文章编号：1004-0609(2008)03-0426-07

分级时效对新型Al-Cu-Li合金组织与性能的影响

李红英，张孝军，张建飞，郑子樵

(中南大学 有色金属材料科学与工程教育部重点实验室，长沙 410083)

摘  要：通过力学性能和显微组织检测分析，研究了分级时效工艺对新型Al-Cu-Li合金组织与性能的影响。结果表明：经先高温后低温的双级时效处理和先低温后高温再低温的三级时效工艺处理的合金强度均比T6态的高，但比T8态的稍低；对于先高温后低温的双级时效制度，合金在165 ℃高温时效析出了δ′、θ′、T₁相和σ相，然后，在130 ℃二次时效后析出大量细小弥散针状强化相，从而提高了合金的强度；对于先低温后高温再低温的三级时效工艺制度，在150 ℃预时效形成GP区和过渡相，从而在165 ℃时效析出了较多的第二相，经130 ℃的第三级时效后析出了细小的第二相，从而使合金具有较好的综合力学性能。

关键词：铝锂合金；分级时效；显微组织；力学性能

中图分类号：TG 146　　     文献标识码：A

Effect of multi-stage ageing treatments on microstructures and

mechanical properties of new-type Al-Cu-Li alloy

LI Hong-ying, ZHANG Xiao-jun, ZHANG Jian-fei, ZHENG Zi-qiao

(Key Laboratory of Nonferrous Materials Ministry of Education, Central South University, Changsha 410083, China)

Abstract: The effects of multi-stage ageing treatments on the microstructures and mechanical properties of Al-Cu-Li alloys were investigated. The results show that, the alloys with higher mechanical properties by two-stage and three-stage ageing treatments can be obtained. When the alloy is aged at higher temperature(165 ℃), δ′, θ′, T₁ and σ phases are precipitated, and the fine and dispersed phases are precipitated at 130 ℃, which improves the strength of alloy. The GP zones or transition phases are preferentially precipitated when the alloy is pre-aged at 150℃, and many second-phases are precipitated at 165 ℃, the fine phases are precipitated under the third stage treatments, which results in higher combined strength properties.

Key words: Al-Li alloy; multi-stage ageing; microstructure; mechanical property

Al-Li合金因具有低密度、高比强度和比刚度以及卓越的超塑成形性能，在航空航天领域得到广泛应  用^[1-4]。航天航空有不同需求背景，对材料的性能也有不同的要求，通常采用不同成分的合金，而本课题研究的新型Al-Cu-Li合金试图通过同一成分的合金，采用不同的热处理制度，得到不同的力学性能，满足于航空航天领域的需求。工业上应用的Al-Li合金通常采用T6和T8两种热处理工艺，T8工艺能获得最佳的强度和塑性匹配^[5-7]，但在一些特殊形状工件制造中又不易实现预变形，而T6的强化效应比T8的低^[8]。因此，研究开发不需要预变形又能取得T8工艺强度水平的热处理制度成为材料研究者所关注的焦点。采用分级时效可改善Al-Li合金的力学性能^[9]，袁志山 等^[10]采用两种不同的三级时效制度可使Al-Li合金的强度和塑性达到T6峰值时效的水平，对1420Al-Li合金采取合适的双级时效工艺可缩短达到时效峰值强度的时间，同时提高合金强度，还能有效改善合金的耐腐蚀性能^[11]。还有研究表明，回归再时效工艺能使铝合金在稍微损失强度的情况下提高其延展性和韧     度^[12-15]。本文作者研究了分级时效工艺对一种新型Al-Cu-Li系合金组织与性能的影响，力图通过较优的多级时效工艺制度提高合金的综合性能，为该合金的产业化和在航空航天领域的应用提供参考依据。

1  实验原料及方法

本研究采用的合金主要成分为Al、Cu和Li，加入了Mg、Mn、Zn和Zr等微量合金元素，在熔剂保护下熔化和精炼，经水冷模浇铸成80 mm厚的铸锭，通过均匀化退火、热轧及冷轧等工序，制成2 mm厚的板材，沿轧向切取试样。

将试样放置盐浴炉中经520 ℃，2 h固溶处理，水淬后进行分级时效处理。双级时效共有4个工艺参数：第一级时效温度(θ₁)和时效时间(t₁)，第二级时效温度(θ₂)和时效时间(t₂)；相应三级时效制度比双级时效多两个工艺参数，即第三级时效温度(θ₃)和时效时间(t₃)。先低温后高温的双级时效制度拟定为(θ₁，24 h)+(180 ℃，t₂)，其中θ₁为110、130和150 ℃，t₂为6~ 24 h；先高温后低温双级时效工艺，拟先将第一级时效工艺固定为165 ℃，36 h，研究合理的第二级时效制度，即(165 ℃，36 h)+( θ₂，t₂)，其中θ₂为110、130和150 ℃，t₂为12~60 h，然后研究双级时效时间对组织性能的影响，即(165 ℃，t₁)+(130 ℃，t₂)，其中t₁为24~48 h，t₂为24~72 h。三级时效分别采用先低温后高温再低温和先低温后高温再高温两种制度，第一种拟定为(150 ℃，24 h)+(165 ℃，24 h)+(130 ℃，t₃)，其中t₃为6~60 h；第两种拟定为(130 ℃，24 h)+ (150 ℃，36 h)+(165 ℃，t₃)，其中t₃为6~60 h。

在DLY-10万能材料试验机上进行常规力学性能实验，拉伸速度为2 mm/min；分别在具有代表性的拉伸试样上截取片状试样，预磨后采用30%的硝酸甲醇双喷液电解减薄，随后在TecnaiG²20透射电子显微镜下对其进行显微组织观察，加速电压为160 kV。

2  结果及分析

为了与双级、三级时效制度进行比较研究，本研究还测试了T6和T8两种时效状态的常规力学性能，T6(165℃，60 h)态的抗拉强度(σ)、屈服强度(σ_0.2)、伸长率(η)分别为493 MPa、453 MPa、12%；T8(6%+   135 ℃，60 h)态的抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为566 MPa、539 MPa和11%。

2.1  先低温后高温的双级时效

图1所示为经不同一级时效(θ₁为110、130、150 ℃，t₁=24 h)后再进行二级时效(θ₂=180 ℃)的合金力学性能随时效时间(t₂)的变化曲线。由图1可见，较高的预时效温度对应较高的强度。在相同的预时效温度下，随着第二级时效时间的延长，合金强度逐渐上升达到峰值后逐渐呈缓慢下降趋势，伸长率总体呈下降趋势；合金经150 ℃，24 h+180 ℃，12 h时效处理后，其抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为490 MPa、435 MPa和14%，此时合金塑性较T6态的稍好，但屈服强度比T6态的稍低。

图1  合金的力学性能随第二级时效时间的变化曲线

Fig.1  Change curves of mechanical properties with different second ageing time

图2所示为先低温后高温双级时效试样的微观组织形貌。由图2(a)和(b)可知，经110 ℃预时效24 h后，合金中形成了不稳定的GP区及过渡相；而180 ℃二次时效18 h后，有少量针状和方形相存在，针状相为T₁(Al₂CuLi)和θ′(Al₂Cu)，方形相为σ(Al₅Cu₆Mg₂)^[16-18]。对比图2(b)和(c)可发现，随着预时效温度的提高，合金中析出相数量增加，在图2(d)中，还可观察到一些附在针状T₁相表面析出的球形δ′相(Al₃Li)。经110 ℃预时效24 h形成的GP区、过渡相，在180 ℃二次时效初期，细小的预时效析出相回溶，损失了析出相的数目，从而使一定尺寸的预时效析出相得以继续长大，比在二级时效形核长大的析出相要粗大得多，由于尺寸不均和弥散度不够，因而强韧化效应大打折扣。

图2  合金在不同时效状态下的显微组织

Fig.2  Microstructures of alloys under different ageing treatments: (a) 110 ℃, 24 h; (b) 110 ℃, 24 h+180 ℃, 18 h; (c) 150 ℃,    24 h+180 ℃, 18 h; (d) 150 ℃, 24 h+180 ℃, 18 h

2.2  先高温后低温的双级时效

图3所示为合金经一级时效(165 ℃，36 h)后在不同温度(θ₂为110、130、150 ℃)进行二级时效时合金力学性能与时效时间的关系曲线。由图3可见，二级时效温度为130 ℃时，合金所获取的强度比110 ℃和150 ℃时的要高，在130 ℃进行第二级时效时，随着t₂的延长，合金的抗拉强度和屈服强度逐渐提高；时效时间为48 h时，其抗拉强度达到最大值525 MPa，屈服强度稳定在470 MPa。较T6工艺，其抗拉强度提高了32 MPa，屈服强度高17 MPa，此时合金的伸长率为13%，表明塑性较好。

图3  不同的第二级时效温度下合金力学性能与第二级时效时间的关系

Fig.3  Relationship between mechanical properties with second ageing time under different second ageing temperatures (θ₁=165 ℃, t₁=36 h)

为了得出最佳双级时效工艺，将一级和二级时效温度分别取为165和130 ℃，调整第一级时效时间t₁，分别取为24、36和48 h。图4所示为在不同t₁条件下合金的力学性能随第二级时效时间t₂的变化曲线。由图4可以看出，t₁为36 h时，强塑性指标均较高，抗拉强度先升后降，在二级时效48 h后达到峰值525 MPa，屈服强度在36 h达到470 MPa以后基本保持不变。适当延长t₁可析出较多的第二相，使时效析出的强化相有足够时间长到一定尺寸，以保证其在第二级时效过程中能继续稳定地生长，最终达到最佳强化效果，但过分地延长t₁会导致析出相粗化，还会降低固溶体的相对过饱和度，从而减弱第二级时效对合金的强化作用。

图4  不同的第一级时效时间下合金力学性能与第二级时效时间的关系

Fig.4  Relationship between mechanical properties with second ageing time under different first ageing time (θ₁=   165 ℃, θ₂=130 ℃)

图5所示为合金经先高温后低温时效处理时的显微组织。从图5(a)可以看出，存在针状相(θ′和T1相)和方形相(σ相)。而由图5(b)和(c)可看出，除了粗大的析出相外，还有一些细小的析出相。这是由于在高温时效后再对合金进行低温时效可以减缓已析出强化相的长大速率，控制其粗化，同时，由于时效温度的降低，固溶体的相对过饱和度提高，还会促使第二相形核析出。因此，在165 ℃时效36 h后，再经130 ℃低温时效时，除了已析出相继续缓慢长大外，同时还会析出大量细小弥散的δ′相，δ′相的析出会消耗大量的Li原子而增加晶内空位浓度，为θ′和T1相的析出提供了更多的形核点。正是由于大量细小弥散的针状相和δ′相的析出，大大提高了合金的强度，改善了合金的塑性。

图5  合金在不同热处理态下的显微组织

Fig.5 Microstructures of alloys under different heat treatments: (a) 165 ℃, 36 h; (b) 165 ℃, 36 h+130 ℃, 36 h;  (c) 165 ℃,  36 h+130 ℃, 36 h

根据对不同时效制度对应的组织性能的分析研究，较优的双级时效工艺为165 ℃，36 h+130 ℃，48 h。

2.3  三级时效

图6所示为两种三级时效工艺下合金的力学性能曲  线。由图6可看出，1号工艺对应的综合性能比2号工艺的综合性能好。1号时效工艺对应的屈服强度峰值为480 MPa，抗拉强度峰值为520 MPa，而伸长率变化幅度较小；t₃为36 h时，合金表现出较好的综合性能，其抗拉强度比T6态的高27 MPa，屈服强度相对T6态的提高了27 MPa，塑性也比T6态的好；当t₃为36 h时，2号时效工艺所获得的峰值抗拉强度和屈服强度分别为490 MPa和455 MPa，伸长率为12%，综合性能与T6态的相当。

图6  合金力学性能随时效时间的变化曲线

Fig.6  Change curves of mechanical properties of alloys with ageing time

图7所示为实验合金经三级时效的微观组织演变。从图7(a)可看到高密度的GP区和过渡相；从图7(b)可看到较多的析出相；从图7(c)和(d)可看出既存在粗大的针状相和方形相，也存在很多细小的球形相和针状相。这是由于在150 ℃时效24 h后形成的预脱溶相，其中大部分的尺寸大于回溶的临界尺寸，能在第二级时效过程中充当析出相核心，因此，在经  165 ℃时效24 h后能析出较多的强化相。由于三级时效温度降为130 ℃，时效温度的降低使固溶体的相对过饱和度提高，也使原子扩散速率减慢，因此，在三级时效时，在已析出相继续缓慢长大的同时析出细小的δ′相、θ′相和T1相，从而使合金具有较好的综合力学性能，伸长率与T6态的相当，但强度指标比T6态的高，相对165 ℃，36 h+130 ℃，48 h工艺，其屈服强度较高但抗拉强度较低。

图7  三级时效合金微观组织形貌

Fig.7 Microstructures of alloys with three-stage ageing treatments: (a) 150 ℃, 24 h; (b) 150 ℃, 24 h+165 ℃, 24 h; (c) 150 ℃,      24 h+165 ℃, 24 h+130 ℃, 48 h; (d) 150 ℃, 24 h+165 ℃, 24 h+130 ℃, 48 h

由于2号时效工艺的时效温度逐步上升，第一级时效温度为130 ℃，合金经预时效处理后进入较高温度的第二级时效，导致一些尺寸细小的预时效析出相回溶，而回溶的溶质原子可促进第二级时效析出相进一步长大，当温度提高到165 ℃进入第三级时效时，二级时效形成的一些尺寸细小的脱溶产物会再一次产生回溶，再次减少强化相数目，而回溶的溶质原子和上升的时效温度都会加快析出相的长大速度，最终导致合金的第二相组织粗化，因此，经2号工艺处理后的合金强度不高、塑性不好。

因此，150 ℃，24 h+165 ℃，24 h+130 ℃，48 h为较优的三级时效工艺。

3  结论

1) 采用T8时效工艺所获得的强度最高，采用T6时效工艺所获得的强度最低，而采用双级时效工艺和三级时效工艺所获得的强度相差不大，介于T6态的 和T8态的之间。较优的双级时效制度为165 ℃，36 h+ 130 ℃，48 h，较好的三级时效制度为150 ℃，24 h+ 165 ℃，24 h+130 ℃，48 h。

2) 采用先高温后低温的双级时效工艺，一级时效析出相不会在二级时效时回溶，而低温时效可以减缓已析出相的长大速率，同时，较低温度固溶体的相对过饱和度较高，促使新的析出相形核，增加细小弥散分布析出相的份额。

3) 采用先低温后高温再低温的三级时效工艺，预时效形成的高密度GP区和过渡相，大部分超过了回溶的临界尺寸，因而在二次时效有较多的第二相析出，由于第三级时效温度较低，减缓了已析出相的粗化，同时还析出较多细小的强化相。

REFERENCES

[1] 刘 斌, 陈铮铮, 顾冰芳, 陆渝生, 姜剑虹. 铝锂合金的发展与应用[J]. 现代机械, 2001(4): 71-74.

LIU Bin, CHEN Zheng-zheng, GU Bing-fang, LU Yu-sheng, JIANG Jian-hong. Development and application of Al-Li alloys[J]. Modern Mechanism, 2001(4): 71-74.

[2] 黄兰萍, 郑子樵, 李世晨, 蒋 呐, 范云强, 谢绍俊. 铝锂合金的研究与应用[J]. 材料导报, 2002, 16(5): 20-23.

HUANG Lan-ping, ZHENG Zi-qiao, LI Shi-chen, JIANG Na, FAN Yun-qiang, XIE Shao-jun. Study and application of Al-Li alloys[J]. Materials Review, 2002, 16(5): 20-23.

[3] 尹登峰, 郑子樵. 铝锂合金研究开发的历史与现状[J]. 材料导报, 2003, 17(2): 18-20.

YIN Deng-feng, ZHENG Zi-qiao. History and current status of aluminum-lithium alloys research and development[J]. Materials Review, 2003, 17(2): 18-20.

[4] 霍红庆, 郝维新, 耿桂宏, 达道安. 航天轻型结构材料—铝锂合金的发展[J]. 真空与低温, 2005, 11(2): 63-69.

HUO Hong-qing, HE Wei-xin, GENG Gui-hong, DA Dao-an. Development of the new aerocraft material-aluminum-lithium alloy[J]. Vacuum and Cryogenics, 2005, 11(2): 63-69.

[5] KIM J D, PARK J K. Effect of stretching on the precipitation kinetics of an Al-2.0Li-2.8Cu-0.5Mg (0.13Zr)alloy[J]. Metall Trans, 1993 , 24A(12): 2613-2621.

[6] CASSADA W A, SHIFLET G J, STARKE E A Jr. Effect of plastic deformation on Al₂CuLi (T₁) precipitation[J]. Metallurgical Transaction A, 1991, 22A(2): 299-306.

[7] HUANG J C, ARDELL A J. Addition rules and the contribution of δ′ precipitates to strengthening of aged Al-Li-Cu alloys[J]. Acta Metall, 1988, 36(11): 2995-3006.

[8] 范云强, 陈志国, 郑子樵, 李艳芬. 分级时效对Al-Cu-Li-Mg-Mn-Zr合金微观组织与性能的影响[J]. 中国有色金属学报, 2005, 15(4): 590-595.

FAN Yun-qiang, CHEN Zhi-guo, ZHENG Zi-qiao, LI Yan-fen. Effects of multi-stage ageing treatments on microstructure and mechanical properties of Al-Cu-Li-Mg-Mn-Zr alloys[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2005, 15(4): 590-595.

[9] LUMLEY R N, MORTON A J, POLMEAR I J. Enhanced creep performance in an Al-Cu-Mg-Ag alloy through underageing[J]. Acta Mater, 2002, 50(14): 3597-3608.

[10] 袁志山, 陆 政, 谢优华, 戴圣龙, 刘常升. 高强Al-Cu-Li-X铝锂合金2A97三级时效工艺及性能研究[J]. 航空材料学报, 2006, 26(3): 79-82.

YUAN Zhi-shan, LU Zheng, XIE You-hua, DAI Sheng-long, LIU Chang-sheng. Study on triple aging and mechanical properties of high strength Al-Cu-Li-X aluminum lithium alloy-2A97[J]. Journal of Aeronautical Materials, 2006, 26(3): 79-82.

[11] 张 蕾, 祝铭亮, 黄 正. 双级时效对1420合金模锻材料组织和性能的影响[J]. 轻合金加工技术, 2003, 31(6): 36-39.

ZHANG Lei, ZHU Ming-liang, HUANG Zheng. Effects of double ageing on microstructures and properties of 1420 alloy[J]. Light Alloy Fabrication Technology, 2003, 31(6): 36-39.

[12] GHOSH K S, DAS K, CHATTERJEE V K. Studies of microstructural changes upon retrogression and reaging (RRA ) treatment to 8090 Al-Li-Cu-Mg-Zr alloy[J]. Materials Science and Technology, 2004, 20(7): 825-834.

[13] GHOSH K S, DAS K, CHATTERJEE U K. Studies of retrogression and reaging behavior in a 1441 Al-Li-Cu-Mg-Zr alloy[J]. Metallurgical and Materials Transactions A, 2005, 36(12): 3477-3487.

[14] LYNCH S P. Fracture of 8090 Al-Li plateⅠ. Short transverse fracture toughness[J]. Materials Science and Engineering A, 1991,A36: 25-43.

[15] BLANKESHIP J C P, STARKE E A. Mechanical behavior of double-aged AA8090[J]. Metallurgical Transactions A, 1993, 24(4): 833-841.

[16] YOSHIMURA R, TOYOHIKO J K, ABE E, HIRAGA K. Transmission electron microscopy study of the evolution of precipitates in aged Al-Li-Cu alloys: The θ′and T₁ phases[J]. Acta Materialia, 2003, 51(14): 4251-4266.

[17] YOSHIMURA R, KONNO T J, ABE E, HIRAGA K. Transmission electron microscopy study of the early stage of precipitates in aged Al-Li-Cu alloys[J]. Acta Materialia, 2003, 51(10): 2891-2903.

[18] 李红英, 张建飞, 欧 玲, 郑子樵. 时效处理对新型Al-Cu-Li合金组织性能的影响[J]. 金属热处理, 2007, 32(3): 48-52.

LI Hong-ying, ZHANG Jian-fei, OU Ling, ZHENG Zi-qiao. Effect of aging process on microstructures and mechanical properties of a new Al-Cu-Li alloy[J]. Heat Treatment of Metals, 2007, 32(3): 48-52.

收稿日期：2007-07-09；修订日期：2007-11-18

通讯作者：李红英，教授，博士；电话：0731-8836328；E-mail: lhying@mail.csu.edu.cn

(编辑 李艳红)