固溶处理及预拉伸变形对2197铝锂合金组织与性能的影响

固溶处理及预拉伸变形对2197铝锂合金组织与性能的影响

柴晓徽   ,欧阳轶  ,尹怀江

中航西飞民用飞机有限责任公司   陕西省西安市阎良区   710089

摘要：采用金相、扫描电镜、拉伸、断裂韧性等方法，对铝锂合金板进行了固溶处理和拉伸后拉伸强度的测定。研究发现，经过的固溶复时效后，铝锂合金的强度随着固溶处理温度的增加而逐渐增加，强度最大值出现在。在以上的固溶态条件下，合金发生了再结晶。但在下，该合金没有发生过烧。经固溶处理后再进行预拉形能有效地改善其强度。通过对合金材料的强韧匹配分析，得出了最佳的固溶量和预拉伸变形值。

关键词：性能；固溶处理；组织；预拉伸；影响；变形；铝锂合金

随着现代航空业的发展，为了节省能量和减少飞行费用，飞机必须更加轻便。铝锂合金具有较低的密度、较高的强度和较高的刚度，相对于其他先进的复合材料而言，其成本较低，因此被视为最理想的轻质、高强结构材料。

在元素周期表中，锂（Li）是最轻的一种，当铝中的Li含量为时，其密度和弹性模量分别降低。铝-锂合金以其低密度、高比强度、比刚度等优势而逐渐被广泛应用于航空航天领域。合金是第三代铝锂合金，它是将主要合金Cu和其他微合金化元素加入到F16机身、舱壁、隔板等部件中，从而大大提高了其使用寿命，并减少了维修费用。合金是一种经过固溶、时效处理的可热处理型铝合金。目前国内外对此系列合金的时效工艺进行了较多的探讨，其中包括处理、强化配合、双时效处理等，但对其组织和性能的影响尚不多见。本文着重探讨了合金的固溶预拉技术对其组织和性能的影响，为其工业化应用奠定了基础。

一、Al Li合金的发展历史

目前，高性能金属材料仍然是航空航天领域的主要结构材料，而铝锂合金因其密度低、比强度高、比刚度高、低温性能好、耐腐蚀性能好、超塑性成形性能好，采用该材料代替传统的铝合金，可以降低零件重量，增加的刚性，尤其是成本较传统的复合材料要低得多，是新世纪最理想的轻型、高强结构材料。

铝锂合金发展到现在已经有100多年了，最早开发的是1924年德国开发的合金，Li含量只有0.1%。美国海军1958年在预警型飞机上使用，减轻了的重量。但由于其硬度较低，且具有较高的缺口敏感度，因此无法与等合金进行比较，因此在1969年停产。美国的铝-锂合金发展到了尾声。

国内铝锂合金的研发是在六十年代初期开始的，东北轻合金厂科研所仿制了2020合金，研制出了一种名为S141的铝锂合金薄板，但因其塑性低及其他条件制约，未能实现工业生产和应用。经过国家的扶持，国内已经建成了铝锂合金的研发基地，其生产规模、技术水平与美、俄等国家技术水平相当。国家科技委员会、总装备部将继续加大对铝锂合金的研发力度，并将其应用于等材料的性能优化及产业化技术的研发。

二、成型技术

1.挤压

挤压是一种用于生产几乎没有余量件的加工方法，它非常适用于Ai-Li合金的各种形状、几乎没有余量的硬质零件。关于俄国铝-锂合金挤出工艺的报道很少。美国铝锂合金制造的航空产品中，有28%的比例是挤出的。由于采用机械成形时，会产生大量的锯末，因此，我国在成形技术上，重点是挤压成形技术，并利用合金制成了带有加劲肋的挤压圆柱形墙板。

美国学者发现，挤压过程中，挤压温度、挤压比率、挤压宽度和挤压速率是影响挤压成型性能的主要因素。通过对合金的挤压后的微观组织、性质进行了分析，并将它们与传统的系列的工艺进行了对比。通过对材料的微观结构和力学特性的分析，发现在挤压温度升高或挤压比例增大时，材料的再结晶度增大，而强度降低。从宽度/厚度比合金的影响来看，在工字梁型材中，厚度较大的型材（具有少量的伸长的晶粒）具有高的纵向（横向）强度（以上）和韧性，而具有较小的横向（横-长方向）和较薄的截面具有“扁平”形的晶粒，并具有更高的再结晶度。

2.锻造

合金尤其是系列和合金的锻压性能较好，在百多个锻件中得到了验证，应用于航空航天领域有着很好的应用前景。

航空航天产品的锻造一般有两种方式，一种是人工锻造，另一种是模锻。由于模锻可以得到几乎没有余量的零件，因此得到了广泛的应用。模锻过程中的工艺参数与锻件的型号、尺寸、形状、壁厚差等因素有关。对于壁厚差为，锻烧组织为的等轴制品，以及合金大型模具锻件，在内，经热处理后的变形温度不能超过，变形不能超过，否则将进行退火，因为在以上，模锻件的富镁区会出现不均匀的条状组织，且韧性和塑性都很低。对于厚度差异为的模锻模具，最佳的淬火介质是水与空气混合液，在这种介质中，淬火的机械性能不仅具有较好的稳定性，而且对锻件的短横截面特性也有显著的改善。

3.旋压

航天飞行器上的合金部件大多为中空、回旋的薄壳体，特别适用于旋压工艺，而最具代表性的部件是发射装置低温储罐的圆形罩盖。美国大力神运载火箭的穹顶盖是由三个制成的，直径，厚度。中间部分采用了变极性等离子弧焊进行焊接，并在下对其进行4小时的加热，以消除应力。旋压成型时，用火焰加热，使其温度维持在

，成型后，经的固溶化，再经水淬，人工时效，测试其在室温下的抗拉强度达到，时提高至，具有良好的断裂韧性，在有焊缝或没有焊缝的情况下，其抗拉性能基本一致。

4.超塑成形

超塑成形（SPF）和超塑成型/扩散结合（SPF/DB）是一种利用超塑性材料，通过吹胀或模锻等工艺实现高精度、高精度的大型薄壁零件的工艺。这种方法在解决航天器复杂金属零件（例如飞机的壁板、舱门、导弹外壳、发动机盖等）时，具有明显的节能降耗优势，曾被认定为最具发展前景的航空航天生产技术。

三、测试材料和方法

采用真空冶炼、半连续铸造的方法制备了铝合金铸锭。钢锭经过均匀化，开坯，热轧，制成厚度的薄板。合金板在下，采用种固溶法进行固溶加热，各个试件（垂直），保温后进行固溶温度测试，固溶后时效处理出炉。通过拉伸实验，得到了两种不同的固溶温度，在经过优化的固溶处理后，先进行的预拉变形，然后再进行的时效，根据材料的拉伸强度和断裂韧性，得到了最优的变形量。采用盒式电阻炉及智能温控器，对固溶法进行了研究。在型电加热恒温烘干箱内进行陈化，其温度偏差为。用拉伸试样，在型拉伸试验机上进行了拉拔试验。用厚的断裂韧性试件，在试验机上进行了断裂韧性测试。

四、测试结果和分析

1.固溶温度对合金微观结构和性质的影响

在下，用水冷法将合金板保温，再于下时效，获得态。在状态合金中，不同固溶处理温度对其抗拉性能的影响见图1。由图1可知，随着固溶温度的增加，合金的强度先增加后降低，强度峰值出现在。而拉伸试件的拉伸速率呈现出先下降再上升的趋势，这与强度的变化规律正好相反。

图1

图2为采用不同固溶系统处理+时效的合金样品的微观结构，结果表明，固溶温度对合金的微观结构有明显的影响，特别是恢复和再结晶。在以下，合金的晶粒形态类似，呈伸长型，未见再结晶（见图2（a~c））。在的条件下，合金的组织出现了复原的再结晶现象，并有少量的晶粒在纤维组织中形成，但晶粒的大小要比图2（d）中大得多。随着固溶温度的增加，达到时，再结晶晶颗粒的体积增大，数量增加（见图2（e、f）中的箭头所指）。然而，的固溶工艺没有出现明显的过热。

图2

在低于的固溶条件下，提高固溶温度对合金中粗沉淀物的回溶作用是有利的，同时，冰冻后的过饱和空位增多，使溶质的过饱和空位含量增大，从而促进了更多的沉淀相在时效阶段析出，使合金的强度得到了有效的改善。这样，在该阶段，当固溶温度升高时，合金强度提高（见图1）。随着固溶温度持续上升到，熔体的固溶度得到了进一步的改善，但这种改善的幅度很小，而且增强效果不明显。结果表明，随着固溶温度的升高，合金的组织发生了明显的恢复再结晶，使变形增强效果显著，特别是在纤维组织方向。因此，在此阶段，随着固溶温度的升高，合金的强度下降。

图3为在不同固溶温度下再次时效的合金样品的断裂形态。从断口SEM照片中可以看到，断口形状均匀，有分层（Al Li合金轧制的特点），断裂形式为沿晶和穿晶混合，但在不同的固溶温度下，断口穿晶断裂的比例也不相同（参见图3（a-c））。高倍显微观察表明，在固溶时，因晶内强度高，晶内与晶界的强度差异增大，使断裂处沿晶的比例增大，使合金的韧性稍有下降（参见图3（d、e））。在固溶后，合金晶粒内部的强度明显下降，晶内与晶界的强度差异较小，晶界位置的位错也较少。另外，在合金中发生再结晶，使晶粒之间的变形协调性能得到提高，并使合金的塑性、韧窝和塑性增强（参见图3f）。

图3

通过对不同固溶温度处理后的合金进行再时效，并结合材料的应用情况，选择。采用的固溶法进行了预拉伸工艺的探索。

2.预拉伸对材料力学性能的影响

在时的固溶温度，在预拉力时，试样的和拉伸强度分别为。然而，这种合金具有很小的延展性，分别为。不同的预拉伸率对材料的抗拉强度无显著影响，而且拉伸强度的变化幅度也很大，这对这种合金的工业化生产是不利的。

在固溶条件下，预拉形变的变化不会对材料的拉伸性能产生的影响不是很大，而在520℃下，材料的强度一般大于固溶处理。在5%的预拉变形条件下，在拉伸强度分别为，延伸率在。这主要是由于预拉工艺不仅能有效地消除淬火应力，而且能在金属中引入大量位错，从而使沉积物在位错附近析出，从而显著地改善了合金的强度。

在下的固溶温度，随着预拉力的增大，材料的断裂韧性变化不显著。结果表明，在下的固溶温度，材料的断裂韧性得到了显著的提高，并随预拉力的增加呈现出先上升后下降的趋势，在左右，的断裂韧度分别为。

根据上述结果，结合材料的拉伸、断裂韧性等因素，合金板在下固溶，在之间具有良好的塑性。

结论：经过测试，可以得出一下结论：1.经固溶时效后，合金板的强度随着固溶温度的增加而增加，强度最大值出现在540℃。在565℃以上，合金发生了再结晶，但没有发生过热。

2.对合金进行固溶处理，再经预拉，能显著提高其强度。通过对合金板进行综合分析，得出了在预拉变形的最佳条件下，对合金板进行了固溶、预拉伸。

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