 h+155 ℃/15 h。

時效處理后的試樣沿橫向(LT)方向取樣，在INSTRON型拉伸機上進行室溫拉伸實驗，應變速率為1 mm/min，實驗按HB5143—1996進行。透射電鏡分析在JEM-2000CX型電鏡上進行，加速電壓為160 KV。透射試樣在雙噴電解儀上進行雙噴剪薄，雙噴時工作溫度為-20° C，工作電壓為20～25 V，電流為90～100 mA。

合金晶間腐蝕按照標準GB/T 7998—2005進行，以合金軋制表面為腐蝕面，依次經過砂紙打磨、拋光、丙酮除油、蒸餾水清洗，腐蝕介質選用57 g NaCl/L+10 ml H2O2/L腐蝕溶液，浸泡時間為6 h 。

2　結果與分析

2.1拉伸性能

表1是經過預拉伸和未經過預拉伸處理的試樣室溫拉伸性能。從表1可以看出，合金在115 ℃/14 h+155 ℃/15 h雙級時效處理前，經過3%預拉伸變形后的試樣抗拉強度和屈服強度都明顯高于未經預變形處理的，分別為568 MPa和500 MPa，伸長率為13.5%；抗拉強度比未經預變形處理的試樣高了32 MPa，而屈服強度高了79 MPa。

表1　不同預拉伸變形量對2A97合金力學性能的影響

2.2晶間腐蝕結果

圖1為不同預拉伸工藝處理后的晶間腐蝕形貌。可以看出，2種工藝處理后的合金晶間腐蝕形貌差距較大。經過預拉伸處理后的合金晶間腐蝕為點蝕，而沒有經過預拉伸處理的合金晶間腐蝕明顯，晶間腐蝕深度為96 μm。表明預拉伸處理明顯改善了合金的抗腐蝕性能，提高了合金的晶間腐蝕抗力。

2.3顯微組織

圖2為合金經不同預拉伸處理后的明場TEM照片和選區電子衍射(SAED)花樣。圖2(a)為時效前經過預拉伸變形時的透射顯微組織，電子束平行于基體<110>方向(見圖2(b))，合金經變形后析出大量細小彌散、分布均勻的T1相，δ′相含量較少；從衍射斑點上可以觀察到顯著的芒線，表明T1相呈條片狀沿<110>方向擴展，δ′相對應的衍射斑較暗，表明數量較少。圖2(c)為未經過預拉伸處理后合金的顯微組織，電子束平行于基體<110>方向(見圖2(d))，可以看出，T1相數量明顯減少，而且分布較不均勻，δ′相尺寸較大且數量較多，對應的衍射斑點較為明亮。

圖1　2A97合金不同預拉伸處理后的晶間腐蝕形貌　(a)3%預拉伸變形；(b)未經預拉伸變形Fig.1　Intergranular corrosion morphologies of 2A97 alloy after different pre-sretching processing(a)3% pre-stretching processing；(b)none pre-stretching processing

圖2　2A97合金不同預拉伸處理后的顯微組織與選區電子衍射譜　(a)3%預拉伸變形；(b)3%預拉伸變形的SAD花樣;(c)未經預拉伸變形；(d)未經預拉伸變形的SAD花樣Fig.2　TEM images and corresponding SAD patterns of 2A97 alloy after different pre-sretching processing(a)3% pre-sretching processing；(b)SAD patterns of 3% pre-sretching processing;(c)none pre-sretching processing；(d)SAD patterns of none pre-sretching processing

圖3為合金經不同預拉伸處理后的晶界微觀組織。由圖3可知，時效前經過預拉伸變形時，T1相在晶界析出細小、稀少，而未經預拉伸變形的合金晶界析出相粗大、連續。

圖3　2A97合金不同預拉伸處理后的晶界微觀組織　(a)3%預拉伸變形；(b)未徑預拉伸變形Fig.3　Microstructures around grain boundaries of 2A97 alloy after different pre-sretching processing(a)3% pre-strelching processing; (b) none pre-stretching processing

3　討論和分析

3.12A97鋁鋰合金力學性能

對于Al-Cu-Li系合金，影響其組織和性能的析出相主要有T1相、δ′相、θ′相等，根據合金成分和時效制度的不同，各種析出相的數量、尺寸和分布也存在較大差異[11]。由于δ′相和鋁基體高度共格，其界面能及共格應變能低，因此2A97鋁鋰合金在固溶淬火后直接進行時效時，δ′相優先在基體中均勻析出。T1相與鋁基體呈半共格關系，析出非常緩慢，T1相主要依靠在位錯、亞晶界等晶體缺陷處非均勻形核析出，以降低形成新相時的界面能。未經預拉伸狀態下，合金晶內位錯密度較低，T1相在晶內析出較少，主要沿晶界、亞晶界析出；因此，未經預拉伸處理的2A97合金主要析出相為δ′相，以及優先沿晶界、亞晶界析出的T1相，T1相的析出并不占主導地位，如圖2(c)，圖3(b)所示。

預拉伸處理后的合金基體組織以T1相為主，T1相更加細小彌散，體積分數更大，δ′相的數量有所減少。經過3%預拉伸處理之后的合金δ′相衍射強度變弱，表明δ′相數量下降。由于δ′相與基體間的共格應變能和界面能均較低，傾向于以均質形核的方式在基體內脫溶，因而δ′相的析出形態和數量不受預變形的影響[12]，Huang等研究表明δ′相的減少與T1相的生長有關[13]。預拉伸處理促進了時效過程中T1相大量析出，尺寸變得細小，分布變得均勻，時效過程中T1相的長大消耗了一定數量的δ′相，形成了以T1相為主的組織，T1相的強化效果高于δ′相，使合金強度顯著升高；但是T1相密排面和密排方向與基體方向平行，當T1相尺寸較小，數量較少時，由于晶體取向關系對分散共面滑移效果不大，對合金的強度和塑性影響不大[14]；當T1相數量較多，尺寸較大時，會對變形過程中的位錯滑移造成顯著的阻礙作用，提高了合金的強度，同時，降低了合金的塑性。因此，合金在經過預拉伸處理后人工時效時抗拉強度可以達到568 MPa，相比未經預拉伸處理的合金提高了32 MP，而伸長率卻下降了2.9%。

3.2腐蝕性能

合金中的第二相與周圍基體化學成分的差異使彼此電位不一致，電位高低不同的臨近區域構成原電池，在腐蝕介質中發生陽極溶解，導致合金產生局部腐蝕。鋁鋰合金典型的晶界特征常為連續分布的粗大析出相。通常鋁合金基體和析出相之間的電化學行為相差很大，腐蝕時析出相一般作為陽極，其周圍基體充當陰極，形成原電池，發生析出相的率先溶解，導致晶界比晶粒內部更易腐蝕。2A97鋁鋰合金時效時將在晶界、亞晶界及位錯處析出δ′相、T1相，這兩種相在腐蝕時都作為陽極存在[15]，因此，2A97鋁鋰合金的腐蝕過程主要與晶界析出相的分布密切相關。

時效前進行預變形，導致基體內位錯的大量形成，促進了Tl相在晶內大量而均勻形核，減小了Tl相在晶界亞晶界處的形核，如圖3(a)所示，減少了晶界腐蝕和亞晶界腐蝕[10]。此外，晶界析出相不連續且稀少，有效切斷了晶界連續腐蝕通路[16]，因此，經過預拉伸變形后人工時效的合金耐腐蝕性能更好。

4　結論

(1)2A97鋁鋰合金經過預拉伸處理后再時效，相比未經過預拉伸時效的合金，提高了力學性能和抗晶間腐蝕能力。其抗拉強度為568 MPa，提高了32 MPa;伸長率為13.5%;晶間腐蝕為點蝕。

(2)2A97鋁鋰合金經過3%的預拉伸處理后，主要析出相為T1相，T1相更加細小彌散，分布更加均勻，體積分數更大，δ′相的數量有所減少；未經預拉伸處理進行人工時效的合金，主要析出相是δ′相，以及優先沿晶界、亞晶界析出的T1相，T1相的析出并不占主導地位。

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(責任編輯：徐永祥)

Effect of Pre-sretching Processing on Microstructures and Properties of 2A97 Al-Li Alloy

YU Juan,LU Zheng,LI Guo′ai,FENG Zhaohui

(Beijing Engineering Research Center of Advanced Aluminum Alloys and Applications，Beijing Institute of Aeronautical Materials，Beijing 100095，China)

The effect of pre-sretching processing before artificial aging on the microstructures and properties of 2A97 Al-Li alloy was investigated by using tensile test，corrosion test and transmission electron microscope(TEM) observations. The results show that under the same aging process, the tensile strength and the corrosion property of 2A97 Al-Li alloy are greatly increased after 3% pre-sretching; the tensile strength increases 32 MPa, and intergranular corrosion level changes to pitting corrosion. The pre-sretching promotes the T1phase precipitation and makes its distribution more dispersive and homogeneous at matrix, reducing the content of the δ′phase, while the precipitation of equilibrium phase is restrained during the aging process, consequently improving the tensile strength and the corrosion property.

2A97 Al-Li alloy; pre-stretching; precipitated phase; tensile property; intergranular corrosion

2015-11-05；

2016-02-25

國家自然科學基金(51374187，51474195)

于娟(1988—)，女，碩士研究生，(E-mail) yuer1437@126.com。

10.11868/j.issn.1005-5053.2016.5.004

TG146.2

A

1005-5053(2016)05-0021-05