2195鋁鋰合金軋環(huán)制備工藝研究

胡麗敏，曹俊生，姚芳，王海軍

航天新力科技有限公司 貴州遵義 563003

1 序言

航空航天領(lǐng)域中，對(duì)從結(jié)構(gòu)上減重的需求十分迫切，而減輕質(zhì)量最有效的方法之一是使用鋰添加劑降低所用鋁合金的密度。2195鋁鋰合金因其質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、延展性和韌性好而被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域[1-3]。2195鋁鋰合金結(jié)合了鋁-銅和鋁-鋰系合金的析出硬化特性，它是Weldalite TM 049系列合金，該合金組專門為低溫儲(chǔ)罐（如航天飛機(jī)中使用的大型外部?jī)?chǔ)罐）而設(shè)計(jì)[4，5]。該合金的典型工藝為將其軋制成最終或接近凈形狀的產(chǎn)品，然后進(jìn)行T8熱處理，包括固溶處理、冷加工和人工時(shí)效，以獲得最佳力學(xué)性能。

2195鋁鋰合金既是變形鋁合金也是可熱處理強(qiáng)化鋁合金。雖然國(guó)內(nèi)對(duì)2195鋁鋰合金制備以及加工研究開展較早，但在制備和加工鋁鋰合金過程中仍然存在不少問題，包括：熔煉時(shí)元素含量控制問題、堿金屬雜質(zhì)問題、成分偏析及組織不均問題等，這都增加了鋁鋰合金鑄錠質(zhì)量的不穩(wěn)定性，影響原材料產(chǎn)能和制備成本，進(jìn)而嚴(yán)重制約我國(guó)鋁鋰合金下游產(chǎn)品的制造應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)發(fā)展。因此，本文主要通過ICP、力學(xué)性能測(cè)試，以及金相顯微鏡研究了2195鋁鋰合金鑄錠以及后續(xù)不同狀態(tài)下的性能和組織，包括鑄態(tài)、均勻化退火態(tài)及T8態(tài)。

2 合金成分和試驗(yàn)方法

將純鋁、AlCu50、AlCr5合金、純Li、純Mg和純Ag等原材料，裝入真空感應(yīng)爐中，熔煉鑄造重量為10kg、直徑為125mm規(guī)格的鑄錠，然后分別在鑄錠頭部和尾部取樣，測(cè)得化學(xué)成分見表1。從表1可看出，鑄錠的頭部和尾部化學(xué)成分基本無(wú)變化，表明鑄錠化學(xué)成分均勻，且鑄錠實(shí)測(cè)化學(xué)成分含量均符合美國(guó)牌號(hào)2195鋁鋰合金要求。

表1 合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

從鑄錠尾部和頭部分別沿半徑方向在邊部和心部各取一塊試樣進(jìn)行金相觀察，再將鑄錠去掉頭尾部后進(jìn)行均勻化處理（490℃×40h），然后在鑄錠一端取小塊試樣進(jìn)行金相觀察，再后將剩余鑄錠熱軋成環(huán)。軋環(huán)經(jīng)過固溶處理（510℃×2h）→冷軋變形（變形量為7%）→人工時(shí)效處理（160℃×20h）后，得到T8態(tài)的合金軋環(huán)，最后對(duì)T8態(tài)合金進(jìn)行金相觀察以及拉伸性能測(cè)試。鑄態(tài)和退火態(tài)金相試樣規(guī)格為15mm（直徑方向）×10mm（切向）×10mm（高向）；T8態(tài)金相試樣為20mm（橫向）×15mm（縱向）×13mm（高向）。

在CTM4105萬(wàn)能拉伸機(jī)上進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，試樣尺寸沿軋環(huán)寬度方向取樣，引伸計(jì)標(biāo)距為20mm，拉升速率為1mm/min。為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，每個(gè)狀態(tài)的試驗(yàn)合金準(zhǔn)備3個(gè)平行樣，每個(gè)狀態(tài)點(diǎn)的屈服強(qiáng)度（Rp0.2）、抗拉強(qiáng)度（Rm）及伸長(zhǎng)率（A）均為三個(gè)平行樣的平均值。在JMHVS-100-XYZ全自動(dòng)精密顯微硬度計(jì)上進(jìn)行硬度測(cè)試，硬度計(jì)載荷為1.96N，持續(xù)時(shí)間為15s，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)測(cè)6次，取平均值，當(dāng)取值之間差值較大時(shí)，去掉最大、最小值后再取平均值。

采用AXIO VERT A1蔡司顯微鏡觀察分析金相顯微（OM）組織。觀察前，將試樣依次在400#、800#、1500#、2000#、3000#砂紙上研磨并進(jìn)行機(jī)械拋光，鑄態(tài)和均勻化態(tài)的樣品采用濃度為0.5%的氫氟酸（HF）溶液進(jìn)行腐蝕，腐蝕時(shí)間為30～40s，而T8態(tài)試樣采用Keller試劑（2.5%HNO3+1.0%HF+1.5%HCl+95%H2O）腐蝕30～50s。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 熱處理工藝對(duì)2195鋁鋰合金組織的影響

（1）鑄態(tài) 圖1所示為2195鋁鋰合金鑄錠不同位置、不同放大倍數(shù)的金相組織。從低倍形貌可看出，鑄態(tài)合金頭部組織具有明顯的樹枝晶特征，樹枝晶尺寸較大，呈連續(xù)而密集的枝晶網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。樹枝晶的形成是由于在凝固過程中，熔體固-液界面存在負(fù)的溫度梯度，固-液界面上某些部分突出生長(zhǎng)進(jìn)入液相，進(jìn)入液相后的突出部位生長(zhǎng)速度增大，沿某一方向繼續(xù)生長(zhǎng)形成樹枝晶；而尾部的樹枝晶尺寸較小，此現(xiàn)象是由尾部合金溫度梯度較低、冷卻速度較小造成的。由于心部溫度梯度小，冷卻速度小，導(dǎo)致鑄錠心部的樹枝晶比邊部更明顯，尺寸更大。此外，從高倍金相圖看出，合金中存在大量的結(jié)晶相和組織成分偏析，晶粒內(nèi)部和晶界上富集著許多非平衡共晶體和其他非平衡相。以上現(xiàn)象表明，該合金鑄錠存在較嚴(yán)重的枝晶偏析和元素偏析，必須通過均勻化退火處理予以消除或降低其影響。

圖1 鑄態(tài)2195鋁鋰合金不同位置的金相組織

（2）均勻化退火態(tài) 圖2所示為2195合金經(jīng)490℃×40h均勻化處理后不同位置的金相組織。從圖2可以看出，經(jīng)過490℃×40h均勻化處理后，枝晶網(wǎng)絡(luò)狀組織已基本消除，晶界變得清晰平直，晶界和晶內(nèi)共晶相數(shù)量減少，說(shuō)明合金均勻化效果明顯；晶界析出相由鑄態(tài)的連續(xù)分布變得離散斷續(xù)，晶界變細(xì)薄。與圖1中的鑄態(tài)組織相比，說(shuō)明均勻化處理后，共晶相數(shù)量進(jìn)一步減少，降低了元素偏析程度，沿晶界可使共晶相回溶至基體。

圖2 2195鋁鋰合金鑄錠490℃×40h均勻化后不同位置的金相組織

（3）T8態(tài) 圖3所示為2195鋁鋰合金經(jīng)510℃×2h+7%預(yù)變形+160℃×20h處理后不同方向的金相組織。從圖3可以看出，合金中存在被拉長(zhǎng)的纖維組織、帶狀組織和被擠碎的粗大第二相，且第二相沿軋制方向聚集分布，表明試樣在環(huán)扎過程中受到充分?jǐn)D壓。此外，在金相組織中還存在再結(jié)晶晶粒，說(shuō)明在環(huán)扎過程中合金發(fā)生了再結(jié)晶現(xiàn)象。

圖3 2195合金鍛環(huán)經(jīng)510℃×2h+7%預(yù)變形+160℃×20h處理后不同方向的金相組織

3.2 熱處理工藝對(duì)2195鋁鋰合金性能的影響

圖4所示為2195鋁鋰合金不同狀態(tài)的硬度，合金的硬度變化規(guī)律：鑄態(tài)＜均勻化態(tài)＜T8態(tài)，相對(duì)于鑄態(tài)合金，均勻化處理和T8處理硬度分別提高16HV、128HV，且T8處理使合金硬度翻倍，表明均勻化和T8處理均能提高合金的強(qiáng)度。均勻化態(tài)合金的硬度比鑄態(tài)高的原因是：均勻化處理后，鑄錠中大部分易溶共晶相以溶質(zhì)原子的形式回溶到Al基體中，提高了基體溶質(zhì)原子的飽和度，對(duì)合金起到固溶強(qiáng)化作用。而T8態(tài)合金的硬度高是因?yàn)樵赥8熱處理時(shí)，在時(shí)效前引入預(yù)變形，一方面產(chǎn)生了變形強(qiáng)化，使得后續(xù)的析出時(shí)效強(qiáng)化在較高的強(qiáng)度起點(diǎn)進(jìn)行；另一方面，時(shí)效前預(yù)變形引入大量位錯(cuò)為后面析出強(qiáng)化相提供形核位置，促進(jìn)析出相析出，可顯著提高合金的強(qiáng)度。

圖4 2195鋁鋰合金不同狀態(tài)的硬度

圖5所示為T8處理后合金的拉伸性能。縱向拉伸樣的抗拉強(qiáng)度為592.7MPa，屈服強(qiáng)度為564.3MPa，斷面收縮率和伸長(zhǎng)率分別為27%、7%。橫向拉伸樣的抗拉強(qiáng)度為547MPa，無(wú)屈服強(qiáng)度，斷面收縮率和伸長(zhǎng)率分別為3%、2.5%。橫向拉伸試樣的抗拉強(qiáng)度低于縱向，原因可能是橫向是軋環(huán)的主變形方向，粗大第二相沿此方向聚集分布，導(dǎo)致該方向的缺陷增多，造成試樣在拉伸過程中還沒開始屈服就已斷裂。

圖5 T8態(tài)2195鋁鋰合金的力學(xué)性能

4 結(jié)束語(yǔ)

1）采用真空感應(yīng)爐成功熔煉出2195鋁鋰合金，經(jīng)過均勻化（490℃×40h）、固溶（510℃×2h）、7%預(yù)變形以及時(shí)效（160℃×20h）處理后，合金的抗拉強(qiáng)度達(dá)到592.7MPa，伸長(zhǎng)率達(dá)7%。

2）均勻化處理后，合金的硬度增加16HV，組織中的網(wǎng)絡(luò)狀宏觀枝晶大量減少，晶界變得清晰平直，晶界和晶內(nèi)共晶相數(shù)量減少。

3）經(jīng)T8處理后，合金的硬度值翻倍，組織中存在被拉長(zhǎng)的纖維狀、帶狀組織，以及被擠碎的粗大第二相和再結(jié)晶晶粒。