鋁鋰合金顯微組織特征及其對力學性能的影響

孫 達， 錢沙沙， 高 崇， 朱志雄， 單夢蝶， 蔡養川

（1. 天津理工大學 材料科學與工程學院， 天津 300384；2. 中鋁材料應用研究院有限公司， 北京 102200；3. 航天工程裝備（蘇州） 有限公司， 江蘇 蘇州 201100）

鋁鋰合金有相對優越的比強度和比模量性能，加之良好的抗疲勞和抗低溫性能， 滿足航空航天和低溫領域應用條件[1-3]。 鋁鋰合金研究始于20 世紀20 年代， 但第一代和第二代w（Li）為2%～3%的鋁鋰合金， 如1420、 2090 和8090， 耐腐蝕性差、 韌性不足和各向異性高， 因此未能得到商業應用[4-6]。 相比于前兩代鋁鋰合金， 20 世紀90 年代研發的第三代鋁鋰合金性能得到了極大改善， 這些合金中含有小于2%的Li 元素， 并添加少量合金元素（Cu、 Mg、 Zr、 Ag 和Mn 等）， 這使鋁基體中析出了如δ′ （Al3Li）、 θ′ （Al2Cu）、 S′ （Al2CuMg）和T1 （Al2CuLi） 析出相。 鋁鋰合金的力學性能由其顯微組織決定， 特別是析出相的種類、 尺寸、體積分數以及在晶粒內部和晶界的分布[7-8]。

第三代的鋁鋰合金2A97-T8、 2198-T8 和2060-T8 在化學成分上存在差異， 尤其是Li 和Cu元素[9-11]。 由于Cu/Li 比不同， 鋁鋰合金的固態析出順序也有所不同[12]， 定量評價3 種鋁鋰合金的析出相及其對力學性能的影響對該領域意義重大。 本研究應用光學顯微鏡和透射電子顯微鏡， 對3 種鋁鋰合金 （2A97-T8、 2198-T8、 2060-T8） 顯微組織進行定量評價， 并研究其對力學性能的影響。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

本研究中的3 種材料是厚度為1.8 mm 的2A97-T8、 2198-T8 和2060-T8 的鋁鋰板材成品，熱處理條件為T8 （固溶處理、 淬火、 預變形、 峰值時效）。 3 個鋁鋰合金樣品的化學成分見表1。

表1 3 種鋁鋰合金的化學成分

1.2 試驗方法

根據標準金相法對3 個試樣進行磨拋處理，并用Keller 腐 蝕劑 （2 mL HF＋3 mL HCl＋5 mL HNO3＋190 mL H2O） 蝕 刻15 s。 用Leica DM-4000 光學顯微鏡觀察顯微組織， 采用Image Pro- Plus 軟件測量晶粒尺寸。

從3 種鋁鋰合金靶區切取厚度為0.5 mm 的薄片， 研磨至厚度為60 μm。 在雙射流減薄前，從切片上穿孔直徑為3 mm 的薄箔。 采用25%的硝酸與75%甲醇混合溶液進行雙射流減薄。 雙射流減薄溫度為-35 ℃， 電壓為20 V， 電流為60～90 mA。 用JEM-2100 透射電鏡觀察析出相。

采用HXZ-1000 型硬度計進行硬度測試， 載荷200 g， 保壓時間10 s。 沿軋制方向或垂直于軋制方向制備拉伸試樣， 拉伸試驗在Instron-8801 儀器上進行， 行程速率6.7×10-3/s， 并記錄試樣的極限抗拉強度、 屈服強度和伸長率。 拉伸試樣斷口采用CS-3400 型掃描電子顯微鏡（SEM） 觀察。

2 試驗結果和討論

2.1 微觀結構

圖1 所示為3 種鋁鋰合金 （2A97、 2198 和2060） 的光學顯微照片， 圖2 給出ND （法向） 面和TD （橫向） 面對應晶粒尺寸。 由圖1 可看出，三種鋁鋰合金晶粒在ND 面呈多邊形， 在TD 面呈條狀。 2A97-T8 合金晶粒在ND 面平均直徑為220.3 μm， TD 面平均厚度為34.3 μm； 2198-T8 合金晶粒在ND 面平均直徑為165.4 μm， TD 面平均厚度為23.9 μm； 2060-T8 合金晶粒在ND 面平均直徑為66.1 μm， TD 面平均厚度為23.4 μm。 可見， 三種鋁鋰合金扁平形晶粒呈現出典型的冷軋后的纖維組織。 2A97-T8 和2198-T8 合金的晶粒被拉伸， 而2060-T8 合金的晶粒接近等軸晶。

圖1 三種鋁鋰合金的顯微組織（RD—軋制方向、TD—橫向、ND—法向）

圖2 三種鋁鋰合金橫向面和法向面的晶粒尺寸

圖3 所示為三種鋁鋰合金的TEM 圖和T1 分布情況， 從選區的電子衍射（SAED ） 圖譜可以清楚地觀察到， 晶面間距、 晶體結構以及與Al 基體的取向關系都可以識別出不同相的衍射斑點。

圖3 （a） 中2A97-T8 合金的SAED 圖譜顯示， 較亮的衍射斑點來自Al 基體。 1/3 [311ˉ]Al和1/3 [02 2ˉ]Al方向的衍射斑點被標記為T1（Al2CuLi） 相 （黃色圓圈所包圍） 析出在{111}Al 平面上[10]， 另一組1/2 [200]Al和1/2 [022ˉ]Al方向的衍射斑點被記為δ′ （Al3Li） 相 （藍色圓圈標記）。 此外， 根據針狀形貌和取向關系， 將1/2＜402＞方向的點劃為S′相： ＜100＞S′//＜100＞α；＜010＞S′//＜012＞α[10]。 圖3 （d） 中2198-T8 合金的SAED 圖譜顯示， 除了T1、 S′和δ′析出外，還可以觀察到一些針狀θ′ （Al2Cu） 相， 由取向關系確定為： （100）θ′//（100）Al， [001]θ′//[001]Al。從 圖3 （g） 中 可 以 看 出， 2060-T8 合 金 的SAED 圖譜中顯示析出了T1、 S′和Al θ′。 三種鋁鋰合金對應的BF 圖像和T1 分布顯示， 2A97-T8合金的強化相主要為T1 和S′相， 其長度分別為61.2 nm 和63.7 nm； 2198-T8 合金的強化相主要為T1 和δ′相， 其長度為47.8 nm； 2060-T8 合金的強化相主要為T1、 S′和θ′相， 其長度分別為35.0 nm、 31.6 nm 和28.7 nm。 表2 總結出了三種鋁鋰合金的析出特征。

表2 三種鋁鋰合金的析出特征

圖3 三種鋁鋰合金的透射電鏡圖像及T1 分布

2.2 顯微硬度

圖4 所示為三種鋁鋰合金的顯微硬度， 由圖4 可 以 看 出， 2A97-T8、 2198-T8 和2060-T8 合金的顯微硬度分別為190HV0.2、 180HV0.2和160HV0.2。 析出物的體積分數較高， 鋁鋰合金的硬度越大。 2A97-T8 合金的最大硬度歸因于沉淀物的最高體積分數 （7.50%）； 相反，2060-T8 合金的最小硬度歸因于沉淀物的最低體積分數 （2.09%）。

圖4 三種鋁鋰合金的顯微硬度

2.3 拉伸性能

圖5 顯示三種鋁鋰合金沿軋制方向的抗拉強度和伸長率， 可以看出2A97-T8 鋁鋰合金的極限抗拉強度和屈服強度分別為534 MPa 和517 MPa，均大于其他兩種鋁鋰合金（2198-T8 和2060-T8）。鋁鋰合金的抗拉強度和伸長率主要受T1、 θ′和S′析出相數量的影響， 特別是在Al 基體{111} 上析出的T1 相， 由于有效阻礙了位錯的運動， 對鋁鋰合金的強化起到了重要作用[10，13]。 此外， 部分力學性能的改善是由晶粒尺寸貢獻的， 2A97-T8 鋁鋰合金的伸長率為10.2%， 在三種鋁鋰合金中最低，而2060-T8 鋁鋰合金有18%的最大伸長率。

圖5 三種鋁鋰合金沿軋制方向的抗拉強度和伸長率

圖6 給出了三種鋁鋰合金的抗拉強度和面內各向異性， 面內各向異性由RD 和TD 兩個方向的抗拉強度計算得出。 從圖6 可以看出，2A97-T8、 2198-T8 和2060-T8 三 種 合 金 的 面內 各 向 異 性 分 別 為2.5% 、 3.2% 和1.2% 。2060-T8 合金的面內各向異性最低， 兩個方向抗拉強度的差值為7MPa。 鋁鋰合金的面內各向異性不僅受晶粒取向的影響， 還受T1 析出相的影響[13]， 2198-T8 合金的面內各向異性因晶粒的拉伸和T1 相的增多而顯著提高， 2060-T8 合金的面內各向異性因等軸晶和細小的T1、S′和θ′相的增多而降低。

圖6 三種鋁鋰合金的極限抗拉強度和面內各向異性

2.4 斷口形貌

圖7 顯示了三種鋁鋰合金沿軋制方向的斷口形貌。 從低倍圖像可以看出2A97-T8 和2198-T8 鋁鋰合金的斷口上分布著大量的二次裂紋（圖7 （a） 和圖7 （b））， 在高倍圖像可以看出，2A97-T8 和2198-T8 鋁鋰合金的斷口上分布著不均勻的深韌窩， 這表明兩種鋁鋰合金的斷裂方式均為韌脆混合斷裂。 2060-T8 合金斷口在低倍圖像上顯示了斷口的一些微孔洞 （圖7 （c）），而在高倍圖像上顯示了2060-T8 合金斷口上較為均勻的韌窩 （圖7 （f））。 這主要是由于2060-T8 合金晶粒細小， 析出物細小， 能夠促進晶粒間的協調變形， 故具有良好的塑性變形能力， 表現出韌性斷裂。

圖7 三種鋁鋰合金沿軋制方向斷口形貌

3 結 論

（1） 2A97-T8、 2198-T8 和2060-T8 三 種鋁鋰合金的顯微組織為典型的軋制組織， 表現為沿軋制拉伸的晶粒。 三種鋁鋰合金的主要析出相不同， 2A97-T8 合金為T1 和S′相， 2198-T8 合金為T1 和δ′相， 2060-T8 合金為T1、 S′和θ′相。

（2） 析出相體積分數的增加能顯著提高鋁鋰合金的顯微硬度和抗拉強度， 特別是對于{111}面上析出的T1 相。

（3） 鋁鋰合金的面內各項異性隨著T1 析出相體積分數的增加而增大， 而隨著S′和θ′析出相體積分數的增加而減小。

（4） 2A97-T8 和2198-T8 鋁鋰合金的斷裂方式為韌脆混合斷裂， 而2060-T8 合金的斷裂方式則表現為韌性斷裂。