0 引言

铝锂合金作为航空航天飞行器件上应用广泛的主要结构材料,拥有十分优异的性能优势。新型铝锂合金密度低、比强度高、比刚度高、弹性模量高、腐蚀性能好、低温和高温性能优越、疲劳裂纹扩展速率低、超塑成型性能卓越,用其代替常规的高强度铝合金可使结构质量减轻10%~20%,因此做为航空航天飞行器件上的主要结构材料是十分理想的^[1,2,3,4]。

2050铝合金作为Al-Cu-Li系热处理可强化新型铝锂合金的代表,是在2098铝锂合金的基础上进行微量合金元素如Mn、Mg、Li含量的调整,用于飞机机身壁板整体结构件,与被取代的7050合金相比,密度降低4%,弹性模量提高5%,实现了5%的减重。作为未来战神火箭的主要结构材料,2050铝锂合金主要用于乘务舱部件框架、肋条、窗口^[5]。2050铝锂合金的主要强化相为θ’(Al₂Cu)和T₁相。T₁相能够有效的抑制δ’ (Al₃Li)相共面滑移从而引起的性能各向异性。θ’(Al₂Cu)过渡相转化为与基体无共格关系的θ相,则合金强度下降^[6,7,8]。沉淀强化相的种类、数量、尺寸和形态分布对材料的性能有着显著的影响。目前,对2050铝锂合金热处理工艺的研究有部分关于原材性能均匀化处理的研究,以及不同时效温度的T8态热处理的研究。本文选择固溶温度、预变形量、时效温度和时效时间参数,设计正交试验^[9,10]。并通过对这部分试验结果的极差分析了解全面试验的情况,得到各个因素的敏感性影响程度以及各因素的最佳水平,最终确定获得2050铝锂合金力学性能的较优工艺参数组合。

1 实验

1.1 材料

2050铝锂合金板材。板材状态为退火态,厚度8 mm,化学成分(wt%)为3.2~3.9Cu、0.7~1.3Li、0.2~0.6Mg、0.2~0.7Ag、0.2~0.5Mn、0.06~0.14Zr、0.25 Zn、0.1Ti。

1.2 实验设计

试样按照固溶、淬火、预变形、时效的顺序进行处理。选择时效时间(A)、固溶温度(B)、时效温度(C)、预变形量(D)四个工艺参数为正交试验因素。考虑到时效时间的可选范围较大,其他三个因素选择3水平,时效时间选择6水平进行试验设计。固溶温度(510、525、540℃)、预变形量(3%、7%、12%)、时效温度(140、160、180℃)以及时效时间(8、12、18、24、36、48h)。

1.3 测试分析

将热处理后试样通过万能试验机进行拉伸性能测试,测试标准为GB/T228.1-2010,获得其抗拉强度、屈服强度和延伸率三项性能数据。通过光镜DM4000M对部分试样拍摄金相显微照片,观察分析其晶粒组织。在Tecnai G²⁰ST透射电子显微镜上观察微观组织,加速电压为200 kV。

2 结果与分析

2.1 正交试验

表1为2050铝锂合金正交试验设计正交表L₁₈(6×3³)。表1中不同热处理制度下2050铝锂合金的力学性能数据有较大差异,屈服强度最低小于300 MPa,最高达到570 MPa;抗拉强度最低接近400 MPa,最高接近590 MPa;延伸率均高于10%,最大延伸率可达24%

2.2 极差分析及性能变化规律

表2为2050铝锂合金力学性能极差分析表。考虑到2050铝锂合金主要应用于航天器上的结构件,要求性能在保证一定延伸率的前提下,屈服强度和抗拉强度的期望是取得相对最大值,因而在因素主次选择上应优先考虑屈服强度、抗拉强度由大及小,再考虑延伸率由大及小。

从表2中的极差分析可以看出,影响显著性从大到小依次为时效温度、时效时间、预变形量、固溶温度。

图1为2050铝锂合金力学性能随不同工艺参数的变化。图1(a)为材料屈服强度、抗拉强度、延伸率随时效时间的变化曲线。可见:(1)时效时间从8~18 h,合金的屈服强度、抗拉强度不断提高;18~24 h,材料强度有明显下降; 24~48 h,材料强度继续提高。(2)材料延伸率随着时效时间的变化规律与材料强度相对应,在18 h处出现极小值;之后到24 h,有所上升;时效时间继续延长,材料延伸率逐渐降低。

图1 2050铝锂合金力学性能随工艺参数的变化曲线

Fig.1 Change of mechanical properties of 2050 Al-Li alloy versus technological parameter

图1(b)为材料屈服强度、抗拉强度、延伸率随固溶温度的变化曲线。由图可见:(1)固溶温度在525℃时材料的屈服强度、抗拉强度比固溶温度在510和540℃时高。但整体来看,材料强度受固溶温度的影响并不大。(2)材料延伸率随着固溶温度的变化规律与材料强度相对应,在525℃处出现极小值。

图1(c)为材料屈服强度、抗拉强度、延伸率随时效温度的变化曲线。由图可见:(1)时效温度在160℃时材料的屈服强度、抗拉强度达到极大值。与图2相比,时效温度的变化对材料强度的影响比固溶温度变化的影响要更为显著。(2)材料延伸率随着时效温度的变化规律与材料强度相对应,时效温度160℃时延伸率出现极小值。

图2 2050铝锂合金在不同热处理制度下的形貌照片(固溶温度为540℃)

Fig.2 Morphology pictures of 2050 Al-Li alloy under different heat treatments(solution temperature is 540℃)

图1(d)为材料屈服强度、抗拉强度、延伸率随预变形量的变化曲线。可见:(1)随着预变形量的增加,材料的屈服强度、抗拉强度逐渐增加;(2)材料预变形量的增加会导致延伸率的降低。材料的延伸率均在10%以上,工艺参数的选择考虑屈服强度、抗拉强度即可。综合考虑制定热处理工艺为时效时间48 h、固溶温度525℃、时效温度160℃、预变形量12%。

图2为2050铝锂合金在不同热处理制度下的形貌照片。选取表一中12^#、15^#和6^#三组不同工艺处理的试样进行金相显微镜观察,分别对应图2(a)(b)(c)。图2(b)(c)两图,预变形量均为7%的工艺,晶粒尺寸无明显变化,但图2(b)图材料强度性能高于图2(c)图,推测是由于时效时间的延长,使析出相析出更加充分,从而使材料的强度得到提高。对比图2(a)(b)和图2(a)(c)两组图,晶粒尺寸有较大变化,图2(b)、图2(c)中粗大晶粒尺寸达到长约180 μm,宽约40 μm,而图2(a)中晶粒平均尺寸约长20 μm,宽10 μm,细化效果显著。在工艺方面,图2(a)工艺为预变形量为12%,高于图2(b)(c)工艺的7%,可见预变形量对晶粒尺寸有着重要影响,结合表2,图2(a)对应材料强度也高于图2(b)(c)。这是由于预变形量的增大,促进了T₁相的形核,从而起到细化晶粒,提高强度的作用。

2.3 TEM分析

图3为两组不同工艺下合金析出相的TEM和选区[112]衍射花样。可以看出,两种工艺均析出较多T₁相。暗场像中,图3(a)中T₁相短而粗,图3(b)中T₁相长而细,且分布较为均匀。均匀分布的较细T₁相能有效提高合金的强度,但T₁相的长度的增加会使材料的延伸率降低。结合表2,3进行分析,图3(a)对应8#试验,图3(b)对应9#试验。结合极差分析结果,在相同时效时间的前提下,图3(a)工艺中的固溶温度、预变形量参数选择均优于图3(b),图3(b)的时效温度参数优于图3(a)工艺。性能方面,与图3(a)相比,图3(b)试样强度提高约50 MPa,延伸率降低1.5%。图4为2050铝锂合金510℃固溶时透射电镜下微观组织照片。可见,固溶处理后合金内部并未出现相析出行为,得出析出相析出行为于时效阶段进行,而析出相强化是2050铝锂合金主要的强化方式。

图3 2050铝锂合金在不同热处理制度下的衍射斑及TEM暗场像

Fig.3 Dark field TEM images of 2050 Al-Li alloy after different heat treatments

图4 510℃固溶处理后2050铝锂合金TEM图像

Fig.4 TEM images of the 2050 Al-Li alloy after solid solution at 510℃

通过图3,4的微观结构分析得出,时效温度的变化影响材料的相析出行为,主要表现在影响T₁相析出的数量、尺寸、分布等特征。其对材料强度影响的显著性要比固溶温度高,这与正交试验极差分析的计算结果一致。

3 结论

(1)热处理工艺:对材料屈服强度、抗拉强度和延伸率影响显著性由大到小均为时效温度、时效时间、预变形量、固溶温度。

(2)通过极差分析,研究4个参数及其水平的综合主次关系,最终确定2050铝锂合金较优热处理工艺参数为固溶温度为525℃,预变形量为12%,时效温度为160℃,时效时间为48 h。

参考文献