双级时效对含Sc的Al-Cu-Li-Zr合金组织与性能的影响

梁文杰¹，潘清林²，何运斌²

(1. 中南大学 化学与化工学院，湖南 长沙，410083；

2. 中南大学 材料科学与工程学院，湖南 长沙，410083)

摘要：通过合金室温力学性能测试及时效组织的透射电镜分析，研究双级时效对含Sc的Al-Cu-Li-Zr合金的组织与性能的影响。研究结果表明：较适宜的双级时效工艺为120 ℃/2 h+160 ℃/24 h，在此工艺条件下，合金既具有较高的强度，又具有较好的塑性；双级时效能促进T₁相弥散、细小析出；与T8峰时效态相比，采用先低温后高温的双级时效工艺可使合金在不降低强度的情况下提高合金的伸长率。

关键词：Al-Cu-Li-Zr合金；Sc；双级时效；显微组织；力学性能

中图分类号：TG146.2          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2011)08-2260-06

Effect of double-stage aging treatment on microstructure and mechanical properties of Al-Cu-Li-Zr alloy containing Sc

LIANG Wen-jie¹, PAN Qing-lin², HE Yun-bin²

(1. School of Chemistry and Chemical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;

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

Abstract: The effect of double-stage aging treatments on the microstructure and mechanical properties of Al-Cu-Li-Zr alloy containing Sc were investigated by using TEM and tensile test at room temperature. The results show that the proper double-stage aging treatment of the alloy is 120 ℃/2 h+160 ℃/24 h, and under this condition, the alloy reaches an optimal combination of the strength-ductility. Double-stage aging makes phase T₁ precipitation distribute more dispersively and uniformly in the alloy. Compared with phase T8 peak-aged state, double-stage aging treatment can increase the elongation and remain high level of strength.

Key words: Al-Cu-Li-Zr alloy; Sc; double-stage aging treatment; microstructure; tensile property

Al-Li系合金具有低密度、高比强度和高比刚度等优良特性，用其取代常规的铝合金，可使构件质量减小10%~15%，刚度提高15%~20%，被认为是21世纪航空航天工业最理想的轻质高强结构材料^[1]。但Al-Li合金的塑性差、断裂韧性低，尤其是短横向强度较低，限制了其发展与应用。Sc既是稀土元素，又是3d型过渡族金属，在铝合金中兼具两者的作用。将Sc加到Al-Li合金中不仅能改善合金铸锭组织和抑制合金热变形过程中的再结晶，而且能大幅度地提高Al-Li合金的强度、塑韧性，改善合金焊接性能、抗蚀性能、辐照稳定性和超塑性^[2-6]，因此，开展含Sc铝锂合金的研究具有重要意义。分级时效是改善Al-Li系合金塑、韧性的热处理方式之一。采用分级时效，可通过调整强化相的分布而改善Al-Li合金的性能。刘北兴等^[7]研究了分级时效工艺对1420铝锂合金组织与性能的影响，结果表明分级时效处理可使1420铝锂合金中的强化相分布均匀、尺寸细小，显著的提高合金的综合力学性能。尹志民等^[8]研究2091铝锂合金认为，双级时效能使晶界平衡相减小和晶界无沉淀析出带变窄，从而改善合金的强塑性。然而，分级时效对含Sc的Al-Cu-Li-Zr合金组织与性能的影响，目前尚缺乏研究。在此，本文作者采用正交设计实验方案，研究双级时效对含Sc的Al-Cu-Li-Zr合金显微组织与力学性能的影响，并对其影响机理进行探讨。

1  材料与实验方法

以纯Al、纯Li和Al-Cu，Al-Zr，Al-Sc中间合金为原料，采用活性熔剂和惰性气体双重保护，水冷铜模激冷铸造法制备了实验用Al-3.5Cu-1.5Li-0.22 (Sc+Zr)合金。合金铸锭均匀化处理后经热轧、冷轧成2.5 mm厚的薄板，总变形量达到90%。之后沿轧向裁取拉伸试样，试样在盐浴炉中经530 ℃/60 min固溶处理后水淬，然后经3.5%的预冷变形后进行分级时效处理。分级时效工艺采用4因素3水平的正交实验法确定，各因素及水平如表1所示。

表1  正交实验各因素及水平

Table 1  Factors and levels for orthogonal experiment

合金的室温拉伸力学性能测试在CSS-44100电子万能材料实验机上进行，拉伸速度为1 mm/min。透射电镜样品经机械预减薄后双喷穿孔而成，电解液为硝酸+乙醇(体积比为1:2)，温度约为-20 ℃。显微组织观察在TECNAI G² 20分析电镜上进行。

2  实验结果

2.1  双级时效工艺对合金拉伸性能的影响

合金的拉伸力学性能测试按上述因素水平采用L₉ (3⁴ )正交表进行试验，试验结果见表2。对正交实验结果进行极差分析，图1所示为各性能指标在每一水平下的平均值与试验因素之间的关系趋势图。

从图1可以看出：抗拉强度σ_b和屈服强度σ_0.2的变化趋势是一致的；都是随预时效温度θ₁、终时效时间t₂的增加而增加，随预时效时间t₁的增加而下降，然而，却随终时效温度θ₂的增加而先升后降。伸长率δ的变化则是随预时效温度θ₁、终时效时间t₂和终时效温度θ₂的增加而下降，随预时效时间t₁的增加而先降后升。终时效温度θ₂变化所引起的强度变化幅度最大，而其他条件的变化影响较小，因此，终时效温度θ₂对合金强度的影响程度最大。而预时效温度θ₁和终时效温度θ₂所引起的伸长率δ的变化幅度较大，说明伸长率δ对这2个影响因素较敏感。

以抗拉强度σ_b和伸长率δ为性能指标进行方差分析，采用常规方法，将偏差平方和中最小项近似地看作误差估计，用来计算各因子列的F值，方差分析结果见表3。对于各性能指标，目的是要使其达到最大值。因此，以各性能指标达到最大值作为判据，用方差分析和极差分析结果确定各性能指标的最佳工艺制度。以性能指标抗拉强度为例，表3所示结果表明：因素B对其有很大的显著影响，因素A和因素C对其也有显著影响，各因素的主次顺序为(由主至次)B→A→C→D，结合极差分析，可确定最佳双级时效工艺为A₃B₁C₂D₃。同理，可以对其他性能指标进行类似的分析。若以屈服强度为考察指标，则最佳双级时效工艺为A₃B₁C₂D₃；若以伸长率为考察指标，则最佳双级时效工艺为A₁B₃C₁D₁。

表2  正交试验表及试验结果

Table 2  Form of orthogonal test and experimental results

表3  实验方差分析表

Table 3  Variance analysis for experimental results

图1  各性能指标均值与试验因素之间的关系

Fig.1  Relationship between factors and the mean of results

本文采用的正交实验法相当于是抽取了一般网格法中的一些实验点进行实验，从而最终优化出来的最佳双级时效工艺实验点可能并不正好是正交实验点，所以对于这些实验点要进行验证实验，以确定最佳双级时效工艺。同时，以单级时效工艺160 ℃保温24 h(T8峰时效)作为对比工艺。对于各个性能指标优化出来的最佳双级时效工艺的验证实验结果见表4。

从表4可以看出：根据不同性能指标而制订的最佳双级时效工艺经过验证实验证明均达到了目标。比较表2和表4中各双级时效态下的试验结果可知：合金综合性能较好的双级时效工艺为：120 ℃/2 h+160 ℃/24 h。在此条件下，合金的抗拉强度σ_b、屈服强度σ_0.2和伸长率δ分别为551 MPa，517 MPa和7.2%，与T8峰时效态相比，合金在强度保持基本不变的情况下，其伸长率δ提高了近1.1%。

表4  双级时效验证结果

Table 4  Verifying results of double-stage aging treatment

2.2  合金的拉伸断口形貌

实验合金在双级时效(110 ℃/6 h+150 ℃/16 h；120 ℃/2 h+160 ℃/24 h)和单级时效(160 ℃/24 h)条件下的拉伸断口形貌见图2。由图2可知，双级时效态的断口形貌为典型的层状断口(图2(a)，2(b))，主要特征是有大量垂直主断裂面的短横向分层，断裂方式为穿晶断裂+短横向沿晶分层开裂的混合型断裂。比较图2(a)和图2(b)可知：合金经110 ℃/6 h+150 ℃/16 h双级时效后的断口形貌比合金经120 ℃/2 h+160 ℃/24 h双级时效后的断口形貌存在更多的细小韧窝，与合金经110 ℃/6 h+150 ℃/16 h双级时效后具有更好的塑性相对应。而合金经单级时效后的断口形貌无层状特征，以等轴韧窝和卵形韧窝形貌为主(图2(c))。

图2  不同时效态合金的拉伸断口形貌

Fig.2  Morphology of tensile fracture surface

2.3  双级时效对合金显微组织的影响

由图3可以看出：实验合金的主要沉淀强化相为T₁(Al₂CuLi)相。虽然合金在不同时效制度下均有针状的T₁相析出，但T₁相的分布状态及形貌是不同的。与单级时效态相比，合金经双级时效后，晶内析出的T₁相要相对细小且分布密度较高(图3(a)，3(c)，3(e))。比较图3(a)和图3(c)，合金经120 ℃/2 h+160 ℃/24 h双级时效后析出的T₁相要比合金经110 ℃/6 h+150 ℃/16 h双级时效后析出的T₁相多且分布更加密集、均匀，这与合金经120 ℃/2 h+160 ℃/24 h双级时效后的高强度相对应。2种双级时效制度下，晶界处都无平衡相析出(图3(b)和3(d))。

由图3还可以看出：在合金中析出一种鱼眼状的复合粒子(图3(b)，3(d)和3(e))。图3(f)所示是这些鱼眼状复合粒子的放大照片。分析Al-Sc-Zr三元合金相图^[9]及参考本课题组以前的研究工作^[10]可知：该复合粒子为Al₃(Sc，Zr)复合相，这些复合相并没有随时效状态的改变而呈现出明显的变化。

3  分析与讨论

实验采用先低温后高温的双级时效工艺，低温时效的目的是形成大量的脱溶产物核心，因为低温时过饱和度大，脱溶产物晶核尺寸小且极为弥散。在高温时效阶段则达到必要的脱溶程度以及得到理想尺寸的脱溶产物。与高温一次时效相比，这种双级时效可使脱溶产物密度更高且分布更均匀。

双级时效对合金性能的影响主要是通过对δ′(Al₃Li)和T₁(Al₂CuLi)等强化相的影响来实现，δ′相粒子和T₁相的尺寸、大小和分布情况与合金的强度和塑性直接相关^[11]。在较低温度预时效时形成的δ′相极为细小，随后在较高温度终时效时，部分小于临界尺寸的δ′相微粒重新溶入基体，使基体具有较大的过饱和度，从而使较多的T₁相析出。另外，由于预时效时，δ′相的析出消耗了大量的Li原子，与之相结合的空位因此得到释放。所以，预时效后的晶内空位浓度增加，为T₁相的析出提供了更多的非均匀形核点。同时，晶内的高空位浓度还为溶质原子的扩散提供了高扩散通道，从而加快了T₁相的析出速度。空位浓度的增加还削弱了因“贫空位机制”而引起的无沉淀析出带(PFZ)^[12]，致使晶界平衡相数量减少，从而提高合金的强度和塑性。

随着强化相δ′和T₁尺寸和分布情况的变化，合金的强度和塑性也随之改变，因此，决定这些相大小和分布的终时效温度和时间就显得更为重要。终时效温度较低时，较细小的δ′相及数量不多的T₁相不能对位错运动构成较强的阻碍，时效强化作用不明显，合金表现为较低的强度和较高的塑性。终时效温度升高，δ′相尺寸增大，T₁相增多，使强化效果增大，伸长率下降。当δ′和T₁相具有合适的尺寸和数量分布时，合金强化效果达到峰值。此后，若继续升高终时效温度会造成δ′向T₁相的转化，使得δ′相减少，T₁相数量增加且严重粗化并沿晶界分布，结果使合金的强度和塑性降低。

图3  不同时效条件下合金的TEM像

Fig.3  TEM images of studied alloys under different ageing conditions

与T8峰时效状态的断口相比，通过适当的双级时效工艺处理后，合金断裂的最重要特点是分层断口(图2)。这种断裂特征对合金的强度和塑性都有明显的作用。首先，短横向分层不仅不导致试样断裂，而将其分成为一系列平行主应力的薄带，大大减小了沿晶开裂的危害，同时，还将随后的变形限制在相互独立的薄带中，宏观上表现为变形抗力增大。其次，短横向分层垂直于主裂纹，不仅不促进主裂纹扩展，反而有阻碍作用，有益于合金强度和塑性，此效应称为“分层强化”。究其断裂方式改变的原因，主要是通过适当的双级时效制度，使T₁相的析出更加细化和弥散化(图3)，增强了其抑制共面滑移的能力，有益于合金的塑性。从T₁相本身对微观形变的影响上讲，其细化和尺寸差减少，有助于减轻微观形变的不均匀的程度。

另外，双级时效后，在合金中发现很多弥散析出的鱼眼形复合相质点(图3)，根据Berezina等^[13]的研究，这些弥散的析出相对合金的强度和塑性都有很重要的贡献。在Al-Li基合金中加入Sc后，由于Sc与空位结合能高^[14]，与Li和空位结合能相近，一方面减少了Li原子和空位的结合，抑制了δ′相在基体中的析出或延缓δ′相生长。这有助于减少共面滑移，提高合金的塑性；另一方面减少了其他溶质原子和空位的结合，抑制了溶质原子向晶界的扩散，抑制晶界粗大平衡相的析出，也提高合金的强塑性。微量Sc添加到合金中增加了其分解产物次生Al₃Sc或Al₃(Sc_，Zr)相质点的数量及弥散度，这些质点与基体共格，非常细小，分布均匀，在加工变形过程中强烈钉扎位错和亚晶界，增加位错滑移时的临界分切应力，提高合金的强塑性，并使合金变形时更加均匀，改善合金的强塑性。此外，Al-Li基合金中析出的T₁相和其他析出相相比，有最大的强化效果，但T₁相密排面和密排方向均与基体平行^[15]，这种晶体取向关系对分散共面滑移效果不大，并不能改善合金的塑性。微量Sc加入合金中，延缓T₁相的长大，T₁相的细化和弥散化增强了抑制共面滑移的能力，有利于提高合金的塑性。

4  结论

(1) 通过正交设计实验，优选出合金适宜的双级时效工艺为120 ℃/2 h+160 ℃/24 h。与T8态单级峰值时效相比，经过双级时效处理后的合金在强度保持基本不降低的情况下，其伸长率δ提高了近1.1%。

(2) 合金的主要强化相是T₁相。双级时效处理后，合金晶内析出非常弥散均匀细小的针状T₁相，晶界处无平衡相析出。

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(编辑 赵俊)

收稿日期：2010-11-02；修回日期：2011-02-20

基金项目：国家”863”计划项目(2006AA03Z523)；中南大学博士后基金资助项目(2010)

通信作者：梁文杰(1967-)，男，湖南涟源人，博士后，从事高性能材料研究，电话：0731-88879616, E-mail：liang_wenjie@163.com