2A97-T84鋁鋰合金型材形變熱處理工藝技術(shù)研究

王 燕，杜 榮

（西南鋁業(yè)（集團）有限責任公司，重慶401326）

0 前言

為滿足某種大飛機以及后續(xù)衍生機種的需求，研制、應(yīng)用新的高比強度、高比模量、低密度材料是航空工業(yè)發(fā)展的主要方向之一，其中具有代表性的是高強、高韌、耐損傷性能優(yōu)良的第三代鋁鋰合金［1］。2A97鋁鋰合金是我國自主研發(fā)的新型Al-Cu-Li系合金，具有輕質(zhì)高強、可焊性好、耐疲勞等優(yōu)點［2］。與2197、2297鋁鋰合金相比，該合金組元多、成分構(gòu)成復雜，Cu、Mg、Zn等元素含量較高，通過改善熱處理工藝可進一步提高它的性能，以滿足航空航天工業(yè)的不同需求。鐘申等［3］采用先低溫后高溫的時效工藝制得了強韌性配比良好的2A97鋁鋰合金；李紅英等［4］研究了2A97鋁鋰合金的峰值時效，在保證其塑性的前提下提高了強度。高文理等［5］研究了不同工藝時效后2A97鋁鋰合金的組織與性能。高崇等［6］通過對形變熱處理工藝的研究，對比了熱處理前形變量的變化對應(yīng)的強化相的變化。

盡管國內(nèi)有關(guān)學者對2A97鋁鋰合金已開展了較為廣泛的研究，但眾多的研究結(jié)果均不能滿足用戶需求中的高強度、高延伸的指標要求，即：抗拉強度≥530 MPa，屈服強度≥500 MPa，延伸率≥8%；且要求其剝落腐蝕性能不低于EB級。為研制出高性能的2A97鋁鋰合金型材，急需展開對2A97-T84鋁鋰合金形變熱處理工藝的研究。本研究通過不斷的摸索、試驗、分析以及優(yōu)化改進，形成了一套生產(chǎn)高性能2A97鋁鋰合金擠壓型材的技術(shù)方案，滿足了2A97鋁鋰合金型材高性能的市場需求。

1 試驗方法

試驗用2A97鋁鋰合金化學成分見表1。為減少鑄態(tài)組織元素的偏析，將鑄錠進行雙級均勻化處理。均勻化工藝制度為：（410±5）℃/8 h+（500±5）℃/24 h。鑄錠直徑為450 mm，采用二次擠壓工藝，鑄錠溫度430～450℃，擠壓筒溫430～450℃，擠壓速度0.4～0.8 m／min，將鑄錠擠成XC111-60的標準型材。試驗選用的固溶溫度為520℃，固溶保溫時間45 min。合金經(jīng)固溶后隨即進行拉伸處理，拉伸率分別選取1%、2%、2.6%、3%、4%、5%、6%，同時在淬火后分別停放0～7 h，研究不同形變量以及不同停放時間對產(chǎn)品性能的影響。隨后再進行時效處理，采用雙級時效，一級時效制度選用125℃/16 h，二級時效制度分別選用150℃、155℃、160℃以及不同保溫時間。測量不同時效制度下型材縱向的力學性能并觀察型材內(nèi)部組織的變化。

表1 2A97鑄錠化學成分實測值（質(zhì)量分數(shù)/%）

2 結(jié)果與分析

2.1 形變量對2A97鋁鋰合金性能的影響

經(jīng)數(shù)次小試驗以及多次小批量投產(chǎn)，發(fā)現(xiàn)拉伸變形量對該合金型材性能的影響異常明顯。取樣做不同拉伸變形量的測試，均在2 h內(nèi)完成拉伸。然后進行時效，時效制度為125℃/16 h+150℃/11 h。時效后檢測其力學性能，不同拉伸變形量對應(yīng)的性能值（取性能平均值）見圖1。

圖1 不同拉伸量對應(yīng)的力學性能

從圖1可見，當拉伸率從1%增至6%時，抗拉強度和屈服強度逐漸增大，尤其是屈服強度的增長趨勢異常明顯，同時對應(yīng)的延伸率逐步減少。在拉伸率達到4%時以后，型材強度的增長較1%～4%區(qū)間內(nèi)有所減慢。拉伸率從1%增至4%，2A97型材屈服強度增長111 MPa，抗拉強度增長35.5 MPa，延伸率下降6.75%。由此可見，要達到高性能要求，即室溫抗拉強度達到530 MPa以上、屈服強度達到500 MPa以上、延伸率≥8.0%，在進行人工時效前，該合金至少需產(chǎn)生3%以上的冷加工變形。結(jié)合大生產(chǎn)設(shè)備條件以及確保產(chǎn)品性能的穩(wěn)定性和均勻性，將工業(yè)化生產(chǎn)時的拉伸率定在4%，按3.5%～4.5%控制。

同時我們做了一組淬火后停放0 h（15 min以內(nèi)）～7 h的試驗，規(guī)格和淬火制度同上，然后檢測其新淬火下不同停放時間的性能，淬火后不同停放時間對應(yīng)的性能值見圖2。

圖2 淬火后不同停放時間對應(yīng)的產(chǎn)品性能

從圖2可見，淬火后，隨著停放時間的延長，產(chǎn)品強度逐漸增大，這勢必會增加拉伸的難度。最后決定將該合金產(chǎn)品淬火出爐后控制在3 h內(nèi)完成拉伸。

2.2 時效制度對2A97鋁鋰合金組織性能的影響

國內(nèi)前期有關(guān)研究表明，在單級時效下，2A97鋁鋰合金性能很難滿足σb≥530 MPa、σ0.2≥500 MPa、δ≥8%的高性能的指標要求[3-6]。因此我們選取雙級時效的方式來提高產(chǎn)品的高性能指標要求。試驗時選取XC111-60型材，將淬火制度定為520℃/45 min，在淬火后2 h內(nèi)完成拉伸。拉伸量目標值按3%控制，停放96 h，研究不同的時效制度對材料力學性能的影響，確定合理時效工藝，使合金晶內(nèi)具有不同尺寸析出相并與具有時效特征的晶間析出相相匹配，發(fā)揮不同尺寸析出相協(xié)同強韌化的作用，使合金實現(xiàn)高強、高韌、良好抗蝕性能的優(yōu)化匹配。前期實驗室研究一級時效制度為125℃/16 h；二級時效溫度160℃，保溫時間分別為9 h、12 h、15 h、18 h、21 h和24 h。實驗結(jié)果如表2所示。

表2 二級時效溫度為160℃時不同保溫時間下的力學性能

從表2可見，隨著二級時效保溫時間的延長，抗拉強度、屈服強度均合格且富余量較多，而延伸率在二級時效保溫12 h后，基本都低于標準值8%。圖3為二級時效保溫時間為9 h的TEM照片。

從圖3（a）可以看出，雙級時效后合金中形成大量密集且具有一定尺寸的T1相，使合金強度得到提升；圖3（b）中的衍射斑點顯示此時還存在少量的δ′相。

圖3 2A97-T84雙級時效的TEM形貌

125℃/16 h+160℃/9 h時效制度下的試驗結(jié)果表明，2A97-T84型材延伸率的整體富余量不高。因此，將二級時效溫度降低至150℃和155℃，在不同保溫時間下進行了交叉試驗。試驗結(jié)果如表3所示。

表3 二級時效溫度為150℃和155℃時不同保溫時間下的力學性能

從表3可以看出，當二級時效溫度為150℃和155℃時，隨著保溫時間的延長，抗拉強度和屈服強度穩(wěn)步增長，尤其是二級時效為150℃時，仍保持著較好的延伸率。結(jié)合到實際生產(chǎn)中的設(shè)備條件以及前期對淬火后停放時間和不同拉伸率對2A97型材性能影響的研究，最終將2A97-T84時效制度定為125℃/16 h+150℃/11 h。若發(fā)現(xiàn)性能偏低，可對其二級時效進行補充時效1～3 h。

3 工業(yè)化驗證

在工業(yè)化生產(chǎn)過程中，采用滿足AMS 2750二級爐要求的淬火爐和時效爐進行熱處理。而針對拉伸機拉伸速度不可控，拉伸率實測值波動大這一難題，為獲得精確穩(wěn)定的拉伸率，減少拉伸率波動對產(chǎn)品性能的影響，我們將現(xiàn)有的拉伸機進行了兩次改造。第二次改造增加了激光測距，采用PLC作為核心控制系統(tǒng)進行邏輯控制和數(shù)字運算，從而減少了拉伸率對2A97-T84型材性能的影響。圖4為拉伸機改造后某批次拉伸率的實測值。

圖4 不同根制品頭、尾端拉伸率

克服了拉伸率精準控制難題后，采用520℃進行淬火，固溶保溫時間根據(jù)型材壁厚而定，拉伸率3.5%～4.5%，按4%控制。經(jīng)多輪工業(yè)化生產(chǎn)，時效制度最終定為125℃/16 h+150℃/13 h。在此制度下取得的力學性能均滿足高性能的要求（見表4），且型材的剝落腐蝕性能不低于EB級。

表4 2A97-T84型材力學性能實測值

4 結(jié)論

（1）拉伸變形量對2A97-T84型材性能的影響極大，尤其是拉伸率在1%～4%時，抗拉強度和屈服強度都呈不同幅度的增長，對應(yīng)的延伸率逐步減少。在拉伸率達到4%以后，型材強度的增長有所減慢。為滿足高性能的指標要求，在進行人工時效前，該合金至少需產(chǎn)生3%以上的冷加工變形。為了確保產(chǎn)品性能的穩(wěn)定性和均勻性，工業(yè)化生產(chǎn)時，型材淬火后在3 h內(nèi)完成拉伸，拉伸率控制在3.5%～4.5%范圍內(nèi)。

（2）2A97雙級時效工藝的研究結(jié)果表明，2A97鋁鋰合金在雙級時效制度為125℃/16 h+150℃/13 h時具有強塑性好、抗剝落腐蝕性能優(yōu)良等優(yōu)點，且固化后經(jīng)工藝熱處理后，2A97-T84鋁鋰合金型材也能滿足高性能指標要求。