預(yù)拉伸處理對(duì)2A97薄板組織和性能的影響

于　娟，　陸　政，　李國(guó)愛(ài)，　馮朝輝

(北京航空材料研究院 北京市先進(jìn)鋁合金材料及應(yīng)用工程技術(shù)研究中心， 北京 100095)

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預(yù)拉伸處理對(duì)2A97薄板組織和性能的影響

于娟，陸政，李國(guó)愛(ài)，馮朝輝

(北京航空材料研究院 北京市先進(jìn)鋁合金材料及應(yīng)用工程技術(shù)研究中心， 北京 100095)

通過(guò)室溫拉伸、腐蝕試驗(yàn)、TEM等手段，研究人工時(shí)效前預(yù)拉伸處理對(duì)2A97鋁鋰合金組織和性能的影響。結(jié)果表明：在相同時(shí)效工藝下，經(jīng)3%的預(yù)拉伸變形后，2A97合金的強(qiáng)度和耐蝕性能都有較大提高，其中抗拉強(qiáng)度提高了32 MPa，晶間腐蝕等級(jí)變?yōu)辄c(diǎn)蝕等級(jí)；預(yù)拉伸處理促進(jìn)了時(shí)效過(guò)程中T1相在晶內(nèi)的均勻彌散析出，降低了δ′相的含量，抑制了晶界平衡相的析出，從而改善了合金的強(qiáng)度和耐蝕性能。

2A97鋁鋰合金；預(yù)拉伸；析出相；拉伸性能；晶間腐蝕

2A97鋁鋰合金是我國(guó)自主研發(fā)的Al-Cu-Li系可時(shí)效強(qiáng)化型鋁合金，合金化程度高，強(qiáng)度高，具有良好的綜合性能，已經(jīng)成為航空航天的重要材料之一[1]。Cassada和Noble 等研究認(rèn)為，時(shí)效前增加預(yù)變形，可以改變主要強(qiáng)化相 T1(Al2CuLi)和δ′(Al3Li)的競(jìng)爭(zhēng)析出動(dòng)力學(xué)，促進(jìn) T1相析出并使之細(xì)化[2-3]。對(duì)固溶處理后的Al-Li合金在時(shí)效前進(jìn)行適當(dāng)冷變形，可在合金中形成密布的位錯(cuò)或位錯(cuò)纏結(jié)，成為 T1相非均勻形核的位置，從而使時(shí)效過(guò)程中析出的第二相微粒更為彌散均勻分布，增大位錯(cuò)不能切割的沉淀相的體積分?jǐn)?shù)，減小合金的共面滑移及晶界應(yīng)力集中，并減小無(wú)沉淀析出帶寬度，改善合金的綜合力學(xué)性能[4-9]。Kumai等發(fā)現(xiàn)鋁鋰合金腐蝕行為主要和T1相有關(guān)，腐蝕時(shí)T1相為陰極相，而晶界和亞晶界邊緣的貧Cu無(wú)沉淀帶為陽(yáng)極相，晶間腐蝕和亞晶間腐蝕是由于貧Cu無(wú)沉淀帶的溶解造成的[10]。時(shí)效前進(jìn)行預(yù)變形，導(dǎo)致基體內(nèi)位錯(cuò)的大量形成，促進(jìn)T1相大量而均勻形核，阻礙了貧Cu無(wú)沉淀帶的形成，因而減少了晶界腐蝕和亞晶界腐蝕。預(yù)拉伸處理可以改變合金時(shí)效析出物的類(lèi)型和分布，不僅可以改善合金的力學(xué)性能，對(duì)合金的耐腐蝕性能也有顯著影響。我國(guó)對(duì)鋁鋰合金的研究與世界先進(jìn)水平還有較大的差距，對(duì)Al-Cu-Li系鋁鋰合金力學(xué)性能和腐蝕性能的綜合分析也相對(duì)較少。本工作研究2A97鋁鋰合金在時(shí)效前經(jīng)預(yù)拉伸變形和未經(jīng)變形的合金組織和性能的影響關(guān)系，為進(jìn)一步改善合金的綜合性能奠定基礎(chǔ)。

1　實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)材料為西南鋁業(yè)公司提供的工業(yè)化生產(chǎn)的1.2 mm厚度規(guī)格的2A97鋁鋰合金冷軋板材。板材經(jīng)520 ℃/30 min固溶+室溫水淬處理后，其中一部分試樣立即進(jìn)行3% 預(yù)拉伸變形，然后進(jìn)行人工時(shí)效，另一部分直接進(jìn)行人工時(shí)效處理。人工時(shí)效工藝為115 ℃/14 h+155 ℃/15 h。

時(shí)效處理后的試樣沿橫向(LT)方向取樣，在INSTRON型拉伸機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸實(shí)驗(yàn)，應(yīng)變速率為1 mm/min，實(shí)驗(yàn)按HB5143—1996進(jìn)行。透射電鏡分析在JEM-2000CX型電鏡上進(jìn)行，加速電壓為160 KV。透射試樣在雙噴電解儀上進(jìn)行雙噴剪薄，雙噴時(shí)工作溫度為-20° C，工作電壓為20～25 V，電流為90～100 mA。

合金晶間腐蝕按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7998—2005進(jìn)行，以合金軋制表面為腐蝕面，依次經(jīng)過(guò)砂紙打磨、拋光、丙酮除油、蒸餾水清洗，腐蝕介質(zhì)選用57 g NaCl/L+10 ml H2O2/L腐蝕溶液，浸泡時(shí)間為6 h 。

2　結(jié)果與分析

2.1拉伸性能

表1是經(jīng)過(guò)預(yù)拉伸和未經(jīng)過(guò)預(yù)拉伸處理的試樣室溫拉伸性能。從表1可以看出，合金在115 ℃/14 h+155 ℃/15 h雙級(jí)時(shí)效處理前，經(jīng)過(guò)3%預(yù)拉伸變形后的試樣抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都明顯高于未經(jīng)預(yù)變形處理的，分別為568 MPa和500 MPa，伸長(zhǎng)率為13.5%；抗拉強(qiáng)度比未經(jīng)預(yù)變形處理的試樣高了32 MPa，而屈服強(qiáng)度高了79 MPa。

表1　不同預(yù)拉伸變形量對(duì)2A97合金力學(xué)性能的影響

2.2晶間腐蝕結(jié)果

圖1為不同預(yù)拉伸工藝處理后的晶間腐蝕形貌?？梢钥闯?，2種工藝處理后的合金晶間腐蝕形貌差距較大。經(jīng)過(guò)預(yù)拉伸處理后的合金晶間腐蝕為點(diǎn)蝕，而沒(méi)有經(jīng)過(guò)預(yù)拉伸處理的合金晶間腐蝕明顯，晶間腐蝕深度為96 μm。表明預(yù)拉伸處理明顯改善了合金的抗腐蝕性能，提高了合金的晶間腐蝕抗力。

2.3顯微組織

圖2為合金經(jīng)不同預(yù)拉伸處理后的明場(chǎng)TEM照片和選區(qū)電子衍射(SAED)花樣。圖2(a)為時(shí)效前經(jīng)過(guò)預(yù)拉伸變形時(shí)的透射顯微組織，電子束平行于基體<110>方向(見(jiàn)圖2(b))，合金經(jīng)變形后析出大量細(xì)小彌散、分布均勻的T1相，δ′相含量較少；從衍射斑點(diǎn)上可以觀(guān)察到顯著的芒線(xiàn)，表明T1相呈條片狀沿<110>方向擴(kuò)展，δ′相對(duì)應(yīng)的衍射斑較暗，表明數(shù)量較少。圖2(c)為未經(jīng)過(guò)預(yù)拉伸處理后合金的顯微組織，電子束平行于基體<110>方向(見(jiàn)圖2(d))，可以看出，T1相數(shù)量明顯減少，而且分布較不均勻，δ′相尺寸較大且數(shù)量較多，對(duì)應(yīng)的衍射斑點(diǎn)較為明亮。

圖1　2A97合金不同預(yù)拉伸處理后的晶間腐蝕形貌　(a)3%預(yù)拉伸變形；(b)未經(jīng)預(yù)拉伸變形Fig.1　Intergranular corrosion morphologies of 2A97 alloy after different pre-sretching processing(a)3% pre-stretching processing；(b)none pre-stretching processing

圖2　2A97合金不同預(yù)拉伸處理后的顯微組織與選區(qū)電子衍射譜　(a)3%預(yù)拉伸變形；(b)3%預(yù)拉伸變形的SAD花樣;(c)未經(jīng)預(yù)拉伸變形；(d)未經(jīng)預(yù)拉伸變形的SAD花樣Fig.2　TEM images and corresponding SAD patterns of 2A97 alloy after different pre-sretching processing(a)3% pre-sretching processing；(b)SAD patterns of 3% pre-sretching processing;(c)none pre-sretching processing；(d)SAD patterns of none pre-sretching processing

圖3為合金經(jīng)不同預(yù)拉伸處理后的晶界微觀(guān)組織。由圖3可知，時(shí)效前經(jīng)過(guò)預(yù)拉伸變形時(shí)，T1相在晶界析出細(xì)小、稀少，而未經(jīng)預(yù)拉伸變形的合金晶界析出相粗大、連續(xù)。

圖3　2A97合金不同預(yù)拉伸處理后的晶界微觀(guān)組織　(a)3%預(yù)拉伸變形；(b)未徑預(yù)拉伸變形Fig.3　Microstructures around grain boundaries of 2A97 alloy after different pre-sretching processing(a)3% pre-strelching processing; (b) none pre-stretching processing

3　討論和分析

3.12A97鋁鋰合金力學(xué)性能

對(duì)于A(yíng)l-Cu-Li系合金，影響其組織和性能的析出相主要有T1相、δ′相、θ′相等，根據(jù)合金成分和時(shí)效制度的不同，各種析出相的數(shù)量、尺寸和分布也存在較大差異[11]。由于δ′相和鋁基體高度共格，其界面能及共格應(yīng)變能低，因此2A97鋁鋰合金在固溶淬火后直接進(jìn)行時(shí)效時(shí)，δ′相優(yōu)先在基體中均勻析出。T1相與鋁基體呈半共格關(guān)系，析出非常緩慢，T1相主要依靠在位錯(cuò)、亞晶界等晶體缺陷處非均勻形核析出，以降低形成新相時(shí)的界面能。未經(jīng)預(yù)拉伸狀態(tài)下，合金晶內(nèi)位錯(cuò)密度較低，T1相在晶內(nèi)析出較少，主要沿晶界、亞晶界析出；因此，未經(jīng)預(yù)拉伸處理的2A97合金主要析出相為δ′相，以及優(yōu)先沿晶界、亞晶界析出的T1相，T1相的析出并不占主導(dǎo)地位，如圖2(c)，圖3(b)所示。

預(yù)拉伸處理后的合金基體組織以T1相為主，T1相更加細(xì)小彌散，體積分?jǐn)?shù)更大，δ′相的數(shù)量有所減少。經(jīng)過(guò)3%預(yù)拉伸處理之后的合金δ′相衍射強(qiáng)度變?nèi)?，表明δ′相?shù)量下降。由于δ′相與基體間的共格應(yīng)變能和界面能均較低，傾向于以均質(zhì)形核的方式在基體內(nèi)脫溶，因而δ′相的析出形態(tài)和數(shù)量不受預(yù)變形的影響[12]，Huang等研究表明δ′相的減少與T1相的生長(zhǎng)有關(guān)[13]。預(yù)拉伸處理促進(jìn)了時(shí)效過(guò)程中T1相大量析出，尺寸變得細(xì)小，分布變得均勻，時(shí)效過(guò)程中T1相的長(zhǎng)大消耗了一定數(shù)量的δ′相，形成了以T1相為主的組織，T1相的強(qiáng)化效果高于δ′相，使合金強(qiáng)度顯著升高；但是T1相密排面和密排方向與基體方向平行，當(dāng)T1相尺寸較小，數(shù)量較少時(shí)，由于晶體取向關(guān)系對(duì)分散共面滑移效果不大，對(duì)合金的強(qiáng)度和塑性影響不大[14]；當(dāng)T1相數(shù)量較多，尺寸較大時(shí)，會(huì)對(duì)變形過(guò)程中的位錯(cuò)滑移造成顯著的阻礙作用，提高了合金的強(qiáng)度，同時(shí)，降低了合金的塑性。因此，合金在經(jīng)過(guò)預(yù)拉伸處理后人工時(shí)效時(shí)抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到568 MPa，相比未經(jīng)預(yù)拉伸處理的合金提高了32 MP，而伸長(zhǎng)率卻下降了2.9%。

3.2腐蝕性能

合金中的第二相與周?chē)w化學(xué)成分的差異使彼此電位不一致，電位高低不同的臨近區(qū)域構(gòu)成原電池，在腐蝕介質(zhì)中發(fā)生陽(yáng)極溶解，導(dǎo)致合金產(chǎn)生局部腐蝕。鋁鋰合金典型的晶界特征常為連續(xù)分布的粗大析出相。通常鋁合金基體和析出相之間的電化學(xué)行為相差很大，腐蝕時(shí)析出相一般作為陽(yáng)極，其周?chē)w充當(dāng)陰極，形成原電池，發(fā)生析出相的率先溶解，導(dǎo)致晶界比晶粒內(nèi)部更易腐蝕。2A97鋁鋰合金時(shí)效時(shí)將在晶界、亞晶界及位錯(cuò)處析出δ′相、T1相，這兩種相在腐蝕時(shí)都作為陽(yáng)極存在[15]，因此，2A97鋁鋰合金的腐蝕過(guò)程主要與晶界析出相的分布密切相關(guān)。

時(shí)效前進(jìn)行預(yù)變形，導(dǎo)致基體內(nèi)位錯(cuò)的大量形成，促進(jìn)了Tl相在晶內(nèi)大量而均勻形核，減小了Tl相在晶界亞晶界處的形核，如圖3(a)所示，減少了晶界腐蝕和亞晶界腐蝕[10]。此外，晶界析出相不連續(xù)且稀少，有效切斷了晶界連續(xù)腐蝕通路[16]，因此，經(jīng)過(guò)預(yù)拉伸變形后人工時(shí)效的合金耐腐蝕性能更好。

4　結(jié)論

(1)2A97鋁鋰合金經(jīng)過(guò)預(yù)拉伸處理后再時(shí)效，相比未經(jīng)過(guò)預(yù)拉伸時(shí)效的合金，提高了力學(xué)性能和抗晶間腐蝕能力。其抗拉強(qiáng)度為568 MPa，提高了32 MPa;伸長(zhǎng)率為13.5%;晶間腐蝕為點(diǎn)蝕。

(2)2A97鋁鋰合金經(jīng)過(guò)3%的預(yù)拉伸處理后，主要析出相為T(mén)1相，T1相更加細(xì)小彌散，分布更加均勻，體積分?jǐn)?shù)更大，δ′相的數(shù)量有所減少；未經(jīng)預(yù)拉伸處理進(jìn)行人工時(shí)效的合金，主要析出相是δ′相，以及優(yōu)先沿晶界、亞晶界析出的T1相，T1相的析出并不占主導(dǎo)地位。

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(責(zé)任編輯：徐永祥)

Effect of Pre-sretching Processing on Microstructures and Properties of 2A97 Al-Li Alloy

YU Juan,LU Zheng,LI Guo′ai,FENG Zhaohui

(Beijing Engineering Research Center of Advanced Aluminum Alloys and Applications，Beijing Institute of Aeronautical Materials，Beijing 100095，China)

The effect of pre-sretching processing before artificial aging on the microstructures and properties of 2A97 Al-Li alloy was investigated by using tensile test，corrosion test and transmission electron microscope(TEM) observations. The results show that under the same aging process, the tensile strength and the corrosion property of 2A97 Al-Li alloy are greatly increased after 3% pre-sretching; the tensile strength increases 32 MPa, and intergranular corrosion level changes to pitting corrosion. The pre-sretching promotes the T1phase precipitation and makes its distribution more dispersive and homogeneous at matrix, reducing the content of the δ′phase, while the precipitation of equilibrium phase is restrained during the aging process, consequently improving the tensile strength and the corrosion property.

2A97 Al-Li alloy; pre-stretching; precipitated phase; tensile property; intergranular corrosion

2015-11-05；

2016-02-25

國(guó)家自然科學(xué)基金(51374187，51474195)

于娟(1988—)，女，碩士研究生，(E-mail) yuer1437@126.com。

10.11868/j.issn.1005-5053.2016.5.004

TG146.2

A

1005-5053(2016)05-0021-05