熱處理對2195鋁鋰合金組織及性能的影響

胡麗敏 張 帥 成 桃 李愛文 王海軍

熱處理對2195鋁鋰合金組織及性能的影響

胡麗敏 張 帥 成 桃 李愛文 王海軍

（航天新力科技有限公司，貴州 563003）

鋁鋰合金因具有高比強度、高耐腐蝕和抗疲勞等優點，常作為受力結構件被廣泛應用于航天航空領域。本文系統研究了2195鋁鋰合金的制造工藝，成功制備了性能優越的鍛板，為其工業生產提供了理論依據；綜合采用金相顯微鏡、硬度計和拉伸試驗機等手段，分別探索了不同熱處理對2195鋁鋰合金的組織及性能的影響。經拉伸測試發現，所制備2195鋁鋰合金鍛板的抗拉強度高達602MPa，延伸率9.5%。

2195鋁鋰合金；熱處理；組織；性能

1 引言

鋰是迄今為止被發現的最輕的金屬元素，密度為0.534g/cm3。大量研究發現，每添加1.0%（質量分數，以下同）Li元素在鋁合金中可使密度降低3%，彈性模量上升10%～20%[1，2]，且其強度可與傳統的2024、7075等鋁合金媲美。鋁鋰合金材料除了具有密度低、彈性模量高、比強度和比剛度比較高外，還具有優異的疲勞性能、耐腐蝕及焊接性能[3～5]，并且比復合材料氣動性更好、防腐能力更強、成本更低，比鎂合金更耐腐蝕、成型性能更好。因此，在航天航空領域用鋁鋰合金代替常規的高強度鋁合金可使結構質量減輕10%～20%，剛度提高15%～20%。進入空中的航天運載器，每減輕1kg，其發射費用將節省約2萬美元，因此結構減重在航天領域可謂“克克計較”。在航空航天輕量化要求日益嚴峻的情況下，作為被全球公認是航天航空領域最理想輕質結構材料之一，鋁鋰合金材料在航空航天領域顯現出了廣闊的應用前景[6]。

鋁鋰合金既是變形鋁合金也是可熱處理強化鋁合金，常見的強化和增韌方法是通過一系列熱處理手段進行調控，通常包括鑄錠的熱變形處理和變形合金的固溶和時效處理[7～9]。通過前期的努力，2195合金的力學性能得到了顯著改善。但合金的峰值應力大多仍為550～590MPa，斷裂伸長率往往低于9%[10～13]。因此，同時賦予2195 Al-Cu-Li合金較高的抗拉強度和良好的塑性仍然是一個挑戰。目前，國內鋁鋰合金工業化制備仍存在工藝流程長、控制難、材料純凈性差且性能落后，產品成本高、產能小等核心技術難題。因此，通過真空感應熔煉制備技術和一系列熱處理調控，生產材料純凈度高且力學性能優異的2195鋁鋰合金鍛板，并探索均勻化退火和T6及T8熱處理工藝對2195鋁鋰合金組織及性能的影響。

2 實驗方法

將配好的純Al、AlCu50、AlCr5合金、純Li、純Mg和純Ag等原材料采用真空感應爐熔煉鑄造，得到直徑145mm、重10kg的2195鋁鋰合金鑄錠；對鑄錠取樣進行ICP和光譜測試，測得鑄錠的化學成分如表1所示。從表1可以看出，鑄錠實測化學成分結果符合標準ASTM A217—2020中2195鋁鋰合金的要求。

表1 合金的化學成分 wt.%

表2為真空熔煉鑄錠的雜質元素含量。從表中可以看出，鑄錠中的Fe、Si等易生成不溶或難溶脆性相元素含量遠低于標準中要求；堿金屬雜質Na、Ca的含量較低，H含量遠小于0.0001%。這說明鑄錠的純凈度比較高。

表2 鑄錠中雜質元素含量 wt.%

從鑄錠頭部和尾部沿鑄錠半徑方向在邊緣和中心各取一塊試樣進行金相觀察，然后切掉鑄錠頭尾部分，進行均勻化處理（490℃/40h），并在錠子一端取小塊試樣進行均勻化組織觀察，然后將退火后的鑄錠鍛造變形得到厚度為28mm的鍛板，沿鍛板主變形方向和垂直主變形方向各取六個拉伸試樣（10mm拉棒），兩個方向各取三個試樣進行固溶處理（510℃/2h）+7%預變形+人工時效（160℃/18h），得到T8態試樣；剩下的試樣進行T6態熱處理（510℃/2h+人工時效160℃/18h）；最后將T6/T8態試樣進行拉伸性能測試以及組織觀察。其中，鑄態和退火態金相試樣尺寸：15mm×10mm×10mm，T6/T8態金相試樣：10mm×12mm。

在CTM4105萬能拉伸試驗機上進行力學性能測試，試樣尺寸沿鍛板主變形方向按國標取10mm拉棒，引伸計標距為50mm，拉伸速率為1mm/min。為了保證實驗數據的可靠性，每個狀態的實驗合金準備3個平行樣，每個狀態點的屈服強度（0.2）、抗拉強度（b）以及延伸率（）都是取三個平行樣的平均值。

在JMHVS-100-XYZ全自動精密顯微硬度計上進行硬度測試，硬度計載荷為1.96N，持續時間為15s，每個測試點測6次，取平均值，當取值之間差值較大時，去掉最大、最小值后再取平均值。

利用AXIO VERT A1蔡司顯微鏡觀察分析合金的相顯微（OM）組織。將需要進行金相觀察的試樣依次在400#、800#、1500#、2000#、3000#砂紙上研磨，然后進行機械拋光，用濃度為0.5%的氫氟酸（HF）溶液對拋光后鑄態和均勻化態試樣進行腐蝕，腐蝕時間為30～40s；T6/T8態試樣用Keller試劑（2.5%HNO3+1.0%HF +1.5%HCl+95%H2O）腐蝕30～50s。

3 實驗結果與分析

3.1 熱處理工藝對2195鋁鋰合金性能的影響

圖1 2195鋁鋰合金不同熱處理狀態的硬度圖

圖1為2195合金經不同熱處理后的硬度圖。不同熱處理對合金的硬度有明顯影響，可以看出T6和T8熱處理能明顯提高合金的硬度，且T8態合金硬度比T6態高。這是因為在T6處理過程中，固溶時會產生固溶強化，而后續的時效處理還會產生析出相，當發生變形時，析出相會阻礙位錯移動，從而提高合金的強度；T8處理除了固溶強化外，其在時效前引入預變形，一方面產生了變形強化，使得后續的析出時效強化在較高的強度起點進行，另一方面，時效前預變形引入大量位錯為后面析出強化相提供形核位置，促進析出相析出，顯著提高合金的強度。

圖2為2195合金T6/T8處理后的拉伸性能。T6態拉伸樣的抗拉強度和屈服強度分別為491MPa、394MPa，斷面收縮率以及延伸率分別為33%、14.5%；T8態合金的抗拉強度、屈服強度、斷面收縮率以及延伸率分別是：602MPa、560MPa、24.5%、9.5%。雖然T8態合金的抗拉強度中比T6態合金高，但是T6態合金的延伸率比T8態要好。猜測這是因為T8處理過程中引入了預變形，預變形會出現大量位錯，而位錯是通過攀移、滑移等形式存在，會形成位錯網絡和纏結，改變合金的亞結構，為析出相提供優越的形核位點，促進析出強化，提高合金的強度。但7%預變形量使得位錯密度比較高，促進析出相大量形核，使得在析出前期就消耗掉大量Cu和Li元素，導致析出后期這兩種元素不足，從而析出短小的T1相，而T1相是硬質脆性相，分散共面滑移的效果不明顯，不利于塑性的改善，因此T8態合金塑性較差[14]。

圖2 T8/T6態2195鋁鋰合金的力學性能

3.2 熱處理工藝對2195鋁鋰合金組織的影響

3.2.1 均勻化退火

圖3為2195合金均勻化（490℃/40h）前后的金相組織圖。從圖3a～圖3d中可以看出，鑄錠頭部組織呈明顯的樹枝晶特征且尺寸較大，呈連續而密集的枝晶網狀結構，尾部的樹枝晶尺寸較小，這是由于尾部合金溫度梯度較低，冷卻速度較小造成的。鑄錠心部的樹枝晶要比邊部尺寸大，是由于在澆注凝固過程中，心部溫度梯度小，冷卻速度小造成的。此外，從高倍金相圖中看出，合金中存在大量的結晶相和組織成分偏析，晶界上富集著許多非平衡共晶體和其他非平衡相。可以從兩方面來解釋晶界附近分布的這些第二相。一方面，鑄態合金晶界附近上Cu元素的偏析降低了鋁合金的層錯能，為其析出提供了有利條件。另一方面，從凝固理論上看，溶質原子（＜1）被排斥并聚集到固液界面前面，而Cu原子（Cu=0.17）在晶界偏析，容易形成粗大含Cu相，這些相會大量消耗Cu含量，不利于遠離晶界的二次相的形核和生長[15]。對比鑄態和均勻化退火態2195合金的金相組織可以看出，合金經490℃/40h均勻化處理后，枝晶網絡狀組織大量減少，晶界變得清晰平直，晶界和晶內共晶相數量減少，說明合金均勻化效果明顯。而且晶界析出相由鑄態的連續分布變得離散，晶界變細薄，這說明了鑄態沿晶界可溶共晶相回溶至基體。

圖3 2195不同狀態合金在不同位置的金相圖

3.2.2 T6/T8熱處理

圖4為T6/T8態的2195鋁鋰合金鍛板不同方向截面的金相組織圖。從圖中可以看出，T6和T8態合金組織中均存在被拉長的纖維組織、帶狀組織和被擠碎的粗大第二相，其中第二相沿主變形方向聚集分布；T8態合金的金相組織較T6態纖維組織較細長、密集。對比兩種狀態的金相組織可猜測對材料強度起決定性作用的是析出強化相的特征，需要對其進行掃描和透射分析。

圖4 2195合金鍛板經T6、T8熱處理后不同方向截面的金相圖

4 結束語

a. 利用真空感應爐成功熔煉出了較高純凈度的2195鋁鋰合金，再經鍛造得到鍛板，鍛板經過均勻化（490℃/40h）、固溶（510℃/2h）、7%預變形以及時效（160℃/20h）后，合金的抗拉強度達到602KPa，延伸率9.5%。

b. 均勻化處理后，原始鑄態組織中的宏觀枝晶網絡狀組織大量減少，晶界變得清晰平直，晶界和晶內共晶相數量減少。

c. T6或T8處理后，合金的硬度值翻倍，其組織中存在被拉長的纖維組織、帶狀組織和被擠碎的粗大第二相以及再結晶晶粒，但是T8態合金由于引入了預變形，增加了強化效果，其強度比T6態高。

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Effect of Heat Treatment on Microstructure and Properties of 2195 Al-Li Alloy

Hu Limin Zhang Shuai Cheng Tao Li Aiwen Wang Haijun

(Guizhou Aerosace Xinli Technogy Co., Ltd., Guizhou 563003)

Al-Li alloy is widely used in aerospace field as a stressed structure due to its high specific strength, high corrosion resistance and fatigue resistance. In this paper, the manufacturing process of 2195 Al-Li alloy is systematically studied, and the forging plate with superior performance is successfully prepared, which provides theoretical basis for its industrial production. The effects of different heat treatments on the microstructure and properties of 2195 Al-Li alloy were investigated by means of metallographic microscope, hardness tester and tensile machine. The tensile test shows that the tensile strength of the forged sheet is up to 602MPa and the elongation is 9.5%.

Al-Li alloy；heat treatment；organizations；performance

TG156.9

A

航天用高純高均質鋁鋰合金鑄錠熔煉制備技術研究（120000820）。

胡麗敏（1993），碩士，材料科學與工程專業；研究方向：新材料制備加工技術研發。

2021-11-16