2050鋁鋰合金形變熱處理工藝

朱宏偉 陳永來 劉春立

（航天材料及工藝研究所，北京 100076）

文 摘 為獲得較優的2050 鋁鋰合金形變熱處理工藝，本文采用正交試驗和極差分析探究固溶溫度、預變形量、時效溫度與時效時間對合金力學性能和組織的影響。通過TEM、金相分析不同工藝下材料的微觀結構，探究其與力學性能間的影響關系。結果表明，固溶溫度525℃，預變形量12%，時效溫度160℃，時效時間48 h 的工藝參數能夠獲得較優綜合力學性能。

0 引言

鋁鋰合金作為航空航天飛行器件上應用廣泛的主要結構材料，擁有十分優異的性能優勢。新型鋁鋰合金密度低、比強度高、比剛度高、彈性模量高、腐蝕性能好、低溫和高溫性能優越、疲勞裂紋擴展速率低、超塑成型性能卓越，用其代替常規的高強度鋁合金可使結構質量減輕10%～20%，因此做為航空航天飛行器件上的主要結構材料是十分理想的[1-4]。

2050 鋁合金作為Al-Cu-Li 系熱處理可強化新型鋁鋰合金的代表，是在2098 鋁鋰合金的基礎上進行微量合金元素如Mn、Mg、Li 含量的調整，用于飛機機身壁板整體結構件，與被取代的7050 合金相比，密度降低4%，彈性模量提高5%，實現了5%的減重。作為未來戰神火箭的主要結構材料，2050 鋁鋰合金主要用于乘務艙部件框架、肋條、窗口[5]。2050 鋁鋰合金的主要強化相為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）過渡相轉化為與基體無共格關系的θ 相，則合金強度下降[6-8]。沉淀強化相的種類、數量、尺寸和形態分布對材料的性能有著顯著的影響。目前，對2050 鋁鋰合金熱處理工藝的研究有部分關于原材性能均勻化處理的研究，以及不同時效溫度的T8 態熱處理的研究。本文選擇固溶溫度、預變形量、時效溫度和時效時間參數，設計正交試驗[9-10]。并通過對這部分試驗結果的極差分析了解全面試驗的情況，得到各個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 鋁鋰合金力學性能的較優工藝參數組合。

1 實驗

1.1 材料

2050 鋁鋰合金板材。板材狀態為退火態，厚度8 mm，化學成分（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 實驗設計

試樣按照固溶、淬火、預變形、時效的順序進行處理。選擇時效時間（A）、固溶溫度（B）、時效溫度（C）、預變形量（D）四個工藝參數為正交試驗因素。考慮到時效時間的可選范圍較大，其他三個因素選擇3 水平，時效時間選擇6 水平進行試驗設計。固溶溫度（510、525、540℃）、預變形量（3%、7%、12%）、時效溫度（140、160、180℃） 以及時效時間（8、12、18、24、36、48h）。

1.3 測試分析

將熱處理后試樣通過萬能試驗機進行拉伸性能測試，測試標準為GB/T228.1--2010，獲得其抗拉強度、屈服強度和延伸率三項性能數據。通過光鏡DM4000M 對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 結果與分析

2.1 正交試驗

表1為2050 鋁鋰合金正交試驗設計正交表L18（6×33）。表1中不同熱處理制度下2050 鋁鋰合金的力學性能數據有較大差異，屈服強度最低小于300 MPa，最高達到570 MPa；抗拉強度最低接近400 MPa，最高接近590 MPa；延伸率均高于10%，最大延伸率可達24%

表1 L18(6×33）正交試驗設計及力學性能Tab.1 Values of orthogonal design and mechanical property

2.2 極差分析及性能變化規律

表2為2050 鋁鋰合金力學性能極差分析表。考慮到2050 鋁鋰合金主要應用于航天器上的結構件，要求性能在保證一定延伸率的前提下，屈服強度和抗拉強度的期望是取得相對最大值，因而在因素主次選擇上應優先考慮屈服強度、抗拉強度由大及小，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效溫度、時效時間、預變形量、固溶溫度。

圖1為2050 鋁鋰合金力學性能隨不同工藝參數的變化。圖1（a）為材料屈服強度、抗拉強度、延伸率隨時效時間的變化曲線。可見:（1） 時效時間從8～18 h，合金的屈服強度、抗拉強度不斷提高；18～24 h，材料強度有明顯下降； 24～48 h，材料強度繼續提高。（2） 材料延伸率隨著時效時間的變化規律與材料強度相對應，在18 h 處出現極小值；之后到24 h，有所上升；時效時間繼續延長，材料延伸率逐漸降低。

圖1（b）為材料屈服強度、抗拉強度、延伸率隨固溶溫度的變化曲線。由圖可見:（1） 固溶溫度在525℃時材料的屈服強度、抗拉強度比固溶溫度在510 和540℃時高。但整體來看，材料強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律與材料強度相對應，在525℃處出現極小值。

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

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

圖1（c）為材料屈服強度、抗拉強度、延伸率隨時效溫度的變化曲線。由圖可見:（1） 時效溫度在160℃時材料的屈服強度、抗拉強度達到極大值。與圖2相比，時效溫度的變化對材料強度的影響比固溶溫度變化的影響要更為顯著。（2） 材料延伸率隨著時效溫度的變化規律與材料強度相對應，時效溫度160℃時延伸率出現極小值。

圖1（d）為材料屈服強度、抗拉強度、延伸率隨預變形量的變化曲線。可見:（1） 隨著預變形量的增加，材料的屈服強度、抗拉強度逐漸增加；（2） 材料預變形量的增加會導致延伸率的降低。材料的延伸率均在10%以上，工藝參數的選擇考慮屈服強度、抗拉強度即可。綜合考慮制定熱處理工藝為時效時間48 h、固溶溫度525℃、時效溫度160℃、預變形量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行金相顯微鏡觀察，分別對應圖2（a）（b）（c）。圖2（b）（c）兩圖，預變形量均為7%的工藝，晶粒尺寸無明顯變化，但圖2（b）圖材料強度性能高于圖2（c）圖，推測是由于時效時間的延長，使析出相析出更加充分，從而使材料的強度得到提高。對比圖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）中粗大晶粒尺寸達到長約180 μm，寬約40 μm，而圖2（a）中晶粒平均尺寸約長20 μm，寬10 μm，細化效果顯著。在工藝方面，圖2（a）工藝為預變形量為12%，高于圖2（b）（c）工藝的7%，可見預變形量對晶粒尺寸有著重要影響，結合表2，圖2（a）對應材料強度也高于圖2（b）（c）。這是由于預變形量的增大，促進了T1相的形核，從而起到細化晶粒，提高強度的作用。

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[112]衍射花樣。可以看出，兩種工藝均析出較多T1相。暗場像中，圖3（a）中T1相短而粗，圖3（b）中T1相長而細，且分布較為均勻。均勻分布的較細T1相能有效提高合金的強度，但T1相的長度的增加會使材料的延伸率降低。結合表2、表3進行分析，圖3（a）對應8＃試驗，圖3（b）對應9＃試驗。結合極差分析結果，在相同時效時間的前提下，圖3（a）工藝中的固溶溫度、預變形量參數選擇均優于圖3（b），圖3（b）的時效溫度參數優于圖3（a）工藝。性能方面，與圖3（a）相比，圖3（b）試樣強度提高約50 MPa，延伸率降低1.5%。圖4為2050 鋁鋰合金510℃固溶時透射電鏡下微觀組織照片。可見，固溶處理后合金內部并未出現相析出行為，得出析出相析出行為于時效階段進行，而析出相強化是2050 鋁鋰合金主要的強化方式。

通過圖3、圖4的微觀結構分析得出，時效溫度的變化影響材料的相析出行為，主要表現在影響T1相析出的數量、尺寸、分布等特征。其對材料強度影響的顯著性要比固溶溫度高，這與正交試驗極差分析的計算結果一致。

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 結論

（1）熱處理工藝:對材料屈服強度、抗拉強度和延伸率影響顯著性由大到小均為時效溫度、時效時間、預變形量、固溶溫度。

（2）通過極差分析，研究4 個參數及其水平的綜合主次關系，最終確定2050 鋁鋰合金較優熱處理工藝參數為固溶溫度為525℃，預變形量為12%，時效溫度為160℃，時效時間為48 h。