2A66铝锂合金时效行为的研究

高文理++曹亚雷++陆政 张显峰++冯朝辉

摘要：通过DSC分析、硬度测试、拉伸测试、SEM和TEM检测等手段，研究了2A66铝锂合金时效组织和性能的变化.研究结果表明：对于同一时效温度，随着时效时间的延长，强度出现峰值；时效温度越高，出现峰值的时间越短.2A66铝锂合金最佳的峰值时效制度为165 ℃保温64 h，此时合金获得了良好的强塑性结合，硬度为146 HB，抗拉强度为526.5 MPa，屈服强度为448.9 MPa，延伸率为10.1%.165 ℃时效过程中合金的主要强化相为δ'，θ'和T1相，时效初期合金的主要强化来源为GP区、δ'和θ'相，峰值时效时合金的主要强化相为θ'和T1相.

关键词：时效；显微组织；力学性能；2A66铝锂合金

中图分类号：TG146.21 文献标识码：A

近年来航空航天工业的迅猛发展对材料提出了更高的要求，为了进一步提高飞行器的性能，降低自重和节约能源，以降低费用，研究和开发具有重量轻、高比强、耐腐蚀性良好的新型金属材料成为当务之急.铝锂合金作为一种新型的铝合金材料被开发出来，它具有低密度、高弹性模量、高强度和优良的综合机械性能.锂是自然界中密度最小的金属元素，在Al基体中每添加1%的Li，铝合金的弹性模量会提高6%，比弹性模量会增加9%，质量也会减少3%，其抗拉强度与2024，7075等铝合金相当[1-2].铝锂合金的生产工艺同普通铝合金没有原则性的差别，且与碳纤维增强等复合材料相比，它的成形、维修等都比较方便，其成本也远远低于复合材料，被认为是21世纪最有竞争力的航空航天材料之一[3-5].

工业用铝锂合金通常采取T6和T8两种热处理工艺，由于时效前的预变形可以增加铝合金中的位错密度，促进了θ'和T1等富铜相的形核与析出，使得铝锂合金的T8态往往比T6态具有更好的强塑性配比.然而，对于一些形状复杂的构件，不可进行预变形[6]，T6状态下的铝锂合金面临着强度和塑性的匹配问题.2A66铝锂合金是我国自主研发的AlCuLi系脱溶强化型铝合金，强度高、塑性好，具有良好的加工性能，在航空航天领域具有良好的应用前景.本文主要研究了T6状态下2A66铝锂合金的显微组织和力学性能，并讨论了时效过程中组织与性能的关系，旨在为该合金在航空航天领域中的应用提供理论依据.

1实验方法

实验用料为北京航空材料研究院提供的AlCuLiX系铝锂合金2A66，其成分如表1所示.合金熔炼和精炼后经半连续铸造制得圆锭，铸锭经过均匀化退火、开坯、热轧、冷轧等工序后得到2 mm厚板材.

2A66铝锂合金的热处理工艺确定为固溶+时效.固溶处理在SX2410型箱式电阻炉中进行，并于温度低于20 ℃的清水中水淬，淬火转移时间≤5 s；时效处理在DHG9145A型电热鼓风干燥箱中进行，温度误差为±2 ℃，取样后空冷.随后在HBRVU187.5型布洛维光学硬度计上进行布氏硬度测试，加载载荷为612.9 N，保荷时间为30 s，每个试样测试5个点并取其平均值作为测量值.在Instron3369电子万能试验机上进行室温拉伸性能测试，拉伸速度为1 mm/min，拉伸试样断口形貌在Quanta 200型环境扫描电子显微镜（SEM）上进行观察.DSC分析在STA449C型热分析仪上进行，采用Ar气保护，升温速率分别为5，10和15 ℃/min，升温范围为20～700 ℃.采用30%（V硝酸/V水）硝酸+70%（体积分数）甲醇混合溶液双喷减薄制备TEM试样，并在JEM3010高分辨透射电子显微镜上观察显微组织，电镜加速电压为200 kV.

2实验结果

2.1DSC分析

图1为轧制态2A66铝锂合金的DSC曲线.从图1可以看出，合金在524.8，573.9，648.5 ℃出现了3个吸热峰，其中前两个峰对应于2A66合金中两种非平衡低熔点共晶相的融化温度，而648.5 ℃则对应于该合金的熔点.由此可以初步确定2A66铝锂合金的过烧温度为525 ℃，固溶处理时不能超过此温度，本实验中固溶温度定为520 ℃.

T/℃

2.2布氏硬度曲线

图2为2A66铝锂合金520 ℃固溶时的时间硬度曲线图.从图中可以看出，随着固溶时间的延长，2A66铝锂合金的硬度出现了先上升后下降的现象，于90 min时达到了峰值，峰值强度为75.3 HB.在固溶处理初期，随着固溶时间的延长，残留的第二相会不断地溶入基体内，使得淬火后固溶体的过饱和度不断增加，合金的强度也不断增加并逐渐达到峰值；到了固溶处理后期，再结晶晶粒会进一步长大并出现粗化，使得合金的硬度值下降.综上所述，本实验选取520 ℃/90 min作为2A66铝锂合金的固溶处理制度.

图3为经2A66铝锂合金520 ℃/90 min固溶处理后在不同温度单级时效时硬度随时效时间的变化曲线.时效温度分别为145 ℃，165 ℃和185 ℃，与其对应的时效时间分别为0～120 h，0～86 h和0～36 h.从图中可以看出，2A66铝锂合金具有比较明显的时效强化作用，3种温度下该合金的布氏硬度随时效时间的变化规律比较相似，都存在欠时效、峰值时效和过时效3个阶段，温度越高达到峰值的时间越短.145 ℃低温时效时，时效初期合金的硬度上升较为缓慢，时效60 h后硬度为132 HB，随后合金硬度上升得更为缓慢，时效108 h硬度才达到138 HB，之后合金的硬度基本保持不变.165 ℃时效时，时效初始阶段合金的硬度迅速上升，时效至12 h硬度已达到120 HB；随后硬度上升变缓，时效至40 h硬度达到130 HB；之后随着时效时间的延长合金的硬度值继续缓慢上升，时效64 h后达到峰值，峰值硬度达到146 HB；继续时效将会进入过时效状态，合金硬度开始缓慢下降.时效温度提高到185 ℃后，合金的初始硬化速率明显加快，18 h便达到峰值时效，峰值硬度为150 HB，随后就进入了过时效阶段.