熱處理工藝對2A97鋁鋰合金拉伸性能和腐蝕性能的影響

林 毅，鄭子樵，韓 燁，張海鋒

(中南大學 材料科學與工程學院，長沙 410083)

熱處理工藝對2A97鋁鋰合金拉伸性能和腐蝕性能的影響

林 毅，鄭子樵，韓 燁，張海鋒

(中南大學 材料科學與工程學院，長沙 410083)

研究不同熱處理工藝對2A97鋁鋰合金拉伸性能和腐蝕性能的影響。結果表明：合金經熱處理工藝C(5%預變形+100 ℃, 1.5 h+5%中間變形+160 ℃, t)處理后，獲得較好的強度與塑性的配比，在峰時效狀態下，合金抗拉強度和伸長率分別為597 MPa和7.4%。同時，合金耐晶間腐蝕性能優異，平均晶間腐蝕深度為22 μm。在分步變形和雙級時效的綜合作用下，合金在峰時效晶內獲得大量彌散細小的T1相和少量的S′相，晶界處析出相稀少，無沉淀析出帶不明顯，使2A97合金獲得高強度的同時，改善塑性和耐晶間腐蝕性能。

2A97鋁鋰合金；微觀組織；晶間腐蝕；雙級時效

Abstract:The effects of various heat treatment processes on tensile and corrosion properties of 2A97 Al-Li alloy were investigated. The results show that, undertaken with heat treatment process C (pre-deformation 5%+100 ℃, 1.5 h+mid-deformation 5%+160 ℃, t), the alloy obtains preferable combination of strength and ductility. At the peak-aged condition of heat treatment process C, the tensile strength and elongation of 2A97 Al-Li alloy are 597 MPa and 7.4%,respectively. Meanwhile, the intergrannular corrosion resistant is excellent, and the average intergranular corrosion depth is 22 μm. Under the comprehensive function of multi-step deformation and two-step aging, the large quantities of T1precipitate dispersedly in grain with some S′ phase, few second phases precipitate in grain boundary, and the precipitation free zone is not obviously near grain boundary, which respond to the favorable tensile properties and corrosion properties of 2A97 Al-Li alloy at peak-aged.

Key words:2A97 Al-Li alloy; microstructure; intergrannular corrosion; two-step aging

Al-Cu-Li系合金為時效強化型變形鋁合金。合金中由于Li元素的添加，使其與傳統鋁合金相比具有低密度，高彈性模量和高比強度，同時擁有良好的疲勞性能和耐腐蝕性能。Al-Cu-Li系合金作為結構件被廣泛應用于航天航空領域，成為減輕飛行器質量、提升飛行器有效載重和提高燃油效率的重要途徑。

Al-Cu-Li系合金沉淀析出過程復雜，受合金元素的影響，合金沉淀析出相有 δ′(Al3Li)、θ′(Al2Cu)、S′(Al2CuMg)和T1(Al2CuLi)等。不同的析出相具有不同的結構特點以及析出特征，從而給合金性能帶來不同的影響。

球狀相δ′具有L12結構，與基體共格[1?2]，為合金時效初期主要強化相。在塑性變形過程中，δ′相被位錯切過引起共面滑移，造成位錯在晶界塞積，導致晶界應力集中，惡化合金塑性[3]。半共格盤狀相 θ′對合金具有一定的強化作用。由于 θ′相電位比 Al基體的

合金性能為析出相特性綜合作用的結果，而析出相特性又與熱處理工藝密切相關。Al-Cu-Li系合金通常進行 T8處理，即合金在固溶處理后先預變形再時效的形變熱處理工藝。時效前的預變形使合金中的位錯增殖，位錯為θ′、S′和T1相的析出提供低能形核位置[11?12]。傳統 T8工藝的預變形量較低，一般不超過7%。隨著預變形量的增加，強化相增多帶來合金強度提高的同時將導致塑性的惡化。因此，開發一種既能提高合金強度又不損害塑性并能在一定程度上改善合金其他性能如耐腐蝕性的新型形變熱處理工藝對挖掘Al-Cu-Li系合金潛力，擴大其在航天航空領域的應用有著重要的意義。本文作者通過對2A97鋁鋰合金進行新型的形變熱處理研究，以期合金獲得理想的強度和塑性的配比以及良好的耐腐蝕性能，且對熱處理工藝影響合金性能的相關機理進行探討。

1 實驗

將2 mm厚2A97鋁鋰合金板材置于520℃鹽浴中進行固溶處理，保溫2 h，水淬至室溫。將固溶處理后的合金板進行冷軋，一部分合金板軋至1.90 mm，變形量為5%，將其中一部分置于160 ℃時效，另一部分于100 ℃時效1.5 h，隨后再冷軋至1.81 mm，變形量為5%，然后將其置于160 ℃下時效；另一部分固溶處理后的合金板軋至1.81 mm，變形量為9.5%，然后置于160 ℃下時效。合金熱處理工藝如表1所列。

合金室溫拉伸參照標準ASTM E 8進行，試樣沿板材軋制方向截取并加工成骨狀，試樣標距為40 mm，平行段長度寬為10 mm。室溫拉伸在電液伺服萬能材料試驗機MTS 858下進行，拉伸速率為2 mm/min。合金晶間腐蝕按照標準ASTM G 110?92進行，以合金軋制表面為腐蝕面，腐蝕面依次經砂紙打磨、拋光、丙酮除油、去離子水清洗，非腐蝕面用環氧樹脂密封，腐蝕介質采用(1 mol NaCl+10 mL 30% H2O2)/L的溶液(IGC溶液)。

表1 2A97合金熱處理工藝Table 1 Heat treatments processes of 2A97 alloy

合金顯微組織在TecnaiG2200透射電鏡上進行觀察，其加速電壓為200 kV。透射試樣用砂紙機械減薄至100 μm，然后在MT-PI型雙噴電解減薄儀上進行雙噴，工作溫度低于?30 ℃，工作電壓為12～15 V，工作電流為 70～80 mA。雙噴電解液用硝酸和甲醇按體積比為1:3進行配制。

2 實驗結果

2.1 力學性能

圖1 不同熱處理工藝下2A97合金拉伸性能與時效時間的關系Fig.1 Relationship between tensile properties and aging time of 2A97 alloy at different heat treatment processes

圖1所示為合金經A、B、C 3種熱處理工藝處理后室溫拉伸性能與時效時間的關系曲線。由圖1可看出，經工藝A處理，合金在160 ℃下時效30 h達峰時效(A-30)，峰時效抗拉強度和伸長率分別為584 MPa，6.2%。經工藝B處理，合金在160 ℃下經16 h達峰時效(B-16)，峰時效抗拉強度為 592 MPa，伸長率為5.2%。在工藝C條件下，預變形5%的合金在100 ℃保溫1.5 h，經5%中間變形，然后在160 ℃下經16 h達峰時效(C-16)，峰時效抗拉強度為 597 MPa，伸長率為7.4%。與工藝A相比，工藝B和C在一定程度上提高合金的抗拉強度，縮短合金時效響應時間，但經工藝B處理的合金塑性不高。工藝C在保持工藝B總變形量不變的條件下，對合金進行兩次變形，使合金在時效后強度進一步提高的同時保持了較好的塑性。表2所列為合金不同峰時效下的室溫拉伸性能。

表2 不同峰時效下2A97合金拉伸性能Table 2 Tensile properties of 2A97 alloy at different peak-aged conditions

2.2 腐蝕性能

圖2所示為合金經3種工藝處理在(A-30)、(B-16)和(C-16)3種峰時效下的晶間腐蝕形貌。3種狀態下合金的晶間腐蝕形貌具有相似特點，腐蝕面上都產生了深淺不一的腐蝕坑，但晶間腐蝕不明顯。晶間腐蝕深度如表3所列，C-16時，合金平均晶間腐蝕深度和最大腐蝕深度最小，分別為22和95 μm。B-16時，合金平均晶間腐蝕深度和最大腐蝕深度最大，分別為35和106 μm。與工藝A和B相比，工藝C明顯提高合金晶間腐蝕抗力，改善合金耐腐蝕性能。

2.3 微觀組織觀察

圖3所示為2A97合金在不同峰時效下〈112〉α方向暗場TEM像及選區電子衍射(SAED)花樣。由圖3可知，合金分別經3種工藝處理后，在峰時效下，主要析出相都為T1相。合金經5%預變形后在160 ℃下進行單級人工時效，峰時效(A-30)下合金析出稀疏粗大的T1相。隨著預變形量提高到9.5%，合金進行160℃單級時效，峰時效(B-16)下析出的T1相更細小彌散。合金經5%預變形和100 ℃、1.5 h時效后進行5%中間變形，然后在160 ℃下時效，峰時效(C-16)下合金較時效態(B-16)的具有更彌散、體積分數更大的T1相，同時合金中還析出少量的S′相。因此可知，預變形促進T1相的析出以及改變了T1相的析出特征，隨著變形量的提高，T1相的析出量增大，分布更彌散，并伴隨少量的S′相析出。

圖2 2A97合金不同峰時效下晶間腐蝕形貌Fig.2 Intergranular corrosion morphologies of 2A97 alloy at different peak-aged conditions: (a) A-30; (b) B-16; (c) C-16

表3 2A97合金不同峰時效下晶間腐蝕深度Table 3 Intergranular corrosion depth of 2A97 alloy at different peak-aged conditions

圖3 2A97合金不同峰時效下〈112〉αT1相的TEM像及衍射斑點Fig.3 TEM images ofT1phase and corresponding SAD patterns of 2A97 alloy at different peak-aged conditions from〈112〉 α: (a) A-30; (b) B-16; (c) C-16

圖4所示為2A97合金在不同峰時效下的晶界微觀組織。由圖4可知，在3種峰時效下，晶界上都析出第二相，且在晶界附近形成無沉淀析出區(PFZ)，但3種峰時效下，合金晶界微觀組織又各具特點。合金

在峰時效(B-16)下無沉淀析出區最寬，而峰時效(C-16)下的最不明顯，3種峰時效下無沉淀析出區寬度由大到小順序為(B-16)、(A-30)、(C-16)。在峰時效(A-30)和(B-16)下，晶界析出相粗大連續。在峰時效(C-16)下，晶界較為干凈，晶界析出相細小、稀少。

圖4 2A97合金不同峰時效下晶界微觀組織Fig.4 Microstructures around grain boundaries of 2A97 alloy at different peak-aged conditions: (a) A-30; (b) B-16; (c) C-16

3 分析與討論

3.1 熱處理工藝對合金力學性能的影響

隨著預變形量的增大，基體中析出的T1相變得更細小、體積分數更大。這是由于預變形量的增加，使基體中的位錯密度增大，為T1相的沉淀析出提供良好的形核位置[11]。大量細小彌散的T1相提高了合金的強度，合金抗拉強度由峰時效(A-30)的584 MPa增加到峰時效(C-16)的597 MPa。位錯密度的增加提高了T1相非均勻形核率，加快了合金時效響應速率，峰時效時間縮短了14 h。工藝C將較大的變形量通過預變形和中間變形分兩次施加給合金，兩次變形之間穿插一個低溫預時效，保證了合金變形均勻，位錯在基體中的分布更均勻，合金在160 ℃下形成更彌散細小量大的T1相，獲得最大強度。

經工藝 C處理的合金在峰時效析出一定量的 S′相，由于S′相為寬松堆垛結構，該結構中沒有與基體平行的可用作滑移面的均勻緊密堆垛的原子面，位錯很難以切過的方式通過。S′相的存在阻礙了位錯運動，抑制共面滑移，促進合金的均勻變形[3,13?14]。因此，與工藝A和B相比，工藝C改善合金塑性一定程度上源于析出的S′相對滑移的分散作用。

分別經3種工藝處理，峰時效下合金無沉淀析出區寬度由大到小順序為(B-16)、(A-30)、(C-16)。與沉淀相強化的晶內相比，無沉淀析出區較軟，流變應力低，塑性變形易在該區域發生[15?16]。拉伸實驗中，合金在軸向拉應力作用下發生塑性變形，變形優先在無沉淀析出區發生將引起該區域應力集中。在無沉淀析出區局部應力作用下，晶界微裂紋和微孔將沿無沉淀析出區擴展和粗化，降低晶界結合力，導致合金韌性惡化，引發材料低能沿晶斷裂[3,17]。

研究表明[16]沿晶斷裂受晶內和晶界應變、無沉淀析出區，界面能和晶界析出相影響，晶界斷裂應變 εf可用以下數學模型表示：

式中：q為無沉淀析出區與晶內應變比；k為Edelsion實驗估算的常數；k′為晶界析出相與晶界界面能和晶界析出相與基體界面能之比；W為無沉淀析出區寬度；D為晶界析出相尺寸；N晶界單位面積析出相數量。

由式(1)可知，無沉淀析出區越寬，晶界應變就越高。隨著晶界應變的增加，晶界應力集中程度提高。晶界，特別是三角晶界處的高應力將誘發該區域微孔的萌生和擴展，最終導致裂紋沿晶界擴展。經工藝C處理的合金由于窄小的無沉淀析出區而降低了晶界應力集中程度，延緩了合金因晶界分裂而失效。因此，經工藝C處理的合金塑性最好，工藝A處理的次之，工藝B處理的最差。

3.2 熱處理工藝對合金腐蝕性能的影響

合金中的第二相與周圍基體化學成分的差異使彼此間電位不一致，電位高低不同的臨近區域構成原電池，在腐蝕介質中發生陽極溶解，導致合金產生局部腐蝕。2A97合金晶間腐蝕形貌與其時效析出相密切相關。2A97合金峰時效下沉淀析出相有T1、θ′和S′。T1、θ′和 S′相以及無沉淀析出區的電位大小關系可以表示為 φθ′＞φPFZ＞φS′＞φT1[18?19]。在腐蝕環境中，晶界形成的無沉淀析出區電位比晶界析出相θ′的低，導致無沉淀析出區發生陽極溶解，引起晶間腐蝕。當合金在晶內析出電位更負的T1相時，晶內的T1相優先發生腐蝕，降低了晶間陽極溶解動力[20]。合金分別經3種熱處理工藝處理，峰時效下，晶內都析出了合金T1相。在腐蝕溶液中，T1相充當陽極，其周圍的基體充當陰極，形成原電池，發生T1相的陽極溶解。T1相的析出降低晶界與晶內的電位差，晶內和晶界發生均勻腐蝕，合金獲得如圖2所示的腐蝕形貌。與另外兩種峰時效(A-30)、(B-16)的合金相比，峰時效(C-16)合金中形成大量的彌散分布的 T1相并伴隨有少量較低電位的 S′相[19]，此外，晶界析出相不連續且稀少，有效切斷了晶界連續腐蝕通路，因此，經工藝C處理的合金在峰時效(C-16)下獲得最好的耐晶間腐蝕性能。

4 結論

1) 2A97鋁鋰合金分別經熱處理工藝A、B、C處理，峰時效下合金抗拉強度分別為 584、592和 597 MPa，伸長率分別為6.2%、5.2%和7.4%。

2) 熱處理工藝 C通過分步變形與雙級時效的結合，使合金獲得較大變形量的情況下保證了變形均勻，促進合金在時效過程中析出大量、彌散、細小的 T1相從而獲得較高的強度。

3) 時效過程中形成一定量的 S′相和窄小的無沉淀析出區有助于分散滑移和減輕晶界應力集中程度，抑制合金在塑性變形過程中產生共面滑移，改善合金塑性。

4) 大量彌散分布的 T1相以及稀少不連續分布的晶界析出相使合金的耐腐蝕抗力得到提高。與熱處理工藝A、B相比，熱處理工藝C有效地提高合金強度和塑性，改善了合金的耐腐蝕性。

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(編輯 李艷紅)

Effects of heat treatment process on tensile and corrosion properties of 2A97 Al-Li alloy

LIN Yi, ZHENG Zi-qiao, HAN Ye, ZHANG Hai-feng
(School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

TG 116.3

A

1004-0609(2012)08-2181-06

2011-08-01；

2011-09-18

鄭子樵，教授，博士；電話：0731-88830270；E-mail: s-maloy@csu.edu.cn高，在腐蝕環境下，發生以θ′相為陰極，基體為陽極的原電池反應，引起θ′相周圍的基體產生點蝕[4]。半共格強化相S′被認為是S相(Al2CuMg)的一種畸變形式[5]。片狀S′相在淬火形成的位錯上形核，通過奧羅萬機制強化合金[6]。半共格T1相具有P6/mmm的空間點陣[7]，對合金的時效強化效果最大。時效過程中，T1相以消耗δ′和θ′相的方式長大。T1相的存在使δ′相層錯能增加，位錯從切割機制變為繞過機制[8?9]，同時T1相為不可切割的第二相粒子[10]，大大提高合金強度。此外，T1相為脆性相，分散共面滑移的效果不大，大量的T1相不利于合金塑性的改善[3]。