热暴露对Al-Cu-Li合金的组织及性能影响.pdf
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1、2024.1,4(1)|材料装备技术与应用热暴露对 AlCuLi合金的组织及性能影响吴名冬,肖代红,黄兰萍,刘文胜(中南大学轻质高强结构材料重点实验室,湖南 长沙 410083)摘要:AlCuLi合金作为航空航天工业中一种前景广阔的结构材料,其热稳定性在实际应用中发挥着重要作用。本研究对 T85态的 AlCuLi合金在一系列温度(100300)下进行了 500 h的暴露处理,并通过维氏硬度、电导率和拉伸测试对其性能进行了评估。结合扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)分析了不同热暴露温度下的微观结构演变。结果表明,热暴温度低于150 时,合金具有良好的热稳定性,这与 T1(Al2C
2、uLi)相的直径和数密度不断增加相关。当热暴露温度介于 150200 时,T1相逐渐被粗大的 Al2Cu和 SAl2CuMg取代;同时,断续的晶界析出物(GBPs)和宽的无析出区(PFZs)利于沿晶断裂,使合金呈现出沿晶穿晶混合断裂,导致硬度和强度的降低和延伸率的增加。热暴露温度高于 250 时,T1 相全部溶解,形成了粗大的 T2(Al6Cu(Li,Mg)3)和 C相,从而导致合金的强度下降,但延伸率和电导率却表现出相反的趋势。关键词:AlCuLi合金;热暴露;力学性能;显微组织Effect of thermal exposure on the microstructure and prop
3、erties of an AlCuLi alloyWU Mingdong,XIAO Daihong,HUANG Lanping,LIU Wensheng(National Key Laboratory of Science and Technology on Highstrength Structural Materials,Central South University,Changsha 410083,China)Abstract:As a promising structural material in the aerospace industry,the long-term therm
4、al stability of Al-Cu-Li alloys plays an important role in practical applications.In this study,the T85-treated Al-Cu-Li alloy subjected to thermal exposure at a range of temperatures(100300)for 500 h,is evaluated by Vickers hardness,electrical conductivity and tensile tests.The microstructure evolu
5、tion at different heat exposure temperatures is analyzed by a combination of scanning electron microscopy(SEM)and transmission electron microscopy(TEM).The results show that excellent thermal stability in strength is obtained below 150,which can be related to the increasing diameter and number densi
6、ty of the T1(Al2CuLi)phase.In the 150200 window,the T1 phase is gradually replaced by coarse -Al2Cu and S-Al2CuMg with increasing temperature.Simultaneously,discontinuous grain boundary precipitates(GBPs)and soft precipitation-free zones(PFZs)lead to intergranular ductile fracture dominance,exhibiti
7、ng mixed ductile and brittle fracture.At temperatures above 250,the T1 phase is completely dissolved and coarse T2(Al6Cu(Li,Mg)3)and C phases are formed.This leads to a dramatic decrease in the strength,while elongation and conductivity show an opposite trend.中图分类号:TG146;V252.2 文献标志码:A 文章编号:2097-017
8、X(2024)01-0081-08DOI:10.3969/j.issn.2097-017X.2024.01.010收稿日期:2023-10-08基金项目:重点实验室装备预研基金资助项目(6142912180105,41422060204)。第一作者简介:吴名冬(1993),男,博士研究生。研究方向:铝合金特征组织调控。通讯作者简介:肖代红(1971),男,博士,教授。研究方向:高性能铝合金。81Key words:Al-Cu-Li alloy;thermal exposure;mechanical properties;microstructure引 言Al-Cu-Li 合金因其低密度、优异的
9、耐腐蚀性以及良好的强度和韧性,被广泛应用于航空航天领域1-2。然而,在服役过程中,飞行器与空气摩擦引起的气动加热可使机身温度高达 90190 3。特别是超音速飞行器在 3.5马赫长期运行时,其部分结构件可被加热到约 300 4。Al-Cu-Li 合金主要通过人工时效(120200)产生的纳米析出相强化,如 T1(Al2CuLi),(Al2Cu),S(Al2CuMg)和(Al5Cu6Mg2),这些析出相对温度十分敏感5-7。因此,长时间热暴露可通过热力学和动力学之间的相互作用而引起析出相的变化8-9。服役部件微观结构的演变会影响其安全可靠性,因而在实际应用之前了解其热稳定性显得至关重要。目前,已
10、有大量关于热暴露对 Al-Cu-Li合金微观结构和力学性能影响的研究。例如,Deschamps 等10分析了 Al-Cu-Li-Mg合金在 85 下长达 3000 h的热暴露组织及性能。他们发现增加暴露时间可提高屈服强度,这是由于 T1相低温下具有优异的热稳定 性。Balducci 等11研 究 了 AA2099-T83 合 金 在200305 之间暴露 200 h,认为 T1 相比 和 S 相具有更高的热稳定性是该合金呈现出优异耐热性的主要原因。相比于 AA2099-T83合金,添加了 Ag的AA2055-T83Al-Li 合金在 305 下暴露 24 h 后,T1相转变为更耐热的 相(Al
11、2Cu,惯习面为1 1 1Al)和 相(Al2Cu,惯习面为0 0 1Al),这使合金呈现出更为优异的耐热性能12-13。与 2050-T84 合金相比,添加了微量 V 和 Mn的 2219-T851合金在 200 下经较长时间的暴露后,其强度下降幅度减小是由于 相的热稳定性优于 T1 相14。基于上述分析,合金的热稳定性不仅取决于析出相的特征,还受微量元素的影响。同时,已有对热暴露的研究大多只关注高温短时间或长时间低温条件下,未系统分析不同热暴露温度区间的力学性能与显微组织之间的关系。尽管 Jabra 等15研究了 2099-T6 和 2099-T83 合金在不同温度(180290)下长时间
12、(0.11000 h)暴露的力学性能,但并未分析相应热暴露条件下的微观结构演变特征。在本文中,系统地研究了 T85 态 Al-Cu-Li合金在 100300 温度范围内热暴露 500 h 后的微观结构演变及其力学性能,分析了不同热暴露温度下合金的微观结构与力学性能之间的相关性。本研究所获得的结果有利于加深人们对热暴露下 Al-Cu-Li合金微观结构和力学性能影响的理解,为合金的实际应用提供有价值的参考。1实验过程本实验用Al-Cu-Li合金为自主研制、厚度30 mm的 T85态板材。热暴露试验是对经 T85处理的试样在 100,125,150,175,200,250 和 300 下保温处理50
13、0 h,热暴露后的试样经水冷以进行组织性能分析。采用 HVS-50 显微硬度计在加载载荷 5 kg,载荷保持时间为 15 s 的条件下测试合金的维氏硬度;电导率使用涡流装置(FD102)进行测量,每种状态试样检测 7 个点取平均值。使用 Instron 3609 万能试验机以 2 mm/min 的位移速率测试试样沿轧制方向的拉伸性能,每种状态的拉伸结果为 3 个平行试样的平均值,并计算其标准偏差。拉伸试样的尺寸为 4 mm35 mm 的标准棒状样,取自于板材的中心区域。采用 Nava Nano SEM 230型扫描电子显微镜(SEM)观察拉伸试样的断口形貌,并通过能谱仪(EDS)分 析 相 的
14、 元 素 组 成。采 用 配 备 了 EDS 的TalosF200X 透射电镜(TEM)对时效析出相的演变特征进行观察。透射试样首先经机械磨抛至厚度约为 70 m,然后冲裁为直径 3 mm 的圆片,之后在双喷电解减薄仪上进行最终减薄。双喷电解液为体积比 1:3 的硝酸和甲醇溶液,待双喷电解液冷却至30,在电压为 15 V下进行减薄。2实验结果2.1微观组织图 1为 Al-Cu-Li合金板材在不同热暴露温度下的 SEM 图。T85 态合金中含有大量沿轧制方向分布且尺寸为 0.52 m 的棒状 Al20Cu2Mn3弥散相和含有少量 Mg 和 Ag 元素的圆形 Al-Cu 相。Al20Cu2Mn3弥
15、散相形成于均匀化过程中,低温(350)对其形状、尺寸和成分无明显影响,是 Al-Cu-Li合金中最主要的耐热相,主要作用为抑制再结晶晶粒长大16。在 100 热暴露 500 h后,合金中的微观组织未发生明显变化。当热暴露温度升高至 200 时,观察到大量板状相在晶粒内部和晶界处同时析出。值得注意的是,该状态下晶界处析出物更加密集且为连续分布。进一步升高热暴露温度至 300 时,富 Cu 析出相产生明显粗化,但伴随着数密度的降低,特别是晶界处富 Cu相的尺寸约为 1 m,其分布由连续转变为断续。82热暴露对 AlCuLi合金的组织及性能影响 吴名冬 等图 2为 Al-Cu-Li合金板材在不同热暴
16、露温度下的 TEM 图。基于 Al-Cu-Li合金中主要的强化相为T1相和 相,考虑到 T1和 相与基体的取向关系:(1 0 1 0)T1/(1 1 0)Al,0 0 1Al/1 1 0,观察方向为晶带轴 110Al。结合高分辨特征:方向的条纹和斑点 1/3 Al和 2/3Al(见图 2(g),在 T85态合金中仅存在平均直径约为47.8 nm 的板状 T1 相,且分布不均匀。随着热暴露温度的升高,T1 相的直径逐渐增大,但数密度先增加后急剧降低(见图 2(i)。当热暴露温度由 100 升高至150 时,T1相的直径从51.8 nm增至64.3 nm,而 其 数 密 度 则 显 著 增 加,由
17、 485 m2增 加 至 858 m2。进一步升温至 175,T1相的平均直径明显增加(100.5 nm),且发生粗化。此外,基体中出现了沿 2 0 0Al方向的板状析出相(红色箭头标注),结合 HRTEM(见图 2(h)可以确认该板状析出相为 -Al2Cu17。这表明合金经 175 热暴露 500 h后,基体中同时存在 和 T1 两种类型的析出相,且后者占主导地位,这与 Balducci等12和 Chen 等18观察的结果相似。随着热暴露温度升高至 200,基图 1T85态 Al-Cu-Li合金板材在不同温度下热暴露 500 h的 SEM 图Fig.1SEM images of the T8
18、5 treated plates subjected to thermal exposure for 500 h at different temperatures图2Al-Cu-Li合金板材在100200 热暴露下的TEM图Fig.2TEM images of the Al-Cu-Li alloy plate at thermal exposure temperture 100200 83体中开始析出少量类圆形相(紫色圆圈标注),之前的研究表明该相为 S-Al2CuMg19。因此,高温暴露使粗大 和 S 相析出,同时 T1 相显著粗化,数密度急剧降低。图 3 为合金在高于 250 下热暴露的
19、 TEM 图。从图 3(a)中可以看出,主要析出强化相 T1 已完全溶解,取而代之的是大量粗大的棒/块状析出相。通过进一步放大观察(见图 3(b),基体中还存在许多花瓣状的 Al3Zr粒子。当热暴露温度进一步升高至300 时,Al3Zr粒子的数量和尺寸无明显变化(见图3(e),粗大的棒/块状析出相仍然存在。结合 EDS图谱分析(如图 4 所示),可从元素含量和形态上确定这些相的类型。点 1处中具有棒状形态的析出相富含 Cu和 Mg,基于之前的研究结果,该板状析出相为 T2相(Al6Cu(Li,Mg)3)20。相比于 T2相,点 2处方形相中的 Cu 和 Mg 元素较少,可鉴别为 C 相21。A
20、l3Zr 粒子位于这两种相的中心,表明 Al3Zr 在高温热暴露过程中可作为 T2 相和 C相的形核点。此外,还存在少量粗大的 Al2Cu 相(见图 4(d)和 AlCuFeMn相。图 3Al-Cu-Li合金板材在 250 和 300 热暴露下的 TEM 图Fig.3Bright-field TEM images of the Al-Cu-Li alloy plate exposed at 250 and 300 图 4(a)Al-Cu-Li合金板材在 300 热暴露处理下的 EDS能谱分析;(b)、(c)和(d)是(a)中析出物的 EDS点分析Fig.4(a)EDS mapping of t
21、he T85 treated alloy exposed at 300 for 500 h;(b),(c),and(d)are the EDS analysis showing the composition of the precipitates in(a)84热暴露对 AlCuLi合金的组织及性能影响 吴名冬 等图 5显示了合金在不同热暴露处理下典型的晶界 TEM 图。T85态合金晶界析出相(GBPs)沿晶界呈现出连续分布(见图 5(a)。经 100 热暴露后,晶界特征仍与 T85 态相似,无明显变化。在较高温度下热暴露(150)使晶界析出物粗化、断续分布为长条状。同时,沿晶界观察到与断续
22、分布析出物相邻的狭窄无沉淀析出区(PFZs)。在 200 时,PFZs的宽度和 GBPs的尺寸同时增大,GBPs的形貌也由板条状转变为圆形。已有研究表明,沿晶界分布的具有棒状或圆状形态的析出相为 T2或 TB相22。当热暴露温度高于 250 时,晶界和晶粒内都以粗大富 Cu相为主,这使晶内与晶界之间的析出差异减小。2.2力学性能图 6为不同热暴露温度下合金的维氏硬度和电导率曲线。T85态合金的硬度值随着热暴露温度的增加呈现先增加后降低的趋势。热暴露温度低于150 的试样硬度高于 T85态,表明合金在 150 以下具有良好的热稳定性。其中,在 125 时,合金具有 最 大 的 硬 度 值(195
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