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稀有金属 2015,39(02),187-192 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2015.02.013

预回复退火2099铝锂合金挤压材的组织和位错强化

吴瑶 许晓静 张振强 张允康 邓平安 孙良省

江苏大学先进成型技术研究所

摘 要：

2099铝锂合金具有低密度、高比强度、高比刚度以及优良的超塑成型性和耐腐蚀性能等优点,因而被广泛应用于航空航天及武器装备制造领域。本文采用硬度与电导率测试、X射线衍射(XRD)仪显微分析、电子背散射衍射(EBSD)等方法,研究了在固溶处理前进行预回复退火处理对2099铝锂合金挤压材组织和位错强化的影响。实验结果表明:250℃/24 h+300℃/6 h+350℃/6 h+400℃/6 h的预回复退火工艺可以有效地细化合金晶粒(合金晶粒平均尺寸由5.004μm下降到4.775μm),提高合金的硬度和导电率(硬度由HV171.46提高到HV175.13,导电率由16.24%ICAS提高到16.44%ICAS),降低合金内的晶格应变、位错等晶体缺陷(位错密度由0.8284×1014降低到0.4530×1014m-2),同时也降低位错对强度的贡献(位错对强度的贡献由49.705 MPa降低到36.754 MPa)。2099铝合金晶粒细小,合金中小角度晶界比例较高,其再结晶抗力较高,预回复处理对其具有一定的抑制再结晶和强化作用,但不是很明显。

关键词：

2099铝锂合金;预回复退火;组织;位错强化;

中图分类号： TG146.21;TG166.3

作者简介：吴瑶(1988-),男,江苏东台人,硕士研究生,研究方向:先进材料制造与性能表征、摩擦学的研究;E-mail:wuyao20110928@163.com;;许晓静,教授;电话:13952877885;E-mail:xjxu67@ujs.edu.cn;

收稿日期：2013-09-30

基金：江苏省工业科技支撑计划项目(BE2008118);江苏大学“拔尖人才培养工程基金”(1211110001);江苏省高校研究生科研创新计划项目(CXLX12_0620)资助;

Microstructure and Dislocation Strengthening of Pre-Recovery-Anneal 2099 Al-Li Alloy Extrusions

Wu Yao Xu Xiaojing Zhang Zhenqiang Zhang Yunkang Deng Ping'an Sun Liangsheng

Institute of Advanced Forming Technology,Jiangsu University

Abstract：

2099 Al-Li alloy has the merits of low density,high specific strength,high specific stiffness,good superplastic formability and decay resistance,so it is widely used in the aerospace and weapon fields. The effect of pre-recovery-anneal treatment before solid solution on the microstructure and dislocation strengthening of Sr microalloyed 2099 Al-Li Alloy was studied by hardness test,conductivity test,X-ray diffraction( XRD) and electron backscattered diffraction( EBSD) analysis. The results showed that pre-recovery annealing( 250 ℃ × 24 h + 300 ℃ × 6 h + 350 ℃ × 6 h + 400 ℃ × 6 h) could refine the grain size which decreased from 5. 004 to 4. 775μm,the hardness was improved from HV171. 46 to HV175. 13,and the conductivity was improved from 16. 24% ICAS to 16. 44%ICAS. Pre-recovery-anneal treatment could reduce the lattice strain and dislocations of the alloy( the dislocation density reduced from0. 8284 × 1014 to 0. 4530 × 1014m- 2),and decrease the contribution of dislocation to strength which reduced from 49. 705 to 36. 754 MPa. 2099 Al-Li alloy had very fine grains and high proportion of low angle grain boundaries,so the influence of pre-recovery-anneal treatment on the strength and recrystallization restraining was not that significant.

Keyword：

2099 Al-Li alloy; pre-recovery annealing; microstructure; dislocation strengthening;

Received： 2013-09-30

Al-Li合金具有低密度、高比强度、高比刚度以及优良的超塑成型性和耐腐蚀性能等优点^[1]。2099铝锂合金为美国Alcoa公司开发的第三代高性能铝锂合金,是当今世界最先进的铝锂合金之一( 其基本成分Al-2. 4 ~ 3. 0Cu-1. 6 ~ 2. 0Li-0. 4 ~1. 0Zn-0. 1 ~ 0. 5Mg-0. 1 ~ 0. 5Mn-0. 05 ~ 0. 12Zr) ,被认为是21世纪航空航天工业领域中最理想的轻质高强结构材料。现已应用于最新民航客机A380的机身结构件^[2],而我国正在研制的大飞机也准备选用2099铝锂合金以及其他第三代铝锂合金以减轻飞机结构质量和提高服役性能。

研究表明2099铝锂合金挤压材经过常规固溶后存在一定的组织不均匀现象,其内部一方面存在细小再结晶的带状组织,另一方面又存在合并长大的晶粒组织^[3]。为寻求较佳的热处理方案以便改善合金的组织状况,本文将着重研究固溶前增加预回复退火工艺对合金组织和性能的影响,以期为该合金相关方面的研究提供参考。

1 实 验

实验用合金参照美铝的2099 Al-Li合金( Al-2. 4 ~ 3. 0Cu-1. 6 ~ 2. 0Li-0. 4 ~ 1. 0Zn-0. 1 ~ 0. 5Mg-0. 1 ~ 0. 5Mn-0. 05 ~ 0. 12Zr) 的成分特点进行配料,适当加大了锌的用量,并添加了锶、钪两种微合金化元素对合金性能进行改进,实际成分如表1所示。实验共设2组试样,为完全相同的2099铝锂合金挤压材,分别以试样1,试样2命名,其中试样1为未进行预回复退火的2099铝锂合金,也是本次实验中的对比样; 试样2事先进行250℃ /24 h + 300℃ /6 h + 350℃ /6 h + 400℃ /6 h预回复退火处理。以上两组试样依次再进行完全相同的固溶处理( 540℃ /2 h) 和双级时效处理( 121℃ /14 h + 181℃ /48 h) 。试样具体的状态如表2所示。

在配有Oxford Instrument HKL EBSD设备的Zeiss Supra 55扫描电子显微镜( SEM) 上进行微观组织结构分析。显微硬度测试在HV-1000型上进行,所加载荷为1. 96 N,时间为25 s。采用日本理学公司D/max-2500PC型X射线衍射仪( XRD) 测定衍射峰及其半高峰宽,扫描速率为5 ( °)·min^{- 1},Cu靶Kα线,其波长( λ) 为0. 154 056 nm。

表 1 2099 铝锂合金的实际化学成分Table 1 Actual chemical compositions of 2099 Al-Li alloy  下载原图

( %,mass fraction)

表 1 2099 铝锂合金的实际化学成分Table 1 Actual chemical compositions of 2099 Al-Li alloy

表 2 2099 铝锂合金挤压材的分组及热处理Table 2 Sectionalization and heat treatment of 2099 Al-Li alloy extrusions  下载原图

表 2 2099 铝锂合金挤压材的分组及热处理Table 2 Sectionalization and heat treatment of 2099 Al-Li alloy extrusions

2 结果与讨论

2. 1显微组织图1所示为通过电子背散射衍射( EBSD) 分析得到的上述两组试样在时效状态下两组试样的晶界图及晶粒尺寸图。可以看出,经过预回复退火后的铝合金相对于未进行预回复的合金晶粒有了一定的细化,保留了大量的亚晶结构,并且小角度晶界的比例提高了不少。

表3为EBSD分析的各组统计数据,由表3中可以看到未经任何预回复退火处理的试样1,其平均晶粒尺寸仅为5. 004μm; 当合金经过250℃ /24h + 300℃ /6 h + 350℃ /6 h + 400℃ /6 h预回复退火后( 试样2) ,其平均晶粒尺寸减小为4. 775μm;大角度晶界比例降低,故而小角度晶界比例提高了。由于合金本身的晶粒尺寸非常细小,所以上述晶粒尺寸的减小也是比较明显的,故预回复退火能够较有效地细化合金晶粒。

2. 2硬度两组试样在经过540℃ /2 h固溶处理之后再进行121℃ /14 h + 181℃ /48 h的双级时效处理,测得其硬度数值如表4所示,考虑到实验误差,每组数据采集7个点,表中数值为平均数。可以看出,与未进行预回复退火的铝合金相比,预回复退火使合金硬度的导电率都略有提高,硬度由HV171. 46提高到HV175. 13,导电率由16. 24%ICAS提高到16. 44% ICAS。

图 1 时效状态下试样 1 和 2 的晶界图及晶粒尺寸图Fig. 1 Grain boundaries and grain size distribution of two samples after aging treatment

( a) Grain boundaries of Sample 1; ( b) Grain boundaries of Sample 2;( c) Grain size distribution of Sample 1; ( d) Grain size distribution of Sample 2

2. 3 XRD分析图2所示为上述两组试样进行时效之后的XRD谱和半高峰宽,图3为纯铝的XRD谱。由试样1的图片可以看到,在未施加任何外力加工的情况下,合金各衍射峰便具有一定的半高峰宽,说明其自身存在较多的晶体缺陷。在两组试样之间进行对比后发现,预回复退火后的合金XRD谱与纯Al的更接近,说明预回复能够降低合金中的织构和晶体取向,另外预回复工艺降低了合金中部分衍射峰的半高峰宽,说明合金内部所含有的晶体缺陷有所减少,预回复退火工艺降低了合金内的晶格应变、位错等晶体缺陷。

表 4 试样的硬度和导电率Table 4 Hardness and conductivity of samples  下载原图

表 4 试样的硬度和导电率Table 4 Hardness and conductivity of samples

图 2 试样的 XRD 图谱和半高峰宽Fig. 2 XRD patterns and FWHM of samples

( a) XRD pattern of Sample 1; ( b) FWHM of Sample 1; ( c) XRD pattern of Sample 2; ( d) FWHM of Sample 2

图 3 纯铝的标准 XRD 图谱Fig. 3 XRD pattern of pure Al

2. 4位错强化分析XRD相干衍射区尺寸( d) 、晶格应变( < e > ) 与半高峰宽( δ_2θ) 、各衍射峰最高峰位置( θ₀) 、Cu Kα射线波长( λ) 之间的关系一般用下面的公式描述^[4,5,6]:

将上述试样1和2的XRD数据进行分析计算,得到图4所示的δ_2θ²/ tan²θ₀与δ_2θ/ ( tanθ₀sinθ₀)的关系曲线,通过线性回归,计算出XRD相干衍射区尺寸( d) 和平均晶格应变( < e²>^{1 /2}) 。位错密度( ρ) 与XRD相干衍射区尺寸( d) 、平均晶格应变( < e²>^{1 /2}) 之间的关系为^[7]:

式中b为柏氏矢 量的大小 ( 对于Al,为0. 286nm)^[8],从而计算出位错密度( ρ) 。

由Taylor公式σ_p= MαGbρ^{1 /2}( M为Taylor位向因子( 不考虑织构时,为3. 06) 、α为数值因子( 0. 24)^[5],G为剪切模量( 26 GPa) ) 可以计算位错对强度的贡献。

经过以上计算,得到试样的部分微观结构与力学性能特征,各项数值列于表5中。从表5中可以看出,与未进行预回复退火的试样相比,预回复退火降低了合金固溶后的位错密度,也降低了位错对强度的贡献。

图4δ2θ2/ tan2θ0与δ2θ/ ( tanθ0sinθ0) 的关系曲线Fig. 4 Relationship curves of δ2θ2/ tan2θ0and δ2θ/ ( tanθ0sinθ0

( a) Sample 1; ( b) Sample 2

表 5 从 XRD 数据计算出的一些微观结构与力学性能上的特征Table 5 Microstructural and mechanical features calculated from XRD data  下载原图

表 5 从 XRD 数据计算出的一些微观结构与力学性能上的特征Table 5 Microstructural and mechanical features calculated from XRD data

2. 5讨论2099铝锂合金挤压材在常规的固溶工艺( 540℃ /2 h) 条件下,其平均晶粒尺寸为5. 004μm,内部高角度晶界比例仅为22. 2% ,合金自身具有非常良好的抗再结晶能力,在此基础上想要进一步降低高角度晶界的比例是一件比较困难的事情。即便如此,在采用本实验中的预回复退火方案后,合金的晶粒变得更加细小,高角度晶界比例降至13% ,起到了一定的抑制合金再结晶的作用。虽然低角度晶界的强化效果显著优于高角度晶界,但是由于合金未经退火便已具有高比例的低角度晶界,导致预回复退火所能起到的抑制再结晶和强化的效果有限。

该试验合金抗再结晶能力强的原因在于添加Zr,Sc两种微合金化元素。添加Zr的铝锂合金可以在内部形成弥散相Al₃Zr,其与母相的错配度为0. 8% ,可以有效地钉扎位错,阻碍晶界的移动和晶粒的长大,阻碍再结晶形核; Sc在铝锂合金中可以形成高强度、高稳定性并且与基体共格的球状相Al₃Sc,其与母相的错配度约为1. 63% ,与Al₃Zr相比其对位错的钉扎作用更强,稳定亚晶结构能力更优,可以更有效地抑制再结晶; 而Zr,S的同时加入又可以形成Al₃( Sc_{1 - x},Zr_x) 相,同样具有上述效果^{[9,10,11,12,13,14,15]},上述粒子相的单独或共同作用下,合金的再结晶温度提高,抗再结晶能力增强。

3 结 论

1. 250℃ /24 h + 300℃ /6 h + 350℃ /6 h +400℃ /6 h的预回复退火工艺可以细化合金晶粒( 晶粒尺寸由5. 004μm下降到4. 775μm) ; 提高合金的硬度和 导电率 ( 硬度由HV171. 46上升到HV175. 13,导电率由16. 24% ICAS上升到16. 44%ICAS) ; 降低合金内的晶格应变、位错等晶体缺陷( 位错密度由0. 828×10¹⁴降低到0. 453×10¹⁴m^{- 2})同时也降低了位错对强度的贡献。

2. 含Zr,Sc微合金化的2099铝锂合金具有良好的抗再结晶能力,预回复退火对其抑制再结晶和强化效果有限。