張振強(qiáng)，許曉靜，宋 濤，張?jiān)士?，羅 勇，吳 瑤，鄧平安

(江蘇大學(xué) 先進(jìn)制造與現(xiàn)代裝備技術(shù)工程研究院，鎮(zhèn)江 212013)

先進(jìn)金屬結(jié)構(gòu)材料是一個(gè)非常重要的研究課題，是國(guó)際上競(jìng)爭(zhēng)最激烈的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域之一。飛機(jī)、導(dǎo)彈以及航天器都要求結(jié)構(gòu)材料具有低密度、高比強(qiáng)度、高比剛度等性能，使之能夠減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，達(dá)到增加有效載荷或提高射程的目的。有報(bào)道稱，在航天飛行器結(jié)構(gòu)中，每增加 1 kg的有效載荷量就可以帶來4 400～110 000美元的經(jīng)濟(jì)效益[1]，鋁鋰合金因其具有密度低、比模量高、比強(qiáng)度高、成形性能好等性質(zhì)，而成為先進(jìn)國(guó)防武器裝備和航空航天高科技領(lǐng)域中最重要的結(jié)構(gòu)材料之一[2]。

2099鋁鋰合金系美國(guó)空軍 Wright材料實(shí)驗(yàn)室、Dayton大學(xué)、Alcoa公司合作研發(fā)的第三代新型鋁鋰合金，其基本成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)如下：2.4～3.0Cu，1.6～2.0Li，0.4～1.0Zn，0.1～0.5Mg，0.1～0.5Mn，0.05～0.12Zr，剩余為Al。該合金于2004年被美國(guó)鋁業(yè)協(xié)會(huì)正式命名為2099，具有較低的各向異性和密度，較高的比模量、比強(qiáng)度、損傷容限、抗腐蝕性、耐超低溫性能和熱暴露穩(wěn)定性能[3-7]。代替?zhèn)鹘y(tǒng)航空鋁合金應(yīng)用(如用于制造機(jī)身結(jié)構(gòu))具有14%的減輕質(zhì)量效果。目前，2099鋁鋰合金已在A380大飛機(jī)上作為地板梁等應(yīng)用，并也已在A350飛機(jī)作為地板梁、機(jī)身蒙皮和下翼面桁條應(yīng)用，我國(guó)大飛機(jī)也擬采用該合金[8]。

關(guān)于2099鋁鋰合金，國(guó)外尚處于保密狀態(tài)，有關(guān)其制備加工技術(shù)方面的報(bào)導(dǎo)幾乎是空白，而在國(guó)內(nèi)，從研究報(bào)導(dǎo)[9-13]來看，也只有鄭子樵教授課題組和本課題組展開研究。本文作者成功研制了鈧和鍶復(fù)合微合金化的高鋅 2099型鋁合金并獲授權(quán)發(fā)明專利[14]。目前，國(guó)內(nèi)外已發(fā)表文章主要涉及對(duì)該合金時(shí)效制度的探討、合金元素的影響及部分力學(xué)性能，而關(guān)于其拉伸與斷裂后的微觀組織及性能尚無公開詳細(xì)報(bào)導(dǎo)。因此，本文作者研究 2099鋁鋰合金擠壓材的拉伸性能、斷裂韌性及斷裂行為，提出其組織中存在的問題及影響，為進(jìn)一步的研究指明了方向，以期為該合金性能的提升提供科學(xué)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

試驗(yàn)材料為直徑30 mm的2099鋁鋰合金擠壓圓棒。參照國(guó)外關(guān)于合金成分的報(bào)導(dǎo)，試驗(yàn)合金熔煉以工業(yè)純鋁(99.79%)、純鋰(99.9%)、純鋅、純鎂和中間合金 Al-50% Cu、Al-10% Mn、Al-4% Zr、Al-10% Sr、Al-2% Sc為熔煉原材料，按照一定的比例添加，熔煉加工溫度控制在780～800 ℃，金屬模澆注成型。將鑄錠置于475 ℃保溫24 h進(jìn)行均勻化退火處理，擠壓成型時(shí)先在478 ℃保溫8 h，然后擠壓成直徑為30 mm的圓棒，擠壓比21.5。經(jīng)德國(guó)SPECTRO MAXx光譜儀實(shí)測(cè)，該合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為：Al-2.57Cu-1.86Li-1.31Zn-0.420Mg-0.321Mn-0.0735Zr-0.0943Sr-0.0433Sc。將合金置于540 ℃電阻爐中保溫2 h進(jìn)行固溶處理。采用變形加雙級(jí)時(shí)效的形式進(jìn)行熱處理，即先在室溫條件下沿軸向進(jìn)行壓縮量約為 4%的冷變形加工，然后對(duì)各試樣分別進(jìn)行不同的時(shí)效處理并進(jìn)行性能測(cè)試。

拉伸性能測(cè)試按 GB/T 228—2002標(biāo)準(zhǔn)[15]，試樣尺寸如圖1所示，取向L-R，將經(jīng)過預(yù)處理的2099鋁鋰合金擠壓材中的3組試樣統(tǒng)一進(jìn)行(121 ℃, 14 h)的一級(jí)時(shí)效處理，然后在181 ℃條件下分別進(jìn)行30、48和66 h的二級(jí)時(shí)效，采用美國(guó)英斯特朗Instron 5887電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)試，拉伸速度：屈服前1 mm/min，屈服后5 mm/min。

斷裂韌性按GB 4161—2007標(biāo)準(zhǔn)[16]制作緊湊拉伸試樣，試樣尺寸如圖1所示，取向L-R，所用設(shè)備為MTS-812-50KN。將斷裂后的試樣進(jìn)行表面鍍鎳，鑲嵌并制成金相試樣，從斷口縱剖面觀察斷裂形式。微觀形貌通過Nikon EPIPHOH 300金相顯微鏡和JEOL JSM-7001F型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀察。

圖1 拉伸及斷裂韌性試樣尺寸Fig.1 Sizes of tension specimen and fracture toughness specimen (Unit: mm)

2 結(jié)果及分析

2.1 微觀組織

圖2所示為2099鋁鋰合金擠壓材固溶態(tài)組織。由圖2可以看出，合金組織沿?cái)D壓方向呈帶狀(纖維狀)分布，部分區(qū)域發(fā)生再結(jié)晶，形成細(xì)小再結(jié)晶組織帶，不(難)溶第二相尺寸仍較大，并沿?cái)D壓方向排列分布。組織的方向性會(huì)造成其擠壓材性能表現(xiàn)出各向異性；存在的粗大第二相也易在受力后成為裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展的源頭，影響材料的性能。

2.2 拉伸性能

圖2 2099鋁鋰合金擠壓材固溶態(tài)組織Fig.2 Microstructure of 2099 Al-Li alloy extrusion materials after solid-solution treatment

3組拉伸試樣的性能測(cè)試平均值如表1所列(包括彈性模量、屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率和斷面收縮率)。由表1可以看出，2099鋁鋰合金具有較高的彈性模量，其值達(dá)到78.75 GPa，顯著高于7075鋁合金(71.0 GPa)和2024鋁合金(72.4 GPa)[17]。當(dāng)二級(jí)時(shí)效時(shí)間在30 h到66 h區(qū)間范圍內(nèi)時(shí)，隨著二級(jí)時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，合金性能發(fā)生明顯變化，強(qiáng)度尤其是屈服強(qiáng)度顯著提高，這是由于時(shí)效促進(jìn)合金內(nèi)部沉淀相數(shù)量不斷增加，有效釘扎位錯(cuò)。當(dāng)二級(jí)時(shí)效時(shí)間分別為 48和66 h時(shí)，其屈服強(qiáng)度分別為445和491 MPa，抗拉強(qiáng)度分別為 541和551 MPa，伸長(zhǎng)率分別為 5.7%和4.7%，合金表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。經(jīng)實(shí)測(cè)，該合金密度為2 517 kg/m3，遠(yuǎn)低于7075鋁合金(2 810 kg/m3)和2024鋁合金(2 770 kg/m3)[18]，因此，2099鋁鋰合金擠壓材具有較高的比彈性模量(彈性模量與密度的比值)，代替7000系和2000系鋁合金將具有非常卓越的減輕質(zhì)量和提升剛度優(yōu)勢(shì)。

圖3所示為2099鋁鋰合金擠壓材經(jīng)拉伸試驗(yàn)后的斷裂試樣。由圖3可以看出，試樣標(biāo)距部分的形貌均為典型的均勻變形，沒有明顯的頸縮現(xiàn)象。圖4所示為拉伸過程中的應(yīng)力—應(yīng)變曲線。由圖4可以看出，試樣在拉伸過程中持續(xù)硬化并直至斷裂，曲線在末端沒有出現(xiàn)下降現(xiàn)象，說明拉伸斷裂試樣沒有出現(xiàn)明顯的縮頸過程，這與圖3中的試樣形貌一致，兩者之間相互印證。

圖5所示為3組2099鋁鋰合金擠壓材拉伸試樣的斷口形貌。由圖5可以看出，低倍斷口都呈分層斷裂特征，具有鋁鋰合金斷口的典型特征；高倍斷口都以沿晶(亞晶)界斷裂特征為主，隨著二級(jí)時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)以及合金屈服強(qiáng)度提高，沿晶斷裂特征越明顯。在二級(jí)時(shí)效時(shí)間為66 h時(shí)，斷口更多的呈現(xiàn)冰糖狀形貌，這是沿晶斷裂的明顯特征，從而也導(dǎo)致了合金伸長(zhǎng)率下降。

圖3 2099鋁鋰合金擠壓材拉伸斷裂試樣Fig.3 Tensile failure samples of 2099 Al-Li alloy extrusion materials at (121 ℃, 14 h)+(181 ℃, 48 h)

圖4 不同熱處理狀態(tài) 2099鋁鋰合金擠壓材應(yīng)力—應(yīng)變曲線Fig.4 Stress—strain curves of 2099 Al-Li alloy extrusion materials at different heat treatment states

表1 2099鋁鋰合金擠壓材的拉伸性能測(cè)試Table1 Tensile property test of 2099 AL-Li alloy extrusion materials

圖5 不同熱處理狀態(tài)2099鋁鋰合金擠壓材的拉伸斷口形貌Fig.5 Tensile fractographs of 2099 Al-Li alloy extrusion materials at different heat treatment states: (a), (b) (121 ℃, 14 h)+(181 ℃,30 h); (c), (d) (121 ℃, 14 h)+(181 ℃, 48 h); (e), (f) (121 ℃, 14 h)+(181 ℃, 66 h)

2.3 斷裂韌性

鑒于上述 2099鋁鋰合金擠壓材在二級(jí)時(shí)效時(shí)間為48 h時(shí)的強(qiáng)塑性匹配較佳，因此斷裂韌性測(cè)試試樣采取與其相同的時(shí)效制度。實(shí)際工藝為：約 4.32%的預(yù)壓縮和(121 ℃, 14 h)+(181 ℃, 48 h)的時(shí)效。經(jīng)測(cè)試，其KIC值達(dá)到 22.87 MPa·m1/2。

圖6所示為斷裂韌性試樣斷口經(jīng)化學(xué)鍍鎳保護(hù)后沿其縱剖面切開經(jīng)磨拋和腐蝕后的組織照片。從圖6

圖6 斷裂韌性試樣縱剖面組織照片F(xiàn)ig.6 Longitudinal section microstructure of fracture toughness sample

可以看出，合金內(nèi)部存在非均勻分布的細(xì)小再結(jié)晶晶粒和粗大不(難)溶第二相等組織缺陷，并且這些缺陷在斷裂裂紋處的分布更為明顯，也即斷裂主要沿上述組織缺陷進(jìn)行擴(kuò)展。對(duì)斷口進(jìn)行掃描觀察和能譜分析后發(fā)現(xiàn)，斷口裂紋擴(kuò)展區(qū)存在粗大不(難)溶第二相(見圖7)，這些第二相主要是一些未溶的Al-Cu相等。由此可以看到，正是由于上述問題的存在造成合金更易在這些存在缺陷的地方率先出現(xiàn)失效。因此，合金斷裂韌性的進(jìn)一步提高需要減少和抑制細(xì)小再結(jié)晶組織、粗大不(難)溶第二相等組織缺陷。

圖7 斷口粗大第二相形貌及能譜分析Fig.7 Morphology(a) and EDS analysis(b) of coarse second phase in fracture surface

3 結(jié)論

1) 2099鋁鋰合金擠壓材經(jīng)(540 ℃, 2 h)固溶淬火后，其組織呈帶狀(纖維狀)分布，部分區(qū)域形成再結(jié)晶組織帶。

2) 2099鋁鋰合金的彈性模量為78.75 GPa，密度為2 517 kg/m3，其比彈性模量顯著高于7000系和2000系鋁合金的。

3) 2099鋁鋰合金擠壓材在二級(jí)時(shí)效(181 ℃,30～66 h)過程中，隨二級(jí)時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，強(qiáng)度尤其是屈服強(qiáng)度顯著提高，且沿晶斷裂特征逐步明顯。

4) 2099鋁鋰合金擠壓材斷裂韌性的進(jìn)一步提高需要減少和抑制細(xì)小再結(jié)晶組織、粗大不(難)溶第二相等組織缺陷。

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