朱宇波，王大鵬，于 浩，武保林

(1.沈陽(yáng)航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110136;2.中航工業(yè)沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司，沈陽(yáng) 110034)

增加飛機(jī)的有效載荷和燃油效率已成為擺在航空航天領(lǐng)域的重大課題，因此發(fā)展質(zhì)輕且具有高力學(xué)性能和加工性能的材料成為了熱門話題。鋁鋰合金家族以其低密度和高強(qiáng)度、高模量以及良好的抗腐蝕性能在商業(yè)應(yīng)用方面已經(jīng)獲得了高度的關(guān)注，在軍事、航空航天領(lǐng)域更是擊敗了常規(guī)商用的2xxx系和7xxx系鋁合金成為飛行器材料的首選。在Al中每增加1%的Li，就會(huì)使Al合金的密度降低3%，并且彈性模量增加6%［1－2］。在這些系列中，2198Al-Li合金顯示出了良好的靜態(tài)拉伸性能，容損和成型的綜合性能。與先前的2195等一些鋁鋰合金相比，2198鋁鋰合金引入了更低含量的銅(從4%左右下降到3%左右)，使材料密度更低的同時(shí)在基本保持原有材料強(qiáng)度的情況下顯著增加了材料的延伸率。

但是鋁鋰合金本身也存在著一些問題。例如，鋁鋰合金的制備問題;合金化主要限于細(xì)化組織和抑制雜質(zhì)危害等方面，效果有限，需要開辟新的材料強(qiáng)化途徑;鋁鋰合金結(jié)構(gòu)型材本身有著比較強(qiáng)的各向異性，嚴(yán)重影響材料的加工性能及抗疲勞與抗腐蝕性能，如何弱化材料織構(gòu)也是熱門話題［3］。本文寄于研究這種新型材料的后續(xù)熱處理制度以及熱處理對(duì)織構(gòu)的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)采用的是由加拿大龐巴迪公司生產(chǎn)的2198新型鋁鋰合金成品板材，產(chǎn)品厚度統(tǒng)一為3.18 cm，初始熱處理制度為T851，其成分為Cu 3.3%、Li 1.0%、Zn 0.02%、Mn 0.01%、Zr 0.11%［4］。

將實(shí)驗(yàn)板材用電火花線切割切成12 mm×12 mm的方片和符合國(guó)標(biāo)要求的拉伸試樣。首先進(jìn)行固溶溫度的選取，固溶溫度分別擬定為475℃、485 ℃、495℃、505℃、515℃、525℃，固溶時(shí)間初始擬定為1 h。然后把固溶淬火后的試件進(jìn)行同一時(shí)效處理，時(shí)效制度選為165℃ ×24 h。其次進(jìn)行固溶時(shí)間的選取，在上一步選定的固溶溫度下，固溶時(shí)間分別擬定為 20 min，40 min，60 min，80 min。在選取了最佳的固溶溫度和固溶時(shí)間后進(jìn)行單級(jí)時(shí)效，時(shí)效溫度擬定為175℃，時(shí)效總時(shí)間選定為 38 h，并分別在 10 h、14 h、18 h、22 h、26 h、30 h、34 h、38 h 時(shí)取出試件進(jìn)行靜態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)。

將原始板材和經(jīng)過已選好的熱處理制度后的試樣取出，表面打磨拋光后，在DX－2000型衍射儀上進(jìn)行XRD掃描，測(cè)算極圖并繪制ODF圖。

2 結(jié)果

2.1 后續(xù)熱處理制度的制定

圖1為不同固溶溫度下時(shí)效后的拉伸性能曲線，材料的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度則是隨溫度增長(zhǎng)而上升，在490～510℃到達(dá)極值并在此后基本保持平穩(wěn)。而延伸率再經(jīng)過極值之后有緩慢下降的趨勢(shì)，由圖2可知，3條曲線都呈上升趨勢(shì)，到達(dá)60 min后基本不再增加。所以綜合考慮，我們選500℃ ×60 min為最佳的固溶制度。

圖3為時(shí)效的力學(xué)性能曲線。由圖可知，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度隨著時(shí)效時(shí)間的增加而逐漸增大，在20 h后基本保持平穩(wěn)，而延伸率卻隨著時(shí)效時(shí)間的增加而下降，所以我們選20 h為最佳時(shí)效時(shí)間。

圖4 合金在不同狀態(tài)下的顯微組織

2.2 微觀組織分析

圖4是2198鋁鋰合金微觀組織金相圖。圖4(a)為原始板材，從圖中可看出晶粒細(xì)長(zhǎng)均勻，三維形貌呈長(zhǎng)餅狀，與軋制方向一致，晶?？v向尺寸大約為5 μm，橫向尺寸大約為400 μm以上，樣品組織晶界清晰。圖4(b)為500℃ ×1 h固溶后的金相圖，晶粒形貌基本與原始組織一致，晶粒雖經(jīng)過高溫固溶但基體仍未明顯向等軸狀發(fā)展，只有少許晶粒被打斷分裂。圖4(c)為時(shí)效后的金相圖，晶粒基本保持了原有形貌，金相中出現(xiàn)了些許黑質(zhì)點(diǎn)，這些質(zhì)點(diǎn)可能為時(shí)效后析出的第二相。

2.3 織構(gòu)演變分析

如圖所示，圖5和圖6分別為原始板材和熱處理后的恒ΨODF圖。通過ODF圖我們得到的信息歸結(jié)成表1和表2，原始板材有著較為強(qiáng)烈的{213}＜634＞的S組分，其強(qiáng)度級(jí)別達(dá)到了此ODF圖最大值19.93;其次還有比較強(qiáng)烈的{011}＜211＞的B組分，其級(jí)別也達(dá)到了15。最后還有較弱的{001}＜100＞立方織構(gòu)組分和{112}＜111＞的C組分。原始板材織構(gòu)組分沒有Goss({011}＜100＞)組分，所以沒有形成典型的α-β取向線。從表2可以看出，經(jīng)過后續(xù)固溶熱處理之后，板材仍然具有較強(qiáng)的S{123}＜634＞組分，而B{011}＜112＞組分出現(xiàn)弱化，其強(qiáng)度級(jí)別都達(dá)到了8級(jí)。與此同時(shí)，原始板材中的立方織構(gòu)組分消失，繼此而重新出現(xiàn)了{(lán)112}＜111＞C組分，但其強(qiáng)度級(jí)別不高，約為8左右。由于C組分的出現(xiàn)使熱處理后的板材形成了明顯的β取向線。

表1 原始樣品織構(gòu)分析

表2 后續(xù)熱處理后織構(gòu)分析

3 分析與討論

2198新型鋁鋰合金為 Al-Cu-Li合金，T851熱處理制度過程中時(shí)效強(qiáng)化主要析出相為T1和δ'相。δ'相是鋁鋰合金中的一種亞穩(wěn)相，它與基體及表面錯(cuò)配程度不大導(dǎo)致δ'相極易析出。時(shí)效開始時(shí)δ'相形狀不規(guī)則，但會(huì)隨時(shí)間的延長(zhǎng)粗化為球形。再在其中加入Cu，則一方面提高δ'層錯(cuò)能，有利于從切過機(jī)制變?yōu)槔@過機(jī)制，從而強(qiáng)化基體;另一方面則有助于析出T1相，提高合金程度［5］。

本材料為進(jìn)口成品型材，重新固溶熱處理一般情況下不會(huì)提高材料的強(qiáng)度，固溶處理是將合金元素溶解回到鋁基體中去，這過程實(shí)際上是固溶強(qiáng)化和第二相強(qiáng)化的一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)過程，曲線中的極值處為固溶程度最好且晶粒尺寸長(zhǎng)大不多的溫度。固溶過程中第二相先是溶回基體，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化使合金硬度提高;隨固溶時(shí)間的延長(zhǎng)，中間相質(zhì)點(diǎn)減少，增加了位錯(cuò)的易動(dòng)性，降低合金硬度;隨固溶溫度的降低，中間相擴(kuò)散減慢，溶解度降低，合金固溶時(shí)間延長(zhǎng)且硬度降低。溫度過低會(huì)使機(jī)體內(nèi)殘留一部分過剩相，成為時(shí)效時(shí)第二相長(zhǎng)大的質(zhì)點(diǎn)，使第二相粗大，不易于材料性能。過高會(huì)使晶粒發(fā)生再結(jié)晶，從而使晶粒長(zhǎng)大，出現(xiàn)受力不均勻的現(xiàn)象，這樣同樣制約材料性能。當(dāng)Cu的含量小于5%時(shí)一般很難產(chǎn)生。所以2198鋁鋰合金的析出過程多為先從過飽和固溶體中生成G.P.區(qū)然后生成亞穩(wěn)相 δ'，δ'為無(wú)優(yōu)先慣析面的球狀粒子，最后在 δ'的基礎(chǔ)上生成 T1［1］。

對(duì)應(yīng)于T851熱處理制度，原始板材在熱軋過程中同時(shí)發(fā)生形變和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，這對(duì)織構(gòu)的形成有很大的影響。如果析出相與基體共格則較易于切過，變形多以平面滑移方式。變形量不大，變形可均勻進(jìn)行，但如變形量增大，形變將趨向于非均勻進(jìn)行，產(chǎn)生相應(yīng)的Brass等織構(gòu)組分。對(duì)層錯(cuò)能較高的鋁鋰合金來說，如在軋制中引入顯著的動(dòng)態(tài)回復(fù)，則Brass組分的形成幾率也將提高。如顆粒不可切過，析出相周圍會(huì)引入大量局部?jī)?nèi)應(yīng)力，使相鄰晶粒旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生細(xì)小且取向凌亂的亞晶結(jié)構(gòu)，及增添些許弱織構(gòu)。T1相為{111}慣析面析出相，它對(duì)織構(gòu)起到調(diào)整作用。而在面心立方的Al-Cu-Li合金中 Brass織構(gòu)是主要織構(gòu)［6］。熱軋Al-Li-Cu合金中的Brass織構(gòu)與T1相是有關(guān)聯(lián)的，在Al-Cu-Li合金中，當(dāng)T1相在相組成中占主導(dǎo)地位時(shí)會(huì)導(dǎo)致Brass織構(gòu)的密度增加，從而增加各向異性。同時(shí)，T1相在{111}上的不均勻分布也會(huì)強(qiáng)烈地影響合金的各向異性［7］。

對(duì)于fcc的鋁合金，滑移主要在沿八面體的{111}面＜110＞方向發(fā)生，也可能在非八面體的{110}面 ＜110＞方向發(fā)生滑移［8］。對(duì)于{111}滑移面，以(111)為慣析面的T1相與{111}滑移面呈0°所以，顆粒面密度相同的情況下，非八面體滑移因其臨界分切應(yīng)力較小而易于進(jìn)行，這對(duì)變形織構(gòu)的形成有重要影響［6］。重新固溶之后，第二相被溶回基體中去，相當(dāng)一次不徹底的再結(jié)晶過程。晶體形貌變化不大，亞晶發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致一些弱織構(gòu)的產(chǎn)生。

4 結(jié)論

本研究通過力學(xué)性能測(cè)試和組織觀察研究了2198新型鋁鋰合金的后續(xù)固溶時(shí)效熱處理制度，并通過XRD衍射儀對(duì)原始板材和后續(xù)熱處理的板材進(jìn)行織構(gòu)測(cè)算以期確定后續(xù)熱處理制度對(duì)織構(gòu)演變規(guī)律的影響，從而確定提高板材各向同性的最佳工藝參數(shù)。得到以下主要結(jié)論:

(1)2198新型鋁鋰合金的最佳后續(xù)熱處理制度為固溶500℃ ×1 h，淬火后時(shí)效175℃ ×20 h。

(2)重新固溶時(shí)效之后，材料抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度略有下降，但延伸率基本保持不變。

(3)原始板材有著較為強(qiáng)烈的{213}＜634＞的S組分和比較強(qiáng)烈的{011}＜211＞的B組分以及比較弱的Cube{001}＜100＞組分。經(jīng)重新熱處理后，織構(gòu)的S組分沒有發(fā)生改變，B組分出現(xiàn)弱化，只是出現(xiàn)了較弱{112}＜111＞的C組分，而原始板材的Cube{001}＜100＞組分基本消除。

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