文章编号：1004-0609(2010)01-0072-07

Weldalite^TM210合金的拉伸性能与显微组织

付  欣，郑子樵，蔡  彪，李世晨，魏修宇

(中南大学 材料科学与工程学院，长沙 410083)

摘  要：通过显微硬度测试、拉伸实验和透射电镜观察，研究不同热处理状态(T6、T8)和微量Zn的添加对Weldalite^TM210Al-Li合金显微组织和拉伸性能的影响。结果表明：Weldalite^TM210Al-Li合金具有很高的强度，在T6状态下，该合金的主要析出强化相是θ′相、δ′相和T₁相；而在T8状态下，其主要强化相是δ′相和T₁相，预变形促进T₁相的析出，提高T8状态下合金的时效强化效果；微量Zn的添加明显促进T₁相的析出和弥散分布，使合金强度提高，但Zn的加入使合金塑性略有下降。

关键词：Weldalite^TM210Al-Li合金；Zn；显微组织；力学性能

中图分类号：TG 146.2　　     文献标识码：A

Tensile properties and microstructure of Weldalite^TM210 alloy

FU Xin, ZHENG Zi-qiao, CAI Biao, LI Shi-chen, WEI Xiu-yu

(School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

Abstract: The effects of different aging treatments (T6 and T8) and small additions of Zn on the microstructures and the tensile properties of the Weldalite^TM210 alloy were studied by microhardness test, tensile test and TEM. The results indicate that the Weldalite^TM210 alloy has high strength. Under T6 condition, the major strengthening phases of the Weldalite^TM210 alloy are θ′, δ′ and T₁ phases. Under T8 condition, the major strengthening phases are δ′ and T₁ phases. Predeformation promotes the precipitation of T₁ phase. The higher strength in T8 temper is attributed to high volume fraction of T₁ phase. The small addition of Zn promotes T₁ precipitation and their dispersive distribution, thus increases the strength of the Weldalite^TM210 alloy. But the small addition of Zn has unfavourable effect on the ductility of the Weldalite^TM210 alloy.

Key words: Weldalite^TM210 Al-Li alloy; Zn; microstructure; tensile properties

                    

20世纪90年代，美国的Reynolds金属公司和Martin Maritta公司合作，开发出Weldlite系列铝锂合金。该系列合金具有高强可焊的特点，抗拉强度最高可达700 MPa；在多种焊接工艺下均可形成致密的焊缝，其焊缝强度和韧性都明显高于其他传统铝合金。Weldalite合金包括Weldalite^TM 049和210两个合金系列，其中049系列合金已进行广泛研究，并在航空航天领域获得了应用^[1?3]。如Weldalite^TM 049家族中的代表性合金2195已应用于制作美国航天飞机外挂燃料贮箱，和原来使用的2219合金贮箱相比，质量减轻了3.4 t。然而到目前为止，有关Weldalite^TM 210合金的研究报道却极少。从零散的报道可知，与Weldalite^TM049合金相比，Weldalite^TM210合金主要有两个特点：一是在合金成份上添加了0.5%（质量分数）左右的Zn；二是该合金在人工时效前，不进行冷变形也可以获得较高的力学性能，这对时效前无法进行预变形的形状复杂的构件具有十分重要的实用价值。因此，深入探讨热处理制度和微量Zn的添加对Weldalite^TM210合金微观组织和力学性能的影响，对于进一步了解该合金特性和推广其应用具有重要的意义。

1  实验

采用高纯Al、Mg、Ag、Li锭和Al-Cu、Al-Zr、Al-Zn中间合金按设计成分配料后在熔剂保护的石墨坩埚中熔炼后浇入氩气保护的水冷模中。铸锭经454 ℃、16 h和504 ℃、8 h双级均匀化和切头铣面后，热轧成4 mm厚的板材，中间退火后再冷轧成2 mm厚的板材，其化学成分分析值如表1所列。试样的热处理工艺如下：在盐浴炉中经504 ℃，1 h固溶处理后淬入室温水中，之后将试样分为两批，一批直接进行180 ℃人工时效(T6)，另一批经6%轧制预变形后在160 ℃人工时效(T8)。硬度测试在MTK1000A显微硬度计上进行，负荷为1.96 N，加载时间为15 s。拉伸实验在CSS?44100万能电子拉伸机上进行，拉伸试样沿轧向截取，标距间长度30 mm，宽度8 mm，名义拉伸速度为2 mm/min。透射电镜观察试样经磨和双喷电解减薄制取，电解溶液为25%硝酸和75%甲醇混合溶液(体积分数)，采用液氮冷却到?20~?35 ℃，工作电压为15~20 V，电流控制在80~95 mA。电镜观察在TecnaiG²20上进行，加速电压为200 kV。合金1为Weldalite^TM210合金；合金2为Weldalite^TM210-free Zn合金。

表1  实验合金的化学成分分析结果

Table 1  Measured chemical compositions of experimental alloy

2  结果及分析

2.1  时效硬化特性

图1所示为不同合金在T6和T8状态下的硬度与时效时间曲线。从图1(a)可知，与一般的Al-Li合金一样，直接在180 ℃时效时，两种合金的硬度随时效时间的延长逐渐增加到峰值后缓慢下降，且含Zn合金在整个时效周期内的硬度值都高于不含Zn合金的。比较两种合金峰时效硬度值及到达峰时效的时间，发现微量Zn的添加不影响合金的时效硬化速率，两种合金峰值时效时间一致，但Zn的添加显著提高合金的峰时效硬度，这说明添加少量Zn提高试验合金的时效硬化能力。

图1  两种合金在T6和T8状态下硬度与时效硬化曲线

Fig.1  Relationships between hardness and aging time of different alloys under T6 and T8 conditions: (a) Aging at   180 ℃; (b) 6% predeformation+aging at 160 ℃

对于淬火后经过预变形再时效的样品，时效曲线呈现与直接时效相类似的特征(见图1(b))。所不同的是含Zn合金和不含Zn合金的硬度值在整个时效周期内都相差较小，这说明预变形减少Zn对试验合金时效硬化能力的影响。

2.2  室温拉伸性能

表2和3所列分别为合金1和合金2在T6和T8状态下的拉伸性能。由表2和3可见，两种合金在两种状态下的强度和硬度变化规律基本一致。表4所列为合金1和合金2在T6和T8状态时的峰值强度。由表4可看出，T6峰时效状态下，合金1经180 ℃、24 h时效后，抗拉强度达到601.2 MPa，说明该合金不经预变形直接时效即可获得很高的强度。合金1的抗拉强度较不添加Zn合金2的增加15.4 MPa；T8状态下，合金1与不添加Zn合金2的峰值强度相差不大，这表明预变形提高合金的时效强化效果，但同时削弱Zn的作用。

表2  T6工艺条件下合金1和合金2不同时效时间的强度及伸长率

Table 2  Tensile properties of alloys 1 and 2 aged for different aging times under T6 condition

表3  T8工艺条件下合金1和合金2不同时效时间的强度及伸长率

Table 3  Mechanical properties of alloys 1 and 2 aged for  different times under T8 condition

表4  合金1和2在 T6和T8状态时的峰值强度

Table 4  Tensile strengths of alloys 1 and 2 treated under T6 and T8 conditions

1) ?σ=σ_b1?σ_b2; σ_b1 is tensile strength of alloy 1, σ_b2 is tensile strength of alloy 2.

2.3  显微组织

图2所示为合金1在180 ℃时效不同时间后的微观组织形貌。从图2可知，在时效初期就已经能够观察到非常细小的θ′相和δ′相的大量析出(见图2(a))；但T₁相较少(见图2(b))。时效24 h(峰时效)时，可以看到很多均匀分布的T₁相(见图2(d))和细球状δ′相，以及少量相互垂直的θ′相，此外还可以看到一些板条状δ′/θ′复合相(见图2(c)箭头处)，其中一部分θ′相形貌清晰，主要为θ′相的刃面，另一部分θ′相形貌模糊，主要是θ′相的宽面和在生长过程中被δ′相覆盖的θ′相。在电子衍射花样中除了基体衍射斑点外，还观察到δ′相和θ′相斑点，T₁相斑点相对较强。由图2(e)和(f)可看出，合金时效120 h(过时效)时，T₁相和θ′、δ′相进一步长大，但θ′和δ′相的密度减少，T₁相靠消耗δ′和θ′相中的Li原子和Cu原子而长大。

图2  合金1在T6状态下的TEM暗场像

Fig.2  TEM dark field images of alloy 1 treated under T6 condition: (a), (b) T6, 4 h; (c), (d) T6, 24 h; (e), (f) T6, 120 h ((a), (c), (e) b=á001?_α; (b), (d), (f) b=á112?_α)

不含Zn合金2在 T6工艺条件下峰值状态的微观组织形貌如图3所示。由图3可以看出，合金2的主要析出物为T₁相、极少量的θ′相和δ′相，这与图3(c)的衍射花样相一致。与含Zn的合金1在T6峰时效状态相比，T₁相数量相对减少(对比图2(d)和3(b))，这说明Zn的添加有促进T₁相析出的作用。同时析出的θ′相和δ′相数量也明显减少，且尺寸增大(对比图2(c)和3(a))。

图3  合金2在T6峰时效态的TEM暗场像及相应的电子衍射花样

    Fig.3  TEM dark field images of alloys 2 peak aged under T6 condition and corresponding SAD pattern: (a) b=á001?_α; (b) b= á112?_α; (c) SAD pattern, b=á001?_α

T8工艺条件下，合金1和合金2峰值时效状态的微观组织形貌如图4所示。由图4可以看出，合金1中析出少量的δ′相和θ′相(见图4(a))，预变形的引入促使合金在晶内析出密度很大以及细小、均匀分布的T₁相(比较图4(c)与2(d))。时效之前的预变形对合金2的作用与合金1的类似，也使合金在晶内析出大量细小且均匀分布的T₁相(见图4(d))，这说明预变形对T₁相析出的促进作用大于Zn的作用。

图4  合金1和2在 T8峰时效态的TEM暗场像及相应的电子衍射花样

Fig.4  TEM dark field images of alloys 1 and 2 peak aged under T8 condition: (a) Alloy 1, b=á001?_α; (b) Alloy 2, b= á001?_α;      (c) Alloy 1, b=á112?_α; (d) Alloy 2, b=á112?_α

3  讨论

Weldalite^TM 210合金是含少量Ag、Mg和Zn的

Al-Cu-Li-Zr系合金，Al-Li-Cu-Zr系合金的析出顺序和析出强化相的种类在很大程度上取决于Cu和Li的摩尔比。对于Cu 含量为2%~5%(质量分数) 的中铜合金，其主要析出过程大致如下^[4]：α过饱和固溶体→G.P.区+δ′相→T₁相+δ′相+(θ′相)→T₁相。从透射电镜观察结果可以看出，合金1和合金2在T6峰时效状态下的析出相主要是T₁相，这是因为Mg和Ag的同时添加更有利于T₁相的析出^[5?7]，从而消耗θ′相形核所需的Cu原子数量。HUANG等^[8]的研究表明，T₁相比δ′相的强化效果更明显，故合金1和合金2在T6状态下可获得极高的力学性能。而在T8状态下，时效前的预变形可增加合金基体中的位错密度^[9?12]，为T₁相提供更加有利的非均匀形核位置，因此，合金1和合金2中T₁相的析出密度进一步加大。

少量Zn的添加对合金的时效组织与性能都有明显的影响。和无Zn的合金2相比，合金1在T6峰时效状态析出的T₁相数量明显增加，而尺寸减小。由此证明，添加少量Zn可进一步促进T₁相析出。Al中加入溶质原子后，其层错能会有所减小，特别是固溶度大的溶质原子，降低层错能的作用更大。Zn、Mg和Ag等元素在Al中的溶解度都较大，这些固溶原子聚集在密排的{111}_α面上，能降低Al合金的层错能，有利于形成大量层错，而这些层错将为{111}_α面上密排六方相如T₁、η′相的析出提供优越的形核位置，因为这些析出相的形核长大可按层错机制进行^[13]。T6峰时效状态下，合金1析出的δ′相比合金2的多，这是由于Zn的添加降低Li在Al中的溶解度，增加与基体的错配度，从而促进δ′相的析出，并进入到δ′相和T₁相   中^[14?15]。

T8状态下，预变形引入的大量位错为T₁相提供更加有利的非均匀形核位置，促进T₁相的形核析出，从而减小微量Zn对T₁相析出的促进作用，使合金1和合金2在T8状态峰时效析出的T₁相大小、分布及密度几乎一样，因此，强度也相差不大。

4  结论

1) Weldalite^TM210Al-Li合金具有比其他Al-Li合金更高的强度，但塑性较差。在T6态，σ_b=601.2 MPa，σ_0.2=574.8 MPa，δ=4.5%；T8态，σ_b=670.7 MPa，σ_0.2=652.2 MPa，δ=4.3%。

2) Weldalite^TM210Al-Li合金在T6状态下，其主要强化相是θ′相、δ′相和T₁相。T8状态下，预变形提高该合金的时效强化效果，其主要强化相是δ′相和T₁相。T₁相的强化效果最好，故强度大幅度升高。

3) 添加少量Zn能促进T₁相、θ′相和δ′相更细小弥散析出，且数量明显增加，使合金强度提高，但塑性略有下降。

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基金项目：总装备部“十一五”预先研究资助项目(51312010409)

收稿日期：2009-03-03；修订日期：2009-05-19

通信作者：郑子樵，教授；电话：0731-88830270；E-mail: s-maloy@mail.csu.edu.cn

(编辑 李艳红)