2195铝锂合金轧环制备工艺研究

胡丽敏，曹俊生，姚芳，王海军

航天新力科技有限公司 贵州遵义 563003

1 序言

航空航天领域中，对从结构上减重的需求十分迫切，而减轻质量最有效的方法之一是使用锂添加剂降低所用铝合金的密度。2195铝锂合金因其质量轻、比强度高、延展性和韧性好而被广泛应用于航空航天领域[1-3]。2195铝锂合金结合了铝-铜和铝-锂系合金的析出硬化特性，它是Weldalite TM 049系列合金，该合金组专门为低温储罐（如航天飞机中使用的大型外部储罐）而设计[4，5]。该合金的典型工艺为将其轧制成最终或接近净形状的产品，然后进行T8热处理，包括固溶处理、冷加工和人工时效，以获得最佳力学性能。

2195铝锂合金既是变形铝合金也是可热处理强化铝合金。虽然国内对2195铝锂合金制备以及加工研究开展较早，但在制备和加工铝锂合金过程中仍然存在不少问题，包括：熔炼时元素含量控制问题、碱金属杂质问题、成分偏析及组织不均问题等，这都增加了铝锂合金铸锭质量的不稳定性，影响原材料产能和制备成本，进而严重制约我国铝锂合金下游产品的制造应用及产业发展。因此，本文主要通过ICP、力学性能测试，以及金相显微镜研究了2195铝锂合金铸锭以及后续不同状态下的性能和组织，包括铸态、均匀化退火态及T8态。

2 合金成分和试验方法

将纯铝、AlCu50、AlCr5合金、纯Li、纯Mg和纯Ag等原材料，装入真空感应炉中，熔炼铸造重量为10kg、直径为125mm规格的铸锭，然后分别在铸锭头部和尾部取样，测得化学成分见表1。从表1可看出，铸锭的头部和尾部化学成分基本无变化，表明铸锭化学成分均匀，且铸锭实测化学成分含量均符合美国牌号2195铝锂合金要求。

表1 合金的化学成分（质量分数） （%）

从铸锭尾部和头部分别沿半径方向在边部和心部各取一块试样进行金相观察，再将铸锭去掉头尾部后进行均匀化处理（490℃×40h），然后在铸锭一端取小块试样进行金相观察，再后将剩余铸锭热轧成环。轧环经过固溶处理（510℃×2h）→冷轧变形（变形量为7%）→人工时效处理（160℃×20h）后，得到T8态的合金轧环，最后对T8态合金进行金相观察以及拉伸性能测试。铸态和退火态金相试样规格为15mm（直径方向）×10mm（切向）×10mm（高向）；T8态金相试样为20mm（横向）×15mm（纵向）×13mm（高向）。

在CTM4105万能拉伸机上进行力学性能测试，试样尺寸沿轧环宽度方向取样，引伸计标距为20mm，拉升速率为1mm/min。为保证试验数据的可靠性，每个状态的试验合金准备3个平行样，每个状态点的屈服强度（Rp0.2）、抗拉强度（Rm）及伸长率（A）均为三个平行样的平均值。在JMHVS-100-XYZ全自动精密显微硬度计上进行硬度测试，硬度计载荷为1.96N，持续时间为15s，每个测试点测6次，取平均值，当取值之间差值较大时，去掉最大、最小值后再取平均值。

采用AXIO VERT A1蔡司显微镜观察分析金相显微（OM）组织。观察前，将试样依次在400#、800#、1500#、2000#、3000#砂纸上研磨并进行机械抛光，铸态和均匀化态的样品采用浓度为0.5%的氢氟酸（HF）溶液进行腐蚀，腐蚀时间为30～40s，而T8态试样采用Keller试剂（2.5%HNO3+1.0%HF+1.5%HCl+95%H2O）腐蚀30～50s。

3 试验结果与分析

3.1 热处理工艺对2195铝锂合金组织的影响

（1）铸态 图1所示为2195铝锂合金铸锭不同位置、不同放大倍数的金相组织。从低倍形貌可看出，铸态合金头部组织具有明显的树枝晶特征，树枝晶尺寸较大，呈连续而密集的枝晶网状结构。树枝晶的形成是由于在凝固过程中，熔体固-液界面存在负的温度梯度，固-液界面上某些部分突出生长进入液相，进入液相后的突出部位生长速度增大，沿某一方向继续生长形成树枝晶；而尾部的树枝晶尺寸较小，此现象是由尾部合金温度梯度较低、冷却速度较小造成的。由于心部温度梯度小，冷却速度小，导致铸锭心部的树枝晶比边部更明显，尺寸更大。此外，从高倍金相图看出，合金中存在大量的结晶相和组织成分偏析，晶粒内部和晶界上富集着许多非平衡共晶体和其他非平衡相。以上现象表明，该合金铸锭存在较严重的枝晶偏析和元素偏析，必须通过均匀化退火处理予以消除或降低其影响。

图1 铸态2195铝锂合金不同位置的金相组织

（2）均匀化退火态 图2所示为2195合金经490℃×40h均匀化处理后不同位置的金相组织。从图2可以看出，经过490℃×40h均匀化处理后，枝晶网络状组织已基本消除，晶界变得清晰平直，晶界和晶内共晶相数量减少，说明合金均匀化效果明显；晶界析出相由铸态的连续分布变得离散断续，晶界变细薄。与图1中的铸态组织相比，说明均匀化处理后，共晶相数量进一步减少，降低了元素偏析程度，沿晶界可使共晶相回溶至基体。

图2 2195铝锂合金铸锭490℃×40h均匀化后不同位置的金相组织

（3）T8态 图3所示为2195铝锂合金经510℃×2h+7%预变形+160℃×20h处理后不同方向的金相组织。从图3可以看出，合金中存在被拉长的纤维组织、带状组织和被挤碎的粗大第二相，且第二相沿轧制方向聚集分布，表明试样在环扎过程中受到充分挤压。此外，在金相组织中还存在再结晶晶粒，说明在环扎过程中合金发生了再结晶现象。

图3 2195合金锻环经510℃×2h+7%预变形+160℃×20h处理后不同方向的金相组织

3.2 热处理工艺对2195铝锂合金性能的影响

图4所示为2195铝锂合金不同状态的硬度，合金的硬度变化规律：铸态＜均匀化态＜T8态，相对于铸态合金，均匀化处理和T8处理硬度分别提高16HV、128HV，且T8处理使合金硬度翻倍，表明均匀化和T8处理均能提高合金的强度。均匀化态合金的硬度比铸态高的原因是：均匀化处理后，铸锭中大部分易溶共晶相以溶质原子的形式回溶到Al基体中，提高了基体溶质原子的饱和度，对合金起到固溶强化作用。而T8态合金的硬度高是因为在T8热处理时，在时效前引入预变形，一方面产生了变形强化，使得后续的析出时效强化在较高的强度起点进行；另一方面，时效前预变形引入大量位错为后面析出强化相提供形核位置，促进析出相析出，可显著提高合金的强度。

图4 2195铝锂合金不同状态的硬度

图5所示为T8处理后合金的拉伸性能。纵向拉伸样的抗拉强度为592.7MPa，屈服强度为564.3MPa，断面收缩率和伸长率分别为27%、7%。横向拉伸样的抗拉强度为547MPa，无屈服强度，断面收缩率和伸长率分别为3%、2.5%。横向拉伸试样的抗拉强度低于纵向，原因可能是横向是轧环的主变形方向，粗大第二相沿此方向聚集分布，导致该方向的缺陷增多，造成试样在拉伸过程中还没开始屈服就已断裂。

图5 T8态2195铝锂合金的力学性能

4 结束语

1）采用真空感应炉成功熔炼出2195铝锂合金，经过均匀化（490℃×40h）、固溶（510℃×2h）、7%预变形以及时效（160℃×20h）处理后，合金的抗拉强度达到592.7MPa，伸长率达7%。

2）均匀化处理后，合金的硬度增加16HV，组织中的网络状宏观枝晶大量减少，晶界变得清晰平直，晶界和晶内共晶相数量减少。

3）经T8处理后，合金的硬度值翻倍，组织中存在被拉长的纤维状、带状组织，以及被挤碎的粗大第二相和再结晶晶粒。