時效工藝對2124鋁合金厚板組織與性能的影響

臧金鑫，陳軍洲，伊琳娜，汝繼剛

(1中國航發北京航空材料研究院，北京 100095；2北京市先進鋁合金材料及應用工程技術研究中心，北京 100095)

2124鋁合金是在傳統2024鋁合金基礎上，降低鐵、硅等雜質含量發展起來的Al-Cu-Mg系高純、高強、高韌型鋁合金。該合金不僅保持了2024鋁合金的強度，而且具有較好的斷裂韌度和疲勞性能。該合金T851狀態具有較高的強度、抗腐蝕性能，特別適用于中溫下對強度和穩定性有要求的部位，用于整體制造、大截面的飛機主承力結構件及受壓承力構件[1-3]。該合金研制成功后很快成為西方戰機和空客A320、波音737/747等民用飛機的主體結構用材[4-7]。目前仍廣泛應用于美國的第四代F-22，F-35戰機的主體結構件，并在未來軍用及民用飛機上有著廣闊的應用前景。

隨著武器裝備越來越高的減重需求，機身主承力框、梁、接頭等主承力結構趨向整體制造，2124鋁合金板材厚度規格也不斷擴展，目前國外成熟應用的2124板材規格厚度達152mm，國內針對2124鋁合金板材制備工藝也開展了廣泛的研究。如潘清林等[8-11]對2124鋁合金的制備工藝進行了系統的研究，探討了鑄錠的均勻化工藝及其過程中的組織演變，熱變形工藝參數及熱變形過程的組織演化，時效過程微觀組織與腐蝕性能的關系等。隨著國內冶金廠設備條件的改善，國內研制的板材規格也不斷擴展，目前最大已達155mm，達到國際先進水平。針對板材規格擴展，國內也進行了大量的研究[12-16]，重點針對合金的淬透性，超厚板的時效工藝、組織與性能的關系，加工變形控制等，但上述研究重點關注2124超厚板材的縱向及橫向性能，對高向性能研究較少。隨著板材厚度規格的擴展和整體制造技術的發展，板材高向作為主承力方向，其高向性能水平與板材的應用緊密相關，本工作針對國產155mm厚2124鋁合金預拉伸板材進行時效工藝研究，重點研究時效制度對高向拉伸性能及組織的影響，旨在為該合金的工業化生產和應用提供一定的參考。

1 實驗材料與方法

實驗材料采用西南鋁業公司生產的155mm規格2124鋁合金厚板，合金成分如表1所示，試樣原始狀態為T351狀態(固溶后自然時效96h)，研究的T851時效工藝參數為：時效溫度170～180℃，時效時間0～20h。所有拉伸試樣沿高向在板材同一寬度處取樣，拉伸試樣毛坯尺寸為20mm×20mm×120mm。時效處理在循環鼓風干燥箱中進行，爐溫精度為±2℃。

室溫拉伸實驗在Instron 5887電子萬能試驗機上進行，實驗過程按國家標準GB/T 228.1-2010進行。利用MTP-1雙噴電解減薄儀制備透射電鏡試樣，電解液為硝酸∶甲醇=1∶3(體積比)。組織觀察在JEM-2000FX型透射電鏡上進行。采用JSM 5600LV掃描電鏡進行斷口形貌觀察，加速電壓為20kV。

2 結果與分析

2.1 不同時效工藝下合金的力學性能

圖1為不同時效工藝處理后試樣的力學性能。可以看出，合金具有顯著的時效硬化特性，在不同的時效制度下，隨著時效時間的延長，合金的強度逐漸升高而后趨于穩定，隨著時效時間的延長，伸長率下降明顯。對比不同溫度下的時效曲線可以看出，隨著時效溫度的升高，合金達到強度峰值的時間縮短，強化速率加快。綜合考慮強度和伸長率，適宜的時效制度為175℃保溫10h，在此條件下，合金高向的屈服強度，抗拉強度和伸長率分別為372，422MPa，2.9%。

圖1 不同時效工藝處理后2124鋁合金試樣的拉伸性能(a)T=170℃;(b)T=175℃;(c)T=180℃Fig.1 Tensile properties of 2124 aluminum alloy sampleafter different ageing processes(a)T=170℃;(b)T=175℃;(c)T=180℃

2.2 不同時效制度下合金的組織特征

2.2.1 顯微組織

圖2為2124鋁合金175℃時效10h時沿[100]Al方向的顯微組織。從圖2(a)可以看出，合金基體中均勻地分布著針狀的S′相以及棒狀形態的彌散T相(Al20Cu2Mn3)。圖2(b)為基體GPB區的高分辨圖像，白色方框區域的FFT圖，消光點{110}Al處形成明銳的衍射斑點表明其為GPB區。圖2(c)，(d)分別為S′相的變體1和變體4。從圖2可以看出，2124鋁合金經175℃時效10h后，主要強化相為S′相，基體中仍有少量GPB區存在以及少量的彌散T相。

圖3為不同時效制度下沿[100]Al方向的顯微組織。當時效時間為10h，時效溫度為170℃時(圖3(a))，

晶內析出相以均勻分布的針狀S′相為主，晶界處析出了細小的針狀S′相。隨著時效溫度升高到175℃(圖3(b))與180℃(圖3(c))時，晶內析出相數量明顯增加，析出相間距減小，S′相形貌仍以針狀為主，同時可以看出S′相在位錯上析出的襯度更加清晰；晶界平衡S′相的尺寸更加粗大，但是數量減少且析出相間距增大，此外可以觀察到晶界無沉淀析出帶寬度增大。

對比175℃條件下，時效不同時間的顯微組織(圖3(b)，(d))可以看出，時效時間從10h延長至14h，晶內針狀S′相的尺寸變大，析出相數量密度增加，同時S′相在位錯上析出并長大粗化，襯度越來越清晰；晶界處析出相形貌變化不大仍為短粗棒狀形態，其排列的斷續程度不斷增加，晶間析出相隨著時效時間延長發生輕微長大，其間距略有增大，此外晶界無沉淀析出帶的寬度變化不是很明顯。

圖2 2124鋁合金在175℃/10h下的TEM組織形貌(a)基體TEM像；(b)GPB區高分辨圖像；(c),(d) S′相Fig.2 TEM microstructure morphologies of 2124 aluminum alloy ageing at 175℃/10h(a)TEM image of matrix;(b)HRTEM image of GPB zone;(c),(d)S′ phase

2.2.2 掃描斷口觀察

圖4為不同時效制度下2124鋁合金的拉伸斷口形貌。可以看出，在不同的時效制度下，合金均呈現沿晶斷裂和韌窩斷裂的混合斷裂特征。從圖4(a)～(d)可以看出，時效10h時，隨著時效溫度的升高，斷口中韌窩特征逐漸降低，沿晶斷裂比例逐漸上升，合金伸長率下降。從圖4(c)的拉伸斷口放大圖可以看出，175℃時效10h時，斷口中存在不同尺寸的韌窩。其中尺寸較大的孔洞是在夾雜第二相顆粒處形核長大，為一次孔洞；尺寸小且淺的孔洞在彌散相處形核長大為二次孔洞。從圖4(b)，(e)，(f)可以看出，175℃時效不同時間時，隨著時效時間的延長，斷口中韌窩斷裂的比例逐漸降低，沿晶比例逐漸上升，合金伸長率逐漸下降。

2.3 時效制度對合金組織與性能的影響

2.3.1 時效制度對合金析出行為的影響

2124鋁合金在T351自然時效狀態下，主要的析出相為與基體共格的GPB區及少量的S′相。在后續的人工時效過程中，已有小于臨界尺寸的GPB區發生回溶，少量大于臨界尺寸的GPB區和S′相開始長大；新的S′相形核并不斷長大。

從熱力學角度來說，析出與長大需要一定的驅動力。析出相的析出和長大與時效溫度密切相關，時效溫度越高，析出相析出和長大的驅動力越大，析出相的形核析出越快，析出相密度越大，長大越明顯，析出相尺寸越大。這與圖3的觀察結果相符，在180℃時效10h時，S′相的密度和尺寸最大。175℃時效14h析出相的密度和尺寸明顯小于180℃時效10h，說明時效溫度是影響析出相析出和長大的主要因素。

2.3.2 時效制度對合金性能的影響

于時效強化的合金，其強化效果主要受基體析出相的體積分數、大小和分布影響，其強化主要取決于位錯與析出相質點間的相互作用。

在自然時效狀態下，合金晶內主要析出相為與基體共格的GPB區及少量的S′相，此時析出相尺寸較小，且自身強度較弱，析出相可變形，位錯主要以切過粒子的方式移動，因此T351狀態下合金強度較低。T851人工時效狀態時，合金晶內主要析出相為S′相，如圖3所示，析出相尺寸較大，與基體不共格，位錯無法切過它們，主要以繞過為主，變形機制從剪切轉變為Orowan機制，析出相對強度的貢獻與析出相的體積分數和析出相尺寸密切相關。在較高的時效溫度下，析出相密度迅速增大，因此，在人工時效初始階段，時效溫度越高，屈服強度增大越快。值得注意的是，在不同的時效溫度下，隨著時效溫度的升高和時效時間的延長，合金的屈服強度增大很快，而抗拉強度變化不大，這是因為屈服強度主要受析出相的影響，與析出相密度、尺寸、間距等密切相關；而抗拉強度除了受析出相的影響外，還與合金的塑性有很大的關系，本工作研究的合金在T851狀態時，塑性較低，基體與晶界處的強度差較大，合金來不及發生充分的塑性變形即發生斷裂，因此，不同時效制度下合金抗拉強度變化不大。

在時效熱處理過程中，2124鋁合金斷口形貌的變化主要可以從晶粒內部和晶界處強度的變化來考慮。晶粒內部和晶界處的強度是受基體析出相尺寸、間距和密度，晶界析出相尺寸以及晶界無沉淀析出帶寬度的影響。隨著時效溫度的升高或者時效時間的延長，晶粒內部S′相的尺寸變粗，析出相密度增加，基體強度增強。同時晶界析出相長大以及無沉淀析出帶的增寬使晶界弱化，如圖3所示。基體與晶界處的強度差越來越大，更容易在晶界處發生應力集中，并產生變形集中，促使沿晶開裂的發生。因此，合金在時效溫度升高或者時效時間延長后，拉伸斷口形貌中沿晶斷裂比例增加，合金的塑性下降。

3 結論

(1)綜合考慮合金的強度和伸長率，2124鋁合金板材適宜的T851時效制度為175℃保溫10h，此條件下合金高向的屈服強度，抗拉強度，伸長率分別為372，422MPa，2.9%。此時主要的強化相為S′相，含有少量的GPB區以及粗大的T相。

(2)隨著時效溫度的升高和時效時間的延長，合金的屈服強度迅速升高，時效溫度越高，強度上升越快，達到強度最大值的時間越短，時效溫度是影響合金析出相密度和尺寸的主要因素。

(3)隨著時效溫度的升高和時效時間的延長，合金的伸長率不斷降低。隨著時效程度的加深，晶內析出相密度不斷增加，基體強度增強，晶界析出相長大以及無沉淀析出帶不斷增寬使晶界弱化，基體與晶界處的強度差越來越大是導致伸長率降低的主要原因。