2050鋁鋰合金形變熱處理工藝

朱宏偉 陳永來(lái) 劉春立

（航天材料及工藝研究所，北京 100076）

文 摘 為獲得較優(yōu)的2050 鋁鋰合金形變熱處理工藝，本文采用正交試驗(yàn)和極差分析探究固溶溫度、預(yù)變形量、時(shí)效溫度與時(shí)效時(shí)間對(duì)合金力學(xué)性能和組織的影響。通過(guò)TEM、金相分析不同工藝下材料的微觀結(jié)構(gòu)，探究其與力學(xué)性能間的影響關(guān)系。結(jié)果表明，固溶溫度525℃，預(yù)變形量12%，時(shí)效溫度160℃，時(shí)效時(shí)間48 h 的工藝參數(shù)能夠獲得較優(yōu)綜合力學(xué)性能。

0 引言

鋁鋰合金作為航空航天飛行器件上應(yīng)用廣泛的主要結(jié)構(gòu)材料，擁有十分優(yōu)異的性能優(yōu)勢(shì)。新型鋁鋰合金密度低、比強(qiáng)度高、比剛度高、彈性模量高、腐蝕性能好、低溫和高溫性能優(yōu)越、疲勞裂紋擴(kuò)展速率低、超塑成型性能卓越，用其代替常規(guī)的高強(qiáng)度鋁合金可使結(jié)構(gòu)質(zhì)量減輕10%～20%，因此做為航空航天飛行器件上的主要結(jié)構(gòu)材料是十分理想的[1-4]。

2050 鋁合金作為Al-Cu-Li 系熱處理可強(qiáng)化新型鋁鋰合金的代表，是在2098 鋁鋰合金的基礎(chǔ)上進(jìn)行微量合金元素如Mn、Mg、Li 含量的調(diào)整，用于飛機(jī)機(jī)身壁板整體結(jié)構(gòu)件，與被取代的7050 合金相比，密度降低4%，彈性模量提高5%，實(shí)現(xiàn)了5%的減重。作為未來(lái)戰(zhàn)神火箭的主要結(jié)構(gòu)材料，2050 鋁鋰合金主要用于乘務(wù)艙部件框架、肋條、窗口[5]。2050 鋁鋰合金的主要強(qiáng)化相為θ’（Al2Cu）和T1相。T1相能夠有效的抑制δ’ （Al3Li）相共面滑移從而引起的性能各向異性。θ’（Al2Cu）過(guò)渡相轉(zhuǎn)化為與基體無(wú)共格關(guān)系的θ 相，則合金強(qiáng)度下降[6-8]。沉淀強(qiáng)化相的種類、數(shù)量、尺寸和形態(tài)分布對(duì)材料的性能有著顯著的影響。目前，對(duì)2050 鋁鋰合金熱處理工藝的研究有部分關(guān)于原材性能均勻化處理的研究，以及不同時(shí)效溫度的T8 態(tài)熱處理的研究。本文選擇固溶溫度、預(yù)變形量、時(shí)效溫度和時(shí)效時(shí)間參數(shù)，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)[9-10]。并通過(guò)對(duì)這部分試驗(yàn)結(jié)果的極差分析了解全面試驗(yàn)的情況，得到各個(gè)因素的敏感性影響程度以及各因素的最佳水平，最終確定獲得2050 鋁鋰合金力學(xué)性能的較優(yōu)工藝參數(shù)組合。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

2050 鋁鋰合金板材。板材狀態(tài)為退火態(tài)，厚度8 mm，化學(xué)成分（wt%）為3.2～3.9Cu、0.7～1.3Li、0.2～0.6Mg、0.2～0.7Ag、0.2～0.5Mn、0.06～0.14Zr、0.25 Zn、0.1Ti。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

試樣按照固溶、淬火、預(yù)變形、時(shí)效的順序進(jìn)行處理。選擇時(shí)效時(shí)間（A）、固溶溫度（B）、時(shí)效溫度（C）、預(yù)變形量（D）四個(gè)工藝參數(shù)為正交試驗(yàn)因素。考慮到時(shí)效時(shí)間的可選范圍較大，其他三個(gè)因素選擇3 水平，時(shí)效時(shí)間選擇6 水平進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)。固溶溫度（510、525、540℃）、預(yù)變形量（3%、7%、12%）、時(shí)效溫度（140、160、180℃） 以及時(shí)效時(shí)間（8、12、18、24、36、48h）。

1.3 測(cè)試分析

將熱處理后試樣通過(guò)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸性能測(cè)試，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為GB/T228.1--2010，獲得其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率三項(xiàng)性能數(shù)據(jù)。通過(guò)光鏡DM4000M 對(duì)部分試樣拍攝金相顯微照片，觀察分析其晶粒組織。在Tecnai G20ST 透射電子顯微鏡上觀察微觀組織，加速電壓為200 kV。

2 結(jié)果與分析

2.1 正交試驗(yàn)

表1為2050 鋁鋰合金正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)正交表L18（6×33）。表1中不同熱處理制度下2050 鋁鋰合金的力學(xué)性能數(shù)據(jù)有較大差異，屈服強(qiáng)度最低小于300 MPa，最高達(dá)到570 MPa；抗拉強(qiáng)度最低接近400 MPa，最高接近590 MPa；延伸率均高于10%，最大延伸率可達(dá)24%

表1 L18(6×33）正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及力學(xué)性能Tab.1 Values of orthogonal design and mechanical property

2.2 極差分析及性能變化規(guī)律

表2為2050 鋁鋰合金力學(xué)性能極差分析表。考慮到2050 鋁鋰合金主要應(yīng)用于航天器上的結(jié)構(gòu)件，要求性能在保證一定延伸率的前提下，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的期望是取得相對(duì)最大值，因而在因素主次選擇上應(yīng)優(yōu)先考慮屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度由大及小，再考慮延伸率由大及小。

從表2中的極差分析可以看出，影響顯著性從大到小依次為時(shí)效溫度、時(shí)效時(shí)間、預(yù)變形量、固溶溫度。

圖1為2050 鋁鋰合金力學(xué)性能隨不同工藝參數(shù)的變化。圖1（a）為材料屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率隨時(shí)效時(shí)間的變化曲線。可見:（1） 時(shí)效時(shí)間從8～18 h，合金的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度不斷提高；18～24 h，材料強(qiáng)度有明顯下降； 24～48 h，材料強(qiáng)度繼續(xù)提高。（2） 材料延伸率隨著時(shí)效時(shí)間的變化規(guī)律與材料強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)，在18 h 處出現(xiàn)極小值；之后到24 h，有所上升；時(shí)效時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng)，材料延伸率逐漸降低。

圖1（b）為材料屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率隨固溶溫度的變化曲線。由圖可見:（1） 固溶溫度在525℃時(shí)材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度比固溶溫度在510 和540℃時(shí)高。但整體來(lái)看，材料強(qiáng)度受固溶溫度的影響并不大。（2） 材料延伸率隨著固溶溫度的變化規(guī)律與材料強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)，在525℃處出現(xiàn)極小值。

表2 2050 鋁鋰合金力學(xué)性能極差分析Tab.2 Range analysis on mechanical properties of 2050 Al-Li alloy

圖1 2050 鋁鋰合金力學(xué)性能隨工藝參數(shù)的變化曲線Fig.1 Change of mechanical properties of 2050 Al-Li alloy versus technological parameter

圖1（c）為材料屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率隨時(shí)效溫度的變化曲線。由圖可見:（1） 時(shí)效溫度在160℃時(shí)材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度達(dá)到極大值。與圖2相比，時(shí)效溫度的變化對(duì)材料強(qiáng)度的影響比固溶溫度變化的影響要更為顯著。（2） 材料延伸率隨著時(shí)效溫度的變化規(guī)律與材料強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)，時(shí)效溫度160℃時(shí)延伸率出現(xiàn)極小值。

圖1（d）為材料屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率隨預(yù)變形量的變化曲線。可見:（1） 隨著預(yù)變形量的增加，材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度逐漸增加；（2） 材料預(yù)變形量的增加會(huì)導(dǎo)致延伸率的降低。材料的延伸率均在10%以上，工藝參數(shù)的選擇考慮屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度即可。綜合考慮制定熱處理工藝為時(shí)效時(shí)間48 h、固溶溫度525℃、時(shí)效溫度160℃、預(yù)變形量12%。

圖2為2050 鋁鋰合金在不同熱處理制度下的形貌照片。選取表一中12＃、15＃和6＃三組不同工藝處理的試樣進(jìn)行金相顯微鏡觀察，分別對(duì)應(yīng)圖2（a）（b）（c）。圖2（b）（c）兩圖，預(yù)變形量均為7%的工藝，晶粒尺寸無(wú)明顯變化，但圖2（b）圖材料強(qiáng)度性能高于圖2（c）圖，推測(cè)是由于時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，使析出相析出更加充分，從而使材料的強(qiáng)度得到提高。對(duì)比圖2（a）（b）和圖2（a）（c）兩組圖，晶粒尺寸有較大變化，圖2（b）、圖2（c）中粗大晶粒尺寸達(dá)到長(zhǎng)約180 μm，寬約40 μm，而圖2（a）中晶粒平均尺寸約長(zhǎng)20 μm，寬10 μm，細(xì)化效果顯著。在工藝方面，圖2（a）工藝為預(yù)變形量為12%，高于圖2（b）（c）工藝的7%，可見預(yù)變形量對(duì)晶粒尺寸有著重要影響，結(jié)合表2，圖2（a）對(duì)應(yīng)材料強(qiáng)度也高于圖2（b）（c）。這是由于預(yù)變形量的增大，促進(jìn)了T1相的形核，從而起到細(xì)化晶粒，提高強(qiáng)度的作用。

圖2 2050 鋁鋰合金在不同熱處理制度下的形貌照片（固溶溫度為540℃）Fig.2 Morphology pictures of 2050 Al-Li alloy under different heat treatments（solution temperature is 540℃）

2.3 TEM 分析

圖3 2050 鋁鋰合金在不同熱處理制度下的衍射斑及TEM 暗場(chǎng)像Fig.3 Dark field TEM images of 2050 Al-Li alloy after different heat treatments

圖3為兩組不同工藝下合金析出相的TEM 和選區(qū)[112]衍射花樣。可以看出，兩種工藝均析出較多T1相。暗場(chǎng)像中，圖3（a）中T1相短而粗，圖3（b）中T1相長(zhǎng)而細(xì)，且分布較為均勻。均勻分布的較細(xì)T1相能有效提高合金的強(qiáng)度，但T1相的長(zhǎng)度的增加會(huì)使材料的延伸率降低。結(jié)合表2、表3進(jìn)行分析，圖3（a）對(duì)應(yīng)8＃試驗(yàn)，圖3（b）對(duì)應(yīng)9＃試驗(yàn)。結(jié)合極差分析結(jié)果，在相同時(shí)效時(shí)間的前提下，圖3（a）工藝中的固溶溫度、預(yù)變形量參數(shù)選擇均優(yōu)于圖3（b），圖3（b）的時(shí)效溫度參數(shù)優(yōu)于圖3（a）工藝。性能方面，與圖3（a）相比，圖3（b）試樣強(qiáng)度提高約50 MPa，延伸率降低1.5%。圖4為2050 鋁鋰合金510℃固溶時(shí)透射電鏡下微觀組織照片。可見，固溶處理后合金內(nèi)部并未出現(xiàn)相析出行為，得出析出相析出行為于時(shí)效階段進(jìn)行，而析出相強(qiáng)化是2050 鋁鋰合金主要的強(qiáng)化方式。

通過(guò)圖3、圖4的微觀結(jié)構(gòu)分析得出，時(shí)效溫度的變化影響材料的相析出行為，主要表現(xiàn)在影響T1相析出的數(shù)量、尺寸、分布等特征。其對(duì)材料強(qiáng)度影響的顯著性要比固溶溫度高，這與正交試驗(yàn)極差分析的計(jì)算結(jié)果一致。

圖4 510℃固溶處理后2050 鋁鋰合金TEM 圖像Fig.4 TEM images of the 2050 Al-Li alloy after solid solution at 510℃

3 結(jié)論

（1）熱處理工藝:對(duì)材料屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率影響顯著性由大到小均為時(shí)效溫度、時(shí)效時(shí)間、預(yù)變形量、固溶溫度。

（2）通過(guò)極差分析，研究4 個(gè)參數(shù)及其水平的綜合主次關(guān)系，最終確定2050 鋁鋰合金較優(yōu)熱處理工藝參數(shù)為固溶溫度為525℃，預(yù)變形量為12%，時(shí)效溫度為160℃，時(shí)效時(shí)間為48 h。