WeldaliteTM210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)

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WeldaliteTM049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WeldaliteTM049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WeldaliteTM210合金的研究报道却极少。从零散的报道可知，与WeldaliteTM049合金相比，WeldaliteTM210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WeldaliteTM210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WeldaliteTM210合金；合金2为WeldaliteTM210-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

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

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。

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=〈001〉α; (b), (d), (f) b=〈112〉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。

3 讨论

WeldaliteTM210合金是含少量Ag、Mg和Zn的

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=〈001〉α;(b) b= 〈112〉α; (c) SAD pattern, b=〈001〉α

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。

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=〈001〉α; (b) Alloy 2, b= 〈001〉α;(c) Alloy 1, b=〈112〉α; (d) Alloy 2, b=〈112〉α

4 结论

1) WeldaliteTM210Al-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，σb=601.2 MPa，σ0.2=574.8 MPa，δ=4.5%；T8 态，σb=670.7 MPa，σ0.2=652.2 MPa，δ=4.3%。

2) WeldaliteTM210Al-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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