一种新型超高强铝锂合金的力学性能与微观组织演化_潘登.pdf

材料研究与应用 2023，17（1）：102108一种新型超高强铝锂合金的力学性能与微观组织演化潘登1,宁红1,李劲风1,马鹏程2,陈永来2,张绪虎2（1.中南大学材料科学与工程学院，湖南 长沙 410083；2.航天材料及工艺研究所，北京 100076）摘要：铝锂合金作为一种轻质高强的结构材料，广泛应用于航空航天制造领域。为进一步提高铝锂合金强度，制备了一种含 Cu为 4.68%（质量分数）、Li为 1.36%（质量分数）的 Mg+Ag+Zn多元微合金化的新型超高强铝锂合金，并且系统地研究了该合金冷轧薄板（厚 2 mm）的 T6时效态（170）及 T8时效态（4%预变形/150）的微观组织和力学性能。研究结果表明：该新型超高强铝锂合金，其 T6时效态抗拉强度最高达 637 MPa、T8时效态抗拉强度最高达 685 MPa，强度达到峰值后伸长率随时效时间的继续延长从 8%缓慢下降；该合金主要强化相为 T1 相（Al2CuLi）和 相（Al2Cu），T8 时效态加速了 T1 相析出，从而加快了时效响应速度，同时增加了 T1相数密度，提高了合金强度。说明，通过调整铝锂合金的时效状态可影响强化相总量及各析出相体积分数，从而获得更高强度的铝锂合金。关键词：铝锂合金；超高强度；时效处理；力学性能；微观组织中图分类号：TG146.2文献标志码：A 文章编号：1673-9981（2023）01-0102-07引文格式：潘登，宁红，李劲风，等.一种新型超高强铝锂合金的力学性能与微观组织演化 J.材料研究与应用，2023，17（1）：102-108.PAN Deng，NING Hong，LI Jingfeng，et al.Tensile Properties and Microstructure Evolution of a New Ultra-High Strength Al-Li Alloy J.Materials Research and Application，2023，17（1）：102-108.在航空航天制造领域中，寻求一种轻质高强的合金作为结构材料，从而获得更高的运载能力一直是重要的研究方向。Li 作为最轻的金属元素添加到铝合金中，不仅能够降低铝合金的密度还能提升弹性模量1，进而提高铝锂合金的比强度及比刚度，从而有效地减轻飞行器的重量2。铝锂合金的开发大致经历了 3个发展阶段。第1 代、第 2 代铝锂合金中过高的 Li 含量使得合金的塑韧性下降、热稳定性较差，同时晶体学织构的影响导致了铝锂合金表现出强烈的各向异性。二十世纪90 年代后，通过控制主合金化元素 Cu 和 Li的含量及添加微合金化元素（如 Zn、Ag、Mg、Mn 等），研制出了一系列满足特定需求的第 3代铝锂合金3-5。第3 代铝锂合金中主合金化元素 Cu 和 Li的含量及比例是影响铝锂合金时效强化相总量、各析出相体积分数的主要因素，提高 Cu和 Li总量及 Cu/Li比均能提高铝锂合金主要强化相 T1 相（Al2CuLi）密度，从而使合金获得更高的强度6。2012 年美国 Alcoa公司研制出了 Mg+Ag+Zn 多元微合金化的超高强2055铝锂合金7，该合金经 T8态时效处理后的抗拉强度可达 640 MPa 以上。通过对铝锂合金中 Mg+Ag、Mg+Zn、Mg+Ag+Zn 系列微合金化作用效果研究，阐明了 Mg+Ag+Zn多元微合金化可促进 T1相析出且强化效应最高8。以此为依据，开发出了一种高 Cu、高 Li的 Mg+Ag+Zn多元微合金化的超高强铝锂合金9。为 进 一 步 提 高 铝 锂 合 金 强 度，本 文 在 Mg+Ag+Zn 多元微合金化的基础上，进一步调整 Cu 和Li总量及 Cu/Li比，设计、制备了一种新型的超高强铝锂合金，并详细研究了其力学性能和微观组织。1实验部分新型超高强铝锂合金铸锭经均匀化、热轧、中间收稿日期：2021-06-28作者简介：潘登（1995-），男，湖南长沙人，硕士研究生，研究方向为铝锂合金，E-mail：。Materials Research and ApplicationEmail：http：/DOI：10.20038/ki.mra.2023.000111退火后，冷轧得到实验所用的厚 2 mm 的冷轧薄板，再经 515 60 min固溶处理，然后分别进行 T6和T8 时效。T8 时效制度为固溶后先进行 4%的拉伸预变形，随后于 150 下进行人工时效；T6 时效制度为固溶后直接于 170 下进行人工时效。新型超高强铝锂合金成分列于表 1。在 MTS810 材料试验机上进行轧向室温拉伸性 能 测 试，测 试 规 程 参 照 ASTM-E8M（GB/T6397），拉 伸 速 率 为 2 mm min1。用 透 射 电 镜（TEM）观察试样不同时效态的微观组织，首先采用机械法将试样的厚度减薄至 0.080.1 mm，然后采用双喷电解法减薄至中心穿孔，最后用 Tecnai G220 型 TEM（加 速 电 压 为 200 kV）对 试 样 进 行观察。2实验结果2.1力学性能图 1为薄板经 515 固溶处理 60 min、冷水淬火后 T6 态及 T8 态的时效拉伸性能曲线。从图 1 可见：两种时效处理时，随时效时间延长，两种时效态合金的强度均先迅速上升，时效 24 h 后强度基本达到峰值且提升速率开始放缓，时效 48 h 后 T6 态时效合金的强度下降，而 T8 态时效合金的强度仍保持了缓慢上升；另外，T6和 T8时效态合金的伸长率均随时效时间的延长而降低。比较 T6和 T8态合金的力学性能可以发现，T8态的强度高于 T6 态。T6 态及 T8 态时效 24 h 时的抗 拉 强 度 分 别 为 616 和 664 MPa、伸 长 率 分 别 为8.0%和 8.1%；时效 48 h时，T6态的屈服强度及抗拉强度分别为 609 和 637 MPa，而 T8 态的屈服强度及抗拉强度分别为 652 和 685 MPa，但两者伸长率基本一致均降低约为 5%。上述性能数据表明，该合金 T8态时效 24 h后具有良好的强塑性匹配。2.2微观组织2.2.1T6态时效的微观组织演化图 2 为 T6态时效 4、24 和 60 h的 100Al晶带轴选区衍射（SAED）谱及相应的 TEM-暗场像（DF）照片。从图 2 可见：时效 4 h 后，SAED 图谱中从主斑点延伸出了明亮的 GP区芒线，相应的 DF 照片中可发现大量细小短棒状 GP 区弥散分布在基体之中（图 2（a）；时效时间延长至 24 h，SAED 谱中 相（Al2Cu）芒线的亮度增加、GP 区芒线减弱，DF 照片中可观察到大量长大的相互垂直的 相并未观察到GP 区（图 2（b）；时效 60 h 后，GP 区芒线消失，相芒线亮度减弱，相尺寸变化不大，但数目大幅减少（图 2（c）。图 3 为 T6 态 合 金 时 效 处 理 4、24 和 60 h 的112Al晶带轴 SAED 谱及相应的 TEM-DF 图。从图 3可见：T6态时效 4 h时，T1相斑点十分微弱，DF图中仅发现极少量短小的针状 T1 相分布在基体中（图 3（a）；时效时间延长至 24 h 时，T1 相斑点亮度显著增强，DF 图中可见较大尺寸的针状 T1 相密集析出（图 3（b）；时效 60 h 时，T1 相的尺寸无明显长大，但是密度略有减少（图 3（c）。TEM 观察结果表明：铝锂合金 T6态时，主要析表 1新型超高强铝锂合金成分Table 1Chemical compositions of the Al-Li alloy used in this study图 1铝锂合金 T6及 T8时效态的拉伸性能曲线Figure 1Tensile performances of the Al-Li alloy as a function of aging time第 17 卷 第 1 期潘登等：一种新型超高强铝锂合金的力学性能与微观组织演化退火后，冷轧得到实验所用的厚 2 mm 的冷轧薄板，再经 515 60 min固溶处理，然后分别进行 T6和T8 时效。T8 时效制度为固溶后先进行 4%的拉伸预变形，随后于 150 下进行人工时效；T6 时效制度为固溶后直接于 170 下进行人工时效。新型超高强铝锂合金成分列于表 1。在 MTS810 材料试验机上进行轧向室温拉伸性 能 测 试，测 试 规 程 参 照 ASTM-E8M（GB/T6397），拉 伸 速 率 为 2 mm min1。用 透 射 电 镜（TEM）观察试样不同时效态的微观组织，首先采用机械法将试样的厚度减薄至 0.080.1 mm，然后采用双喷电解法减薄至中心穿孔，最后用 Tecnai G220 型 TEM（加 速 电 压 为 200 kV）对 试 样 进 行观察。2实验结果2.1力学性能图 1为薄板经 515 固溶处理 60 min、冷水淬火后 T6 态及 T8 态的时效拉伸性能曲线。从图 1 可见：两种时效处理时，随时效时间延长，两种时效态合金的强度均先迅速上升，时效 24 h 后强度基本达到峰值且提升速率开始放缓，时效 48 h 后 T6 态时效合金的强度下降，而 T8 态时效合金的强度仍保持了缓慢上升；另外，T6和 T8时效态合金的伸长率均随时效时间的延长而降低。比较 T6和 T8态合金的力学性能可以发现，T8态的强度高于 T6 态。T6 态及 T8 态时效 24 h 时的抗 拉 强 度 分 别 为 616 和 664 MPa、伸 长 率 分 别 为8.0%和 8.1%；时效 48 h时，T6态的屈服强度及抗拉强度分别为 609和 637 MPa，而 T8 态的屈服强度及抗拉强度分别为 652 和 685 MPa，但两者伸长率基本一致均降低约为 5%。上述性能数据表明，该合金 T8态时效 24 h后具有良好的强塑性匹配。2.2微观组织2.2.1T6态时效的微观组织演化图 2 为 T6态时效 4、24 和 60 h的 100Al晶带轴选区衍射（SAED）谱及相应的 TEM-暗场像（DF）照片。从图 2 可见：时效 4 h 后，SAED 图谱中从主斑点延伸出了明亮的 GP区芒线，相应的 DF 照片中可发现大量细小短棒状 GP 区弥散分布在基体之中（图 2（a）；时效时间延长至 24 h，SAED 谱中 相（Al2Cu）芒线的亮度增加、GP 区芒线减弱，DF 照片中可观察到大量长大的相互垂直的 相并未观察到GP 区（图 2（b）；时效 60 h 后，GP 区芒线消失，相芒线亮度减弱，相尺寸变化不大，但数目大幅减少（图 2（c）。图 3 为 T6 态 合 金 时 效 处 理 4、24 和 60 h 的112Al晶带轴 SAED 谱及相应的 TEM-DF 图。从图 3可见：T6态时效 4 h时，T1相斑点十分微弱，DF图中仅发现极少量短小的针状 T1 相分布在基体中（图 3（a）；时效时间延长至 24 h 时，T1 相斑点亮度显著增强，DF 图中可见较大尺寸的针状 T1 相密集析出（图 3（b）；时效 60 h 时，T1 相的尺寸无明显长大，但是密度略有减少（图 3（c）。TEM 观察结果表明：铝锂合金 T6态时，主要析表 1新型超高强铝锂合金成分Table 1Chemical compositions of the Al-Li alloy used in this study元素含量 w/%Cu4.68Li1.36Mg0.4Zn0.4Ag0.4Mn0.3Zr0.12Al余量图 1铝锂合金 T6及 T8时效态的拉伸性能曲线Figure 1Tensile performances of the Al-Li alloy as a function of aging time1032 0 2 3材料研究与应用出相为 T1相和 相；时效初期主要含 GP区，并且 T1相较少；随时效时间延长，GP区逐渐消失，继而形成相，而 T1 相却逐渐长大；时效后期，相的数量显著减少