2099鋁鋰合金擠壓材的熱處理工藝、性能及強(qiáng)化機(jī)理研究.pdf

1、2099鋁鋰合金是目前世界上最先進(jìn)的鋁合金之一，也是我國(guó)在研大飛機(jī)項(xiàng)目急需的高性能材料之一，具有低密度、高比強(qiáng)度與比剛度、高的耐低溫性能與熱暴露穩(wěn)定性、高損傷容限性能、良好的抗腐蝕性以及可焊接性等諸多卓越的性能優(yōu)勢(shì)，是現(xiàn)代航空航天、武器裝備領(lǐng)域不可或缺的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料。在國(guó)外，2099已被用在大型民用飛機(jī)A350的地板梁、機(jī)身蒙皮和下翼面桁條等部位，用量高達(dá)總重量的23％，并且也在A380(世界上最大的飛機(jī))的地板梁等部位取得應(yīng)用;在國(guó)內(nèi)

2、，西南鋁業(yè)于2012年初首次成功試制了直徑為540mm的2099合金圓錠，而要充分掌握這種新型合金的性能并進(jìn)行品質(zhì)提升還需要更多的人為之努力。本文以含鍶、鈧微合金化的2099鋁鋰合金擠壓材作為主要研究對(duì)象(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為，％，Al-2.57Cu-1.86Li-1.31Zn-0.420Mg-0.321Mn-0.0735Zr-0.0943Sr-0.0433Sc)，采用金相顯微鏡與掃描電鏡觀察、能譜分析、X射線衍射儀分析、電子背散射衍射分析、硬度

3、和導(dǎo)電率測(cè)試、抗腐蝕性能測(cè)試以及采用不同的熱處理工藝等方法研究了本合金的多方面性能，所開(kāi)展的探索性工作及取得的創(chuàng)新成果如下:
　　 (1)研究了固溶-預(yù)壓縮-時(shí)效狀態(tài)下2099鋁鋰合金擠壓材的拉伸性能與強(qiáng)化機(jī)理。研究表明，該試驗(yàn)合金的密度為2517Kg/m3;經(jīng)固溶(540℃/2h)、預(yù)壓縮(≈4％)以及雙級(jí)時(shí)效(121℃/14h+181℃/48～66h)后，合金的屈服強(qiáng)度為(445～491)MPa，抗拉強(qiáng)度為(543～551)

4、MPa，延伸率為(5.7～4.7)％，彈性模量最高可達(dá)到80GPa，具有極高的力學(xué)性能;時(shí)效強(qiáng)化是該合金最重要的強(qiáng)化來(lái)源，隨二級(jí)時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，合金強(qiáng)度顯著提高，與此同時(shí)，斷口形貌也不斷發(fā)生變化，沿晶斷裂逐漸明顯，合金性能受二級(jí)時(shí)效時(shí)間的影響巨大;合金中低角度晶界的強(qiáng)化效果顯著優(yōu)于高角度晶界的強(qiáng)化效果;位錯(cuò)數(shù)量對(duì)合金的強(qiáng)化也具有極為重要的作用;
　　 (2)研究了固溶-預(yù)壓縮-時(shí)效狀態(tài)下2099鋁鋰合金擠壓材的斷裂韌性及裂紋擴(kuò)展

5、行為。研究表明，合金在L-R方向和R-L方向的斷裂韌性及斷口形貌具有明顯差異，合金內(nèi)部的晶粒組織狀態(tài)是導(dǎo)致其具有各向異性的重要因素。合金內(nèi)的細(xì)小再結(jié)晶晶粒及粗大不（難）溶第二相沿?cái)D壓方向呈帶狀分布，在R-L取向的斷裂韌性試樣中，上述組織缺陷恰恰成為裂紋擴(kuò)展時(shí)的主要路徑;而L-R取向的斷裂韌性試樣在裂紋擴(kuò)展過(guò)程中，晶體取向變化較大，裂紋擴(kuò)展方向容易發(fā)生改變，并且該方向上裂紋穿過(guò)的晶界密度高，所造成的結(jié)果就是該方向上裂紋擴(kuò)展所需的能量增高、

6、路徑增長(zhǎng)、阻力增大，合金斷裂韌性較高;若要進(jìn)一步提高合金的斷裂韌性，需要改善組織的方向性，減少和抑制細(xì)小再結(jié)晶組織以及粗大不（難）溶第二相等組織缺陷。
　　 (3)研究了預(yù)回復(fù)-固溶-時(shí)效狀態(tài)下2099鋁鋰合金擠壓材的組織與性能。研究表明，2099鋁鋰合金擠壓材(擠壓比21.5)在僅進(jìn)行常規(guī)固溶(540℃/2h)并時(shí)效的條件下，其平均晶粒尺寸僅為5.00449μm，高角度晶界比例僅為22.2％，合金具有良好的再結(jié)晶抗力，其主要原

7、因在于Zr、Sc在基體內(nèi)能夠生成粒子相Al3Zr、Al3Sc和Al3(Se1-x，Zrx)，從而起到釘扎位錯(cuò)、穩(wěn)定亞晶結(jié)構(gòu)、抑制再結(jié)晶的作用;預(yù)回復(fù)退火能夠進(jìn)一步抑制其發(fā)生再結(jié)晶，并且起到抑制晶粒長(zhǎng)大和細(xì)化晶粒的作用，但是對(duì)于再結(jié)晶抗力高的鋁合金，預(yù)回復(fù)退火難以有效、大幅度的提高其性能，這與7000系鋁合金存在較大差別;時(shí)效前進(jìn)行預(yù)壓縮變形一方面可以產(chǎn)生形變硬化，提高合金沉淀強(qiáng)化的起點(diǎn);另一方面能夠增加位錯(cuò)密度，為強(qiáng)化相的非均勻形核提供

8、有利場(chǎng)所;同時(shí)，位錯(cuò)密度的增加也進(jìn)一步增強(qiáng)了位錯(cuò)的強(qiáng)化效果，因此時(shí)效前進(jìn)行預(yù)壓縮變形對(duì)合金性能的改善具有重大作用。
　　 (4)初步探究了2099鋁鋰合金的淬透性能。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，2099鋁鋰合金的淬透性能極高，有利于合金的大型化應(yīng)用。其整體淬透深度至少在74mm以上，遠(yuǎn)高于2024鋁合金的44mm淬透厚度和7075的50mm的淬透厚度。分析表明，其淬透性與主合金元素Cu、Li的質(zhì)量比及高角度晶界的數(shù)量最為密切，Mg、Zn、空位之間