2A97-T84鋁鋰合金型材形變熱處理工藝技術研究

王 燕，杜 榮

（西南鋁業（集團）有限責任公司，重慶401326）

0 前言

為滿足某種大飛機以及后續衍生機種的需求，研制、應用新的高比強度、高比模量、低密度材料是航空工業發展的主要方向之一，其中具有代表性的是高強、高韌、耐損傷性能優良的第三代鋁鋰合金［1］。2A97鋁鋰合金是我國自主研發的新型Al-Cu-Li系合金，具有輕質高強、可焊性好、耐疲勞等優點［2］。與2197、2297鋁鋰合金相比，該合金組元多、成分構成復雜，Cu、Mg、Zn等元素含量較高，通過改善熱處理工藝可進一步提高它的性能，以滿足航空航天工業的不同需求。鐘申等［3］采用先低溫后高溫的時效工藝制得了強韌性配比良好的2A97鋁鋰合金；李紅英等［4］研究了2A97鋁鋰合金的峰值時效，在保證其塑性的前提下提高了強度。高文理等［5］研究了不同工藝時效后2A97鋁鋰合金的組織與性能。高崇等［6］通過對形變熱處理工藝的研究，對比了熱處理前形變量的變化對應的強化相的變化。

盡管國內有關學者對2A97鋁鋰合金已開展了較為廣泛的研究，但眾多的研究結果均不能滿足用戶需求中的高強度、高延伸的指標要求，即：抗拉強度≥530 MPa，屈服強度≥500 MPa，延伸率≥8%；且要求其剝落腐蝕性能不低于EB級。為研制出高性能的2A97鋁鋰合金型材，急需展開對2A97-T84鋁鋰合金形變熱處理工藝的研究。本研究通過不斷的摸索、試驗、分析以及優化改進，形成了一套生產高性能2A97鋁鋰合金擠壓型材的技術方案，滿足了2A97鋁鋰合金型材高性能的市場需求。

1 試驗方法

試驗用2A97鋁鋰合金化學成分見表1。為減少鑄態組織元素的偏析，將鑄錠進行雙級均勻化處理。均勻化工藝制度為：（410±5）℃/8 h+（500±5）℃/24 h。鑄錠直徑為450 mm，采用二次擠壓工藝，鑄錠溫度430～450℃，擠壓筒溫430～450℃，擠壓速度0.4～0.8 m／min，將鑄錠擠成XC111-60的標準型材。試驗選用的固溶溫度為520℃，固溶保溫時間45 min。合金經固溶后隨即進行拉伸處理，拉伸率分別選取1%、2%、2.6%、3%、4%、5%、6%，同時在淬火后分別停放0～7 h，研究不同形變量以及不同停放時間對產品性能的影響。隨后再進行時效處理，采用雙級時效，一級時效制度選用125℃/16 h，二級時效制度分別選用150℃、155℃、160℃以及不同保溫時間。測量不同時效制度下型材縱向的力學性能并觀察型材內部組織的變化。

表1 2A97鑄錠化學成分實測值（質量分數/%）

2 結果與分析

2.1 形變量對2A97鋁鋰合金性能的影響

經數次小試驗以及多次小批量投產，發現拉伸變形量對該合金型材性能的影響異常明顯。取樣做不同拉伸變形量的測試，均在2 h內完成拉伸。然后進行時效，時效制度為125℃/16 h+150℃/11 h。時效后檢測其力學性能，不同拉伸變形量對應的性能值（取性能平均值）見圖1。

圖1 不同拉伸量對應的力學性能

從圖1可見，當拉伸率從1%增至6%時，抗拉強度和屈服強度逐漸增大，尤其是屈服強度的增長趨勢異常明顯，同時對應的延伸率逐步減少。在拉伸率達到4%時以后，型材強度的增長較1%～4%區間內有所減慢。拉伸率從1%增至4%，2A97型材屈服強度增長111 MPa，抗拉強度增長35.5 MPa，延伸率下降6.75%。由此可見，要達到高性能要求，即室溫抗拉強度達到530 MPa以上、屈服強度達到500 MPa以上、延伸率≥8.0%，在進行人工時效前，該合金至少需產生3%以上的冷加工變形。結合大生產設備條件以及確保產品性能的穩定性和均勻性，將工業化生產時的拉伸率定在4%，按3.5%～4.5%控制。

同時我們做了一組淬火后停放0 h（15 min以內）～7 h的試驗，規格和淬火制度同上，然后檢測其新淬火下不同停放時間的性能，淬火后不同停放時間對應的性能值見圖2。

圖2 淬火后不同停放時間對應的產品性能

從圖2可見，淬火后，隨著停放時間的延長，產品強度逐漸增大，這勢必會增加拉伸的難度。最后決定將該合金產品淬火出爐后控制在3 h內完成拉伸。

2.2 時效制度對2A97鋁鋰合金組織性能的影響

國內前期有關研究表明，在單級時效下，2A97鋁鋰合金性能很難滿足σb≥530 MPa、σ0.2≥500 MPa、δ≥8%的高性能的指標要求[3-6]。因此我們選取雙級時效的方式來提高產品的高性能指標要求。試驗時選取XC111-60型材，將淬火制度定為520℃/45 min，在淬火后2 h內完成拉伸。拉伸量目標值按3%控制，停放96 h，研究不同的時效制度對材料力學性能的影響，確定合理時效工藝，使合金晶內具有不同尺寸析出相并與具有時效特征的晶間析出相相匹配，發揮不同尺寸析出相協同強韌化的作用，使合金實現高強、高韌、良好抗蝕性能的優化匹配。前期實驗室研究一級時效制度為125℃/16 h；二級時效溫度160℃，保溫時間分別為9 h、12 h、15 h、18 h、21 h和24 h。實驗結果如表2所示。

表2 二級時效溫度為160℃時不同保溫時間下的力學性能

從表2可見，隨著二級時效保溫時間的延長，抗拉強度、屈服強度均合格且富余量較多，而延伸率在二級時效保溫12 h后，基本都低于標準值8%。圖3為二級時效保溫時間為9 h的TEM照片。

從圖3（a）可以看出，雙級時效后合金中形成大量密集且具有一定尺寸的T1相，使合金強度得到提升；圖3（b）中的衍射斑點顯示此時還存在少量的δ′相。

圖3 2A97-T84雙級時效的TEM形貌

125℃/16 h+160℃/9 h時效制度下的試驗結果表明，2A97-T84型材延伸率的整體富余量不高。因此，將二級時效溫度降低至150℃和155℃，在不同保溫時間下進行了交叉試驗。試驗結果如表3所示。

表3 二級時效溫度為150℃和155℃時不同保溫時間下的力學性能

從表3可以看出，當二級時效溫度為150℃和155℃時，隨著保溫時間的延長，抗拉強度和屈服強度穩步增長，尤其是二級時效為150℃時，仍保持著較好的延伸率。結合到實際生產中的設備條件以及前期對淬火后停放時間和不同拉伸率對2A97型材性能影響的研究，最終將2A97-T84時效制度定為125℃/16 h+150℃/11 h。若發現性能偏低，可對其二級時效進行補充時效1～3 h。

3 工業化驗證

在工業化生產過程中，采用滿足AMS 2750二級爐要求的淬火爐和時效爐進行熱處理。而針對拉伸機拉伸速度不可控，拉伸率實測值波動大這一難題，為獲得精確穩定的拉伸率，減少拉伸率波動對產品性能的影響，我們將現有的拉伸機進行了兩次改造。第二次改造增加了激光測距，采用PLC作為核心控制系統進行邏輯控制和數字運算，從而減少了拉伸率對2A97-T84型材性能的影響。圖4為拉伸機改造后某批次拉伸率的實測值。

圖4 不同根制品頭、尾端拉伸率

克服了拉伸率精準控制難題后，采用520℃進行淬火，固溶保溫時間根據型材壁厚而定，拉伸率3.5%～4.5%，按4%控制。經多輪工業化生產，時效制度最終定為125℃/16 h+150℃/13 h。在此制度下取得的力學性能均滿足高性能的要求（見表4），且型材的剝落腐蝕性能不低于EB級。

表4 2A97-T84型材力學性能實測值

4 結論

（1）拉伸變形量對2A97-T84型材性能的影響極大，尤其是拉伸率在1%～4%時，抗拉強度和屈服強度都呈不同幅度的增長，對應的延伸率逐步減少。在拉伸率達到4%以后，型材強度的增長有所減慢。為滿足高性能的指標要求，在進行人工時效前，該合金至少需產生3%以上的冷加工變形。為了確保產品性能的穩定性和均勻性，工業化生產時，型材淬火后在3 h內完成拉伸，拉伸率控制在3.5%～4.5%范圍內。

（2）2A97雙級時效工藝的研究結果表明，2A97鋁鋰合金在雙級時效制度為125℃/16 h+150℃/13 h時具有強塑性好、抗剝落腐蝕性能優良等優點，且固化后經工藝熱處理后，2A97-T84鋁鋰合金型材也能滿足高性能指標要求。