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稀有金属2017年第12期

时效温度对1460铝锂合金薄板力学性能与微观组织的影响

林小红 李劲风 陈永来 张绪虎 许秀芝 郑子樵

中南大学材料科学与工程学院

航天材料及工艺研究所

摘 要：

采用拉伸性能测试及透射电镜 (TEM) 分析手段研究了1460铝锂合金薄板在145和175℃时效时的力学性能和微观组织的演化。研究结果表明:相比于145℃时效, 1460铝锂合金175℃时效响应速率明显加快。在120 h时效时间范围内, 175℃时效时合金的延伸率、最高抗拉强度以及屈服强度与抗拉强度差均低于145℃时效时, 特别是175℃近峰时效时合金屈服强度与抗拉强度差明显降低。1460铝锂合金145, 175℃两个温度时效时的主要脱溶产物均为δ'相 (Al₃Li) , 合金时效初期均快速析出均匀弥散分布的δ'相;175℃时效时δ'相的粗化速度明显高于145℃时效, 导致其尺寸随时效时间延长显著粗化, 密度明显降低。145℃时效时随时效时间延长, 合金在析出δ'相后形成大量的G.P.区;时效后期G.P.区长大, 没有T1相 (Al₂CuLi) 的析出。175℃时效过程中合金在析出δ'相后快速析出T1相;时效后期T1相数量明显减少而尺寸显著粗化。

关键词：

铝锂合金;力学性能;微观组织;

中图分类号： TG146.21

作者简介：林小红 (1993-) , 女, 福建龙岩人, 硕士研究生, 研究方向:铝锂合金;E-mail:linxiaohong@csu.edu.cn;;李劲风, 教授;电话:13278861206;E-mail:lijinfeng@csu.edu.cn;

收稿日期：2016-08-29

基金：国家科技部863项目 (2013AA032401) 资助;

Tensile Properties and Microstructure of 1460 Al-Li Alloy Sheet Aged at Different Temperatures

Lin Xiaohong Li Jinfeng Chen Yonglai Zhang Xuhu Xu Xiuzhi Zheng Ziqiao

School of Materials Science and Engineering, Central South University

Aerospace Research Institute of Materials and Processing Technology

Abstract：

The mechanical properties and microstructural evolution of 1460 Al-Li alloy sheet aged at 145 and 175 ℃ were studied by tensile test machine and transmission electronic microscopy (TEM) .The results showed that the aging response rate of the alloy aged at 175 ℃ increased significantly compared to 145 ℃.The elongation, maximum tensile strength and difference between the yield strength and tensile strength of the alloy aged at 175 ℃ were lower than that of the alloy aged at 145 ℃ within 120 h aging time.The main strengthening products were δ' (Al₃Li) phases both at 145 and 175 ℃.During early aging, the alloys both precipitated uniformly dispersed δ' phase.The δ' phase of alloy aged at 175 ℃ had a higher coarsening rate than the alloy aged at 145 ℃, which resulted in the size increase and the density decrease of δ' phase with the aging time extension.After δ' phase appearing at 145 ℃, the alloy formed a large number of G.P.Zones which grew up during over aged stage without precipitating T1 (Al₂CuLi) phase; whereas the alloy aged at 175 ℃ precipitated T1 phase rapidly after forming of δ' phase, then the number of T1 phase reduced and the size coarsened significantly during over aged stage.

Keyword：

Al-Li alloy; mechanical property; microstructure;

Received： 2016-08-29

高强Al-Cu-Li系铝锂合金在航空和航天领域具有巨大的应用前景, 并已在航空航天结构件上获得了广泛的应用^[1,2]。铝锂合金在航天方面的一个主要应用是航天运载器的低温燃料贮箱, 已实际应用于燃料贮箱的铝锂合金主要为美国开发的2195及前苏联开发的1460铝锂合金^[3]。

铝锂合金最主要的强化方式之一是析出相强化。在Al-Cu-Li系铝锂合金中, Cu/Li比是影响其析出相组成的一个很重要的因素^[4]。由于Cu, Li含量的变化, 铝锂合金中的析出相类型不同, 可能的脱溶产物包括δ'相 (Al₃Li) 、T1相 (Al₂Cu Li) 及θ'相 (Al₂Cu) 等。由于各种析出相与基体的共格关系不同及界面能的差异, 在不同Cu/Li比铝锂合金中的时效析出序列不同。另外, 研究表明, 铝及铝锂合金在不同温度时效时, 其析出序列及时效响应速率不同^[5,6]。δ'相与基体共格, 界面能低, 形核功小, 相变驱动力较大, 因而δ'相能在较低温度甚至淬火态下析出^[7]。同时时效温度过高, δ'相易粗化, 对合金性能不利。T1相与基体呈半共格关系, 层错能较高, 相变所需的激活能大, 时效温度的提高可促进T1相的析出^[8]。

上述研究表明, 不同Cu/Li比成分的铝锂合金在不同温度时效时力学性能及微观组织演化规律不同。国内外已有大量文献研究了Li含量较低、Cu/Li比较高的2195合金的力学性能与微观组织的演化过程^[9,10,11,12]。相比于2195铝锂合金而言, 俄罗斯开发的1460铝锂合金Li含量较高, 具有更低的密度, 同时具有高强可焊的优点, 在航天领域具有很强的吸引力。但国内对1460铝锂合金研究很少, 对于其力学性能特征没有充分的了解。目前国内仅李劲风等研究了其热变形行为^[13];Ma等^[14,15]初步研究了其力学性能与微观组织, 但其达到的力学性能远低于俄罗斯生产的1460铝锂合金^[16]。基于此, 本文研究了不同温度时效时1460铝锂合金的常规力学性能和微观组织的演化, 为1460铝锂合金在国内航空航天领域的应用奠定基础。

1 实验

制备的1460铝锂合金成分为Al-3.12Cu-2.14Li-0.12Zr-0.12Sc-0.05Ce (%, 质量分数) 。铸锭经均匀化退火、热轧、中间退火后, 冷轧至2 mm厚度的薄板。冷轧薄板经530℃/90 min固溶处理、冷水淬火后, 分别于145和175℃进行不同时间时效, 研究两种温度时效时1460铝锂合金力学性能和微观组织的演化。

采用MTS 858电液伺服万能材料试验机进行时效处理后合金的室温拉伸性能测试。试样的取样方向为板材轧制方向, 试样标距为20 mm, 平行段的宽度为8 mm, 拉伸速度为2 mm·min^-1。采用Quanta 200型环境扫描电镜 (SEM) 对拉伸断口形貌进行观察;采用Tecnai G220型透射电镜 (TEM) 对其微观组织进行观察, 加速电压为200 k V。TEM试样经机械减薄和电解双喷减薄制取, 电解溶液为25%硝酸+75%甲醇 (体积分数) 混合溶液, 液氮冷却至-20℃以下。

2 结果与讨论

2.1 室温拉伸

图1 (a) 所示为1460铝锂合金在145℃时效时力学性能随时效时间的变化曲线。在所研究的时效时间范围 (~116 h) , 随着时效时间的延长, 合金的强度不断上升, 合金的延伸率逐渐下降;时效时间至40 h以上时, 合金抗拉强度达565~575MPa, 屈服强度410~415 MPa, 延伸率基本保持稳定 (4.5%~5.5%) 。

175℃时效时, 1460铝锂合金力学性能随时效时间的变化曲线如图1 (b) 所示。时效初期合金强度迅速上升, 抗拉强度从424 MPa (0.5 h时效) 提高到503 MPa (6 h时效) , 同时延伸率也大幅下降。而后随时效时间的延长, 合金强度缓慢上升, 时效30~40 h时强度达到峰值;之后随时效时间的进一步延长, 合金强度略微下降, 延伸率基本保持稳定。合金峰值抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为538, 480 MPa和1.4%。

比较145和175℃两个温度下的时效行为, 可以发现以下规律: (1) 175℃时效时效响应速率明显加快。175℃时效约30~40 h时到达峰时效阶段, 而145℃时效约100 h仍未达到峰时效。 (2) 值得特别注意的是, 175℃时效时合金的延伸率、最高抗拉强度以及屈服强度与抗拉强度的差值 (简称屈强差) 均低于145℃时效时, 特别是175℃近峰时效时, 屈强差明显降低。如145℃时效6 h时合金的屈强差和延伸率分别为136 MPa和7.3%, 而175℃时效6 h时合金的屈强差和延伸率分别为94 MPa和6.5%;145℃时效38 h时合金的屈强差和延伸率分别为134 MPa和5.6%, 而175℃时效38 h时合金的屈强差和延伸率分别为60 MPa和1.4%。

图1 1460铝锂合金145和175℃时效的力学性能随时效时间变化的关系曲线Fig.1 Mechanical properties of 1460 Al-Li alloy as a function of aging time at 145 and 175℃

(a) 145℃; (b) 175℃

2.2 微观组织

145℃时效不同时间后1460铝锂合金[100]_Al晶带轴选区电子衍射 (SAED) 谱及TEM照片如图2所示。时效初期 (0.5 h) , SAED谱中即可观察到δ'相 (Al₃Li) 斑点 (图2 (a) 白色虚线方框) , 相应TEM暗场 (dark field, DF) 像中发现大量尺寸极其细小、均匀弥散分布的球形δ'相 (图2 (a) ) 。当时效时间延长至34 h时, SAED谱中δ'相斑点 (图2 (b) 白色虚线方框) 强度增加, 此外还可观察到微弱但连续的G.P.区芒线 (图2 (b) 白色虚线椭圆) ;相应的TEM暗场像中球状δ'相尺寸增加 (如图2 (b) ) , 同时TEM明场 (bright field, BF) 像中可观察到一定数量, 相互垂直的G.P.区 (图2 (c) ) 。当时效时间进一步延长至116 h时, [100]_Al晶带轴SAED谱中仍然存在非常明亮的δ'相斑点 (图2 (d) 白色虚线方形) , 同时G.P.区芒线 (图2 (d) 白色虚线椭圆) 强度增加, 相应暗场像中可发现大量与G.P.区复合在一起的δ'相粒子 (G.P.区两侧边缘与δ'相接触, 图2 (d) 右下角放大图) , 其尺寸明显增加 (图2 (d) ) , 且明场像可发现G.P.区数量有较大幅度增加 (图2 (e) ) 。

图2 1460铝锂合金145℃时效时<100>Al入射方向的SAED谱及TEM照片Fig.2 SAED patterns taken in the direction of<100>Al and TEM images of 1460 Al-Li alloy aged at 145℃for dif-ferent time

(a) δ'precipitate, DF image, aging for 0.5 h; (b) δ'precipitate, DF image, aging for 34 h; (c) G.P.zones, BF image, aging for 34 h; (d) δ'/G.P.zones, DF image aging for 116h; (e) G.P.zones, BF image aging for 116 h

175℃时效不同时间后1460铝锂合金的SAED谱及TEM照片如图3所示。时效初期 (0.5h) , [100]_Al晶带轴的SAED谱中仅发现δ'相斑点 (图3 (a) 白色虚线方框) , 相应TEM暗场像中观察到大量均匀弥散分布的δ'相;与145℃时效0.5 h (图2 (a) ) 比较而言, 其尺寸明显增加, 密度降低。时效时间延长至29 h时, 在[112]_Al晶带轴SAED谱中同时出现明亮的δ'相斑点及微弱的T1相斑点 (图3 (b) ) , 相应TEM暗场像中可观察到δ'相尺寸增加 (图3 (b) ) , 由于电子束方向未严格平行于<100>_Al方向, 其中可观察到部分T1相;<112>_Al入射方向的明场像中可观察到呈针状 (实际为盘片状) 、长度~160 nm的T1相 (Al₂Cu Li) (图3 (c) ) 。时效时间进一步延长至112 h时, [112]_Al晶带轴SAED谱中除δ'相斑点外, 依然可见T1相斑点 (图3 (e) 白色虚线椭圆) , TEM暗场像中观察到已显著粗化但密度降低的δ'相 (图3 (d) ) , 以及数量明显减少而尺寸大幅度增加的T1相 (图3 (e) ) 。

图3 1460铝锂合金175℃时效时SAED谱及TEM照片Fig.3[100]Aland[112]AlSAED patterns and TEM images of 1460 Al-Li alloy aged at 175℃for different time

(a) δ'precipitate, DF image, aging for 0.5 h, along<100>_Aldirection; (b) δ'and T1, DF image, aging for 29 h, along<100>_Aldirection; (c) T1 phase, BF image, aging for29 h, along<112>_Aldirection; (d) δ'precipitate, DF image, aging for 112 h; (e) T1 phase, DF image, aging for 112h, along<112>_Aldirection

综上所述, 0~120 h时间范围内, 1460铝锂合金145及175℃时效时析出的主要强化相均为δ'相。145℃时效后期, 合金只发生G.P.区的粗化, 没有T1相的析出。合金175℃时效过程中可析出T1相;时效后期, δ'相和T1相均发生粗化, 数量减少。相应微观组织的演化过程分别如下:

145℃时效过程:过饱和固溶体 (SSS) →δ' (0.5 h) →δ'+G.P.区 (34 h) →粗化δ'+G.P.区 (116 h)

175℃时效过程:SSS→δ' (0.5 h) →δ'+T1 (29 h) →粗化δ'+粗化T1 (112 h)

2.3 分析与讨论

上述观察表明1460铝锂合金145, 175℃两个温度时效时的主要脱溶产物及最先析出相均为δ'相。δ'相是一种具有LI2型晶体结构并与基体完全共格的亚稳相, 它与铝基体之间的错配度不足0.1%, 共格应变能很小, 界面能非常低, 仅为0.014 J·m^-2, 远低于T1相及θ'相与铝基体间的界面能^[17]。由于界面能是时效析出的阻力, 在时效初期, 析出驱动力 (即过饱和度) 较大, 低界面能 (即析出阻力小) 的δ'相粒子在时效初期即可快速析出。因此1460铝锂合金在145和175℃时效0.5h时都观察到析出了大量的球状δ'相粒子。

另外, 较低温度时效时, 原子过饱和度更大, δ'相形核驱动力更高, 因而145℃时效时δ'相形核密度更大, 后续生长时δ'相体积分数更高。同时, 低温时效可以有效地控制δ'相的生长速率和粗化程度, 对合金强韧性有利^[18]。由于1460铝锂合金主要强化相为δ'相, 因而145℃时效时合金强度高于175℃时效。

1460铝锂合金在145℃较低温度时效初期析出大量细小弥散均匀分布的δ'相粒子, 消耗了大量T1相形核所需的Li原子。同时T1相层错能较高, 析出阻力较大, 析出所需要的激活能较高^[8], 1460铝锂合金145℃较低温度时效时不能为T1相的形核析出提供足够的能量。相比于与基体半共格的T1相, G.P.区与基体完全共格, 界面能非常低, 析出阻力非常小^[17]。因而, 145℃时效时随时效时间延长, 在析出大量δ'相后形成大量G.P.区, 而没有析出T1相。合金175℃较高温度时效时, 时效温度的提高明显加速了原子的扩散速率, 一方面使Li原子扩散速率增加, 加速δ'相的长大, 另一方面促使Cu原子和空位快速运动至晶界、亚晶界等晶体缺陷处, 促进T1相的形核与析出^[19]。因此, 175℃时效时随时效时间延长, 在析出δ'相后快速析出T1相;时效29 h时, 其TEM暗场照片中即已观察到较多呈针状的T1相。δ'相较快生长及T1相的快速析出导致175℃时效时1460铝锂合金时效响应速率显著加快。

1460铝锂合金145℃时效时主要强化相为δ'相, 而175℃较高温度时效时, 在大量δ'相析出的同时, 近峰时效还形成少量T1相。与基体共格的δ'相通过位错切割机制对合金起强化作用, 而半共格的T1相则以位错绕过机制强化合金。这两种机制对合金的强化均与析出相的体积分数和尺寸有关^[17]。δ'相 (切割机制) 尺寸较大时, 强化效果较好;T1相 (绕过机制) 尺寸较小时, 强化效果较大。合金145℃时效时, 大量δ'相细小弥散分布在基体中, 因而对合金屈服强度增加效果相对较小;而175℃时效时δ'相尺寸较大, 同时有部分粗大稀疏的T1相的析出, 因而屈服强度增加效果较大。上述原因导致145℃时效时屈服强度整体低于175℃时效时。另外, 由于175℃时效时δ'相和T1相粗大, 在基体中分布不够弥散, 导致材料变形时易发生位错塞积并产生微裂纹^[20], 试样提前断裂即合金的塑性变形能力较差, 合金的最高抗拉强度相比145℃时效较低。这两个因素导致1460铝锂合金175℃时效下屈强差低于145℃时效, 特别是175℃近峰时效及过时效时合金的屈强差明显降低。1460铝锂合金145℃时效6 h时合金的屈强差为136 MPa, 而175℃时效6 h时合金的屈强差仅为94 MPa;145℃时效38 h时合金的屈强差为134MPa, 而175℃时效38 h时合金的屈强差为60MPa。实际上, 在以细小弥散δ'相为主要强化相的1420铝锂合金中也发现屈强差非常大的现象。1420合金^[18]T6态 (120℃/12 h) 屈服强度和抗拉强度分别为267和467 MPa, 屈强差达到200 MPa;T8态 (120℃/6 h+190℃/6 h) 下屈服强度为309MPa, 抗拉强度为477 MPa, 屈服强度有较大提高但屈强差仍达到168 MPa。而以T1相为主要强化相的铝锂合金, 屈强差则较小, 如2195铝锂合金^[21]以T1相为主要析出相, T6态 (180℃/10 h) 峰时效下合金的屈服强度和抗拉强度分别为453和501 MPa, 屈强差仅48 MPa;T8态合金屈强差只有40 MPa。

3 结论

1.相比于145℃时效, 1460铝锂合金175℃时效响应速率明显加快。175℃时效约30~40 h时到达峰时效阶段, 而145℃时效约100 h仍未达到峰时效。

2.在120 h时效时间范围内, 1460铝锂合金175℃时效的延伸率、最高抗拉强度以及屈强差均低于145℃时效时时, 特别是175℃近峰时效时屈强差明显降低。

3.1460铝锂合金的主要时效析出相为δ'相, 145和175℃时效初期均快速析出均匀弥散分布的δ'相。随着时效时间的延长, 175℃时效时δ'相的粗化速度明显高于145℃时效, 导致其尺寸显著粗化, 密度降低。

4.145℃时效时随时效时间延长, 合金在析出δ'相后形成大量的G.P.区;时效后期G.P.区长大, 没有T1相的析出。175℃时效过程中合金在析出δ'相后快速析出T1相;时效后期T1相数量明显减少而尺寸显著粗化。

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