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参考文献 1
张荣霞. 铝锂合金的发展、工艺特性及国外应用现状[J]. 航空制造技术, 2007(增刊):438-441.
参考文献 2
尹登峰. 铝锂合金研究开发的历史与现状[J]. 材料导报, 2003,17(2):18-20.
参考文献 3
邱惠中. 铝锂合金的发展概况及其应用[J]. 宇航材料工艺, 1993(4):38-45.
参考文献 4
刘斌. 铝锂合金的发展与应用[J]. 现代机械,2001(4):7l-75.
参考文献 5
ZHANGS F,ZENGW D,YANGW H,etal.Ageing response of a Al-Cu-Li 2198 alloy[J].Mater. & Des.,2014,63:368-374.
参考文献 6
贾连锁.稀土元素Ce和预变形对Al-Li-Cu-Mg-Zr合金时效相变过程的影响[J].稀有金属材料与工程,2002,4(2):156-159.
参考文献 7
蒋呐.CP276铝锂合金的应变时效工艺[J].中国有色金属学报,1999,12(4):694-699..
参考文献 8
刘斯仁.预变形对CP276型Al-Li合金拉伸性能的影响[J].稀有金属,1997,7(4):311-314.
参考文献 9
DASHANSUI.Application of orthogonal experimental design and tikhonov regularization method for the identification of parameters in the casting solidification process[J].ActaMetallurgica Sinica,2009,22(1):13-21.
参考文献 10
孙海霞.基于ABAQUS和正交试验法的基坑支护桩优化[J].沈阳工业大学学报,2016,38(4):457-460.
目录 contents

    摘要

    为获得较优的2050铝锂合金形变热处理工艺,本文采用正交试验和极差分析探究固溶温度、预变形量、时效温度与时效时间对合金力学性能和组织的影响。通过TEM、金相分析不同工艺下材料的微观结构,探究其与力学性能间的影响关系。结果表明,固溶温度525℃,预变形量12%,时效温度160℃,时效时间48h的工艺参数能够获得较优综合力学性能。

    Abstract

    In order to get better thermo-mechanical treatment process of 2050 Al-Li alloy, the orthogonal experiment and range analysis were used to investigate the mechanical properties and structure of 2050 Al-Li alloy under different solution temperature, pre-deformation, aging temperature and aging time. The microstructure of materials under different processes was analyzed by TEM and metallography, and the relationship between the microstructure and mechanical properties was explored.The results show that selecting technological parameters of 525℃ solution temperature, 12% pre-deformation, 160℃ aging temperature and 48 h aging time can obtain better comprehensive mechanical properties.

  • 0 引言

    铝锂合金作为航空航天飞行器件上应用广泛的主要结构材料,拥有十分优异的性能优势。新型铝锂合金密度低、比强度高、比刚度高、弹性模量高、腐蚀性能好、低温和高温性能优越、疲劳裂纹扩展速率低、超塑成型性能卓越,用其代替常规的高强度铝合金可使结构质量减轻10%~20%,因此做为航空航天飞行器件上的主要结构材料是十分理想[1,2,3,4]

    2050铝合金作为Al-Cu-Li系热处理可强化新型铝锂合金的代表,是在2098铝锂合金的基础上进行微量合金元素如Mn、Mg、Li含量的调整,用于飞机机身壁板整体结构件,与被取代的7050合金相比,密度降低4%,弹性模量提高5%,实现了5%的减重。作为未来战神火箭的主要结构材料,2050铝锂合金主要用于乘务舱部件框架、肋条、窗[5]。2050铝锂合金的主要强化相为θ’(Al2Cu)和T1相。T1相能够有效的抑制δ’ (Al3Li)相共面滑移从而引起的性能各向异性。θ’(Al2Cu)过渡相转化为与基体无共格关系的θ相,则合金强度下[6,7,8]。沉淀强化相的种类、数量、尺寸和形态分布对材料的性能有着显著的影响。目前,对2050铝锂合金热处理工艺的研究有部分关于原材性能均匀化处理的研究,以及不同时效温度的T8态热处理的研究。本文选择固溶温度、预变形量、时效温度和时效时间参数,设计正交试[9,10]。并通过对这部分试验结果的极差分析了解全面试验的情况,得到各个因素的敏感性影响程度以及各因素的最佳水平,最终确定获得2050铝锂合金力学性能的较优工艺参数组合。

  • 1 实验

  • 1.1 材料

    2050铝锂合金板材。板材状态为退火态,厚度8 mm,化学成分(wt%)为3.2~3.9Cu、0.7~1.3Li、0.2~0.6Mg、0.2~0.7Ag、0.2~0.5Mn、0.06~0.14Zr、0.25 Zn、0.1Ti。

  • 1.2 实验设计

    试样按照固溶、淬火、预变形、时效的顺序进行处理。选择时效时间(A)、固溶温度(B)、时效温度(C)、预变形量(D)四个工艺参数为正交试验因素。考虑到时效时间的可选范围较大,其他三个因素选择3水平,时效时间选择6水平进行试验设计。固溶温度(510、525、540℃)、预变形量(3%、7%、12%)、时效温度(140、160、180℃)以及时效时间(8、12、18、24、36、48h)。

  • 1.3 测试分析

    将热处理后试样通过万能试验机进行拉伸性能测试,测试标准为GB/T228.1-2010,获得其抗拉强度、屈服强度和延伸率三项性能数据。通过光镜DM4000M对部分试样拍摄金相显微照片,观察分析其晶粒组织。在Tecnai G20ST透射电子显微镜上观察微观组织,加速电压为200 kV。

  • 2 结果与分析

  • 2.1 正交试验

    1为2050铝锂合金正交试验设计正交表L18(6×33)。表1中不同热处理制度下2050铝锂合金的力学性能数据有较大差异,屈服强度最低小于300 MPa,最高达到570 MPa;抗拉强度最低接近400 MPa,最高接近590 MPa;延伸率均高于10%,最大延伸率可达24%

    表1 L18(6×33)正交试验设计及力学性能

    Tab.1 Values of orthogonal design and mechanical property

    试验号时效时间/h固溶温度/℃时效温度/℃变形量/%屈服强度/MPa抗拉强度/MPa延伸率/%
    18510140327539724.0
    28525160751454414.3
    385401801254957113.3
    4125101601256958711.5
    512525180353657112.3
    612540140736845122.0
    718510180753456513.3
    8185251401248452715.0
    918540160353556713.5
    1024510140335144820.0
    1124525160754657114.5
    12245401801255057412.0
    13365101601257158912.3
    1436525180354157914.5
    1536540140749853717.8
    1648510180751955213.5
    17485251401256558413.5
    1848540160355758713.3
  • 2.2 极差分析及性能变化规律

    2为2050铝锂合金力学性能极差分析表。考虑到2050铝锂合金主要应用于航天器上的结构件,要求性能在保证一定延伸率的前提下,屈服强度和抗拉强度的期望是取得相对最大值,因而在因素主次选择上应优先考虑屈服强度、抗拉强度由大及小,再考虑延伸率由大及小。

    表2 2050铝锂合金力学性能极差分析

    Tab.2 Range analysis on mechanical properties of 2050 Al-Li alloy

    指标屈服强度抗拉强度延伸率
    ABCDABCDABCD
    因素主次C︰A︰D︰BC︰A︰D︰BC︰A︰D︰B
    k144647042446650452349152517.215.818.716.3
    k249153154949753656357453715.314.013.216.0
    k351851053854855354856957214.015.313.213.0
    k448253115.5
    k553756814.9
    k654757413.4
    R1016112582704083473.81.85.53.3
    水平主次653241231231321653241231231321142536132132123

    从表2中的极差分析可以看出,影响显著性从大到小依次为时效温度、时效时间、预变形量、固溶温度。

    1为2050铝锂合金力学性能随不同工艺参数的变化。图1(a)为材料屈服强度、抗拉强度、延伸率随时效时间的变化曲线。可见:(1)时效时间从8~18 h,合金的屈服强度、抗拉强度不断提高;18~24 h,材料强度有明显下降; 24~48 h,材料强度继续提高。(2)材料延伸率随着时效时间的变化规律与材料强度相对应,在18 h处出现极小值;之后到24 h,有所上升;时效时间继续延长,材料延伸率逐渐降低。

    图1
                            2050铝锂合金力学性能随工艺参数的变化曲线

    图1 2050铝锂合金力学性能随工艺参数的变化曲线

    Fig.1 Change of mechanical properties of 2050 Al-Li alloy versus technological parameter

    1(b)为材料屈服强度、抗拉强度、延伸率随固溶温度的变化曲线。由图可见:(1)固溶温度在525℃时材料的屈服强度、抗拉强度比固溶温度在510和540℃时高。但整体来看,材料强度受固溶温度的影响并不大。(2)材料延伸率随着固溶温度的变化规律与材料强度相对应,在525℃处出现极小值。

    1(c)为材料屈服强度、抗拉强度、延伸率随时效温度的变化曲线。由图可见:(1)时效温度在160℃时材料的屈服强度、抗拉强度达到极大值。与图2相比,时效温度的变化对材料强度的影响比固溶温度变化的影响要更为显著。(2)材料延伸率随着时效温度的变化规律与材料强度相对应,时效温度160℃时延伸率出现极小值。

    图2
                            2050铝锂合金在不同热处理制度下的形貌照片(固溶温度为540℃)

    图2 2050铝锂合金在不同热处理制度下的形貌照片(固溶温度为540℃)

    Fig.2 Morphology pictures of 2050 Al-Li alloy under different heat treatments(solution temperature is 540℃)

    1(d)为材料屈服强度、抗拉强度、延伸率随预变形量的变化曲线。可见:(1)随着预变形量的增加,材料的屈服强度、抗拉强度逐渐增加;(2)材料预变形量的增加会导致延伸率的降低。材料的延伸率均在10%以上,工艺参数的选择考虑屈服强度、抗拉强度即可。综合考虑制定热处理工艺为时效时间48 h、固溶温度525℃、时效温度160℃、预变形量12%。

    2为2050铝锂合金在不同热处理制度下的形貌照片。选取表一中12#、15#6#三组不同工艺处理的试样进行金相显微镜观察,分别对应图2(a)(b)(c)。图2(b)(c)两图,预变形量均为7%的工艺,晶粒尺寸无明显变化,但图2(b)图材料强度性能高于图2(c)图,推测是由于时效时间的延长,使析出相析出更加充分,从而使材料的强度得到提高。对比图2(a)(b)和图2(a)(c)两组图,晶粒尺寸有较大变化,图2(b)、图2(c)中粗大晶粒尺寸达到长约180 μm,宽约40 μm,而图2(a)中晶粒平均尺寸约长20 μm,宽10 μm,细化效果显著。在工艺方面,图2(a)工艺为预变形量为12%,高于图2(b)(c)工艺的7%,可见预变形量对晶粒尺寸有着重要影响,结合表2,图2(a)对应材料强度也高于图2(b)(c)。这是由于预变形量的增大,促进了T1相的形核,从而起到细化晶粒,提高强度的作用。

  • 2.3 TEM分析

    3为两组不同工艺下合金析出相的TEM和选区[112]衍射花样。可以看出,两种工艺均析出较多T1相。暗场像中,图3(a)中T1相短而粗,图3(b)中T1相长而细,且分布较为均匀。均匀分布的较细T1相能有效提高合金的强度,但T1相的长度的增加会使材料的延伸率降低。结合表2,3进行分析,图3(a)对应8#试验,图3(b)对应9#试验。结合极差分析结果,在相同时效时间的前提下,图3(a)工艺中的固溶温度、预变形量参数选择均优于图3(b),图3(b)的时效温度参数优于图3(a)工艺。性能方面,与图3(a)相比,图3(b)试样强度提高约50 MPa,延伸率降低1.5%。图4为2050铝锂合金510℃固溶时透射电镜下微观组织照片。可见,固溶处理后合金内部并未出现相析出行为,得出析出相析出行为于时效阶段进行,而析出相强化是2050铝锂合金主要的强化方式。

    图3
                            2050铝锂合金在不同热处理制度下的衍射斑及TEM暗场像

    图3 2050铝锂合金在不同热处理制度下的衍射斑及TEM暗场像

    Fig.3 Dark field TEM images of 2050 Al-Li alloy after different heat treatments

    图4
                            510℃固溶处理后2050铝锂合金TEM图像

    图4 510℃固溶处理后2050铝锂合金TEM图像

    Fig.4 TEM images of the 2050 Al-Li alloy after solid solution at 510℃

    通过图3,4的微观结构分析得出,时效温度的变化影响材料的相析出行为,主要表现在影响T1相析出的数量、尺寸、分布等特征。其对材料强度影响的显著性要比固溶温度高,这与正交试验极差分析的计算结果一致。

  • 3 结论

    (1)热处理工艺:对材料屈服强度、抗拉强度和延伸率影响显著性由大到小均为时效温度、时效时间、预变形量、固溶温度。

    (2)通过极差分析,研究4个参数及其水平的综合主次关系,最终确定2050铝锂合金较优热处理工艺参数为固溶温度为525℃,预变形量为12%,时效温度为160℃,时效时间为48 h。

  • 参考文献

    • 1

      张荣霞. 铝锂合金的发展、工艺特性及国外应用现状[J]. 航空制造技术, 2007(增刊):438-441.

    • 2

      尹登峰. 铝锂合金研究开发的历史与现状[J]. 材料导报, 2003,17(2):18-20.

    • 3

      邱惠中. 铝锂合金的发展概况及其应用[J]. 宇航材料工艺, 1993(4):38-45.

    • 4

      刘斌. 铝锂合金的发展与应用[J]. 现代机械,2001(4):7l-75.

    • 5

      ZHANG S F,ZENG W D,YANG W H,etal.Ageing response of a Al-Cu-Li 2198 alloy[J].Mater. & Des.,2014,63:368-374.

    • 6

      贾连锁.稀土元素Ce和预变形对Al-Li-Cu-Mg-Zr合金时效相变过程的影响[J].稀有金属材料与工程,2002,4(2):156-159.

    • 7

      蒋呐.CP276铝锂合金的应变时效工艺[J].中国有色金属学报,1999,12(4):694-699..

    • 8

      刘斯仁.预变形对CP276型Al-Li合金拉伸性能的影响[J].稀有金属,1997,7(4):311-314.

    • 9

      DASHAN SUI.Application of orthogonal experimental design and tikhonov regularization method for the identification of parameters in the casting solidification process[J].ActaMetallurgica Sinica,2009,22(1):13-21.

    • 10

      孙海霞.基于ABAQUS和正交试验法的基坑支护桩优化[J].沈阳工业大学学报,2016,38(4):457-460.

朱宏伟

机 构:航天材料及工艺研究所,北京 100076

Affiliation:Aerospace Research Institute of Materials & Processing Technology, Beijing 100076

角 色:第一作者

Role:First author

邮 箱:1033938010@qq.com

第一作者简介:朱宏伟,1994年出生,硕士研究生,主要从事铝锂合金形变热处理的研究工作。E-mail:1033938010@qq.com

陈永来

机 构:航天材料及工艺研究所,北京 100076

Affiliation:Aerospace Research Institute of Materials & Processing Technology, Beijing 100076

刘春立

机 构:航天材料及工艺研究所,北京 100076

Affiliation:Aerospace Research Institute of Materials & Processing Technology, Beijing 100076

试验号时效时间/h固溶温度/℃时效温度/℃变形量/%屈服强度/MPa抗拉强度/MPa延伸率/%
18510140327539724.0
28525160751454414.3
385401801254957113.3
4125101601256958711.5
512525180353657112.3
612540140736845122.0
718510180753456513.3
8185251401248452715.0
918540160353556713.5
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1124525160754657114.5
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1536540140749853717.8
1648510180751955213.5
17485251401256558413.5
1848540160355758713.3
指标屈服强度抗拉强度延伸率
ABCDABCDABCD
因素主次C︰A︰D︰BC︰A︰D︰BC︰A︰D︰B
k144647042446650452349152517.215.818.716.3
k249153154949753656357453715.314.013.216.0
k351851053854855354856957214.015.313.213.0
k448253115.5
k553756814.9
k654757413.4
R1016112582704083473.81.85.53.3
水平主次653241231231321653241231231321142536132132123
/html/yhclgy/201902009/media/94427bd1-351d-4824-9f68-b6cd13e983f2-image001.jpeg
/html/yhclgy/201902009/media/94427bd1-351d-4824-9f68-b6cd13e983f2-image002.jpeg
/html/yhclgy/201902009/media/94427bd1-351d-4824-9f68-b6cd13e983f2-image003.jpeg
/html/yhclgy/201902009/media/94427bd1-351d-4824-9f68-b6cd13e983f2-image004.jpeg

表1 L18(6×33)正交试验设计及力学性能

Tab.1 Values of orthogonal design and mechanical property

表2 2050铝锂合金力学性能极差分析

Tab.2 Range analysis on mechanical properties of 2050 Al-Li alloy

图1 2050铝锂合金力学性能随工艺参数的变化曲线

Fig.1 Change of mechanical properties of 2050 Al-Li alloy versus technological parameter

图2 2050铝锂合金在不同热处理制度下的形貌照片(固溶温度为540℃)

Fig.2 Morphology pictures of 2050 Al-Li alloy under different heat treatments(solution temperature is 540℃)

图3 2050铝锂合金在不同热处理制度下的衍射斑及TEM暗场像

Fig.3 Dark field TEM images of 2050 Al-Li alloy after different heat treatments

图4 510℃固溶处理后2050铝锂合金TEM图像

Fig.4 TEM images of the 2050 Al-Li alloy after solid solution at 510℃

image /

无注解

无注解

无注解

无注解

无注解

无注解

  • 参考文献

    • 1

      张荣霞. 铝锂合金的发展、工艺特性及国外应用现状[J]. 航空制造技术, 2007(增刊):438-441.

    • 2

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    • 3

      邱惠中. 铝锂合金的发展概况及其应用[J]. 宇航材料工艺, 1993(4):38-45.

    • 4

      刘斌. 铝锂合金的发展与应用[J]. 现代机械,2001(4):7l-75.

    • 5

      ZHANG S F,ZENG W D,YANG W H,etal.Ageing response of a Al-Cu-Li 2198 alloy[J].Mater. & Des.,2014,63:368-374.

    • 6

      贾连锁.稀土元素Ce和预变形对Al-Li-Cu-Mg-Zr合金时效相变过程的影响[J].稀有金属材料与工程,2002,4(2):156-159.

    • 7

      蒋呐.CP276铝锂合金的应变时效工艺[J].中国有色金属学报,1999,12(4):694-699..

    • 8

      刘斯仁.预变形对CP276型Al-Li合金拉伸性能的影响[J].稀有金属,1997,7(4):311-314.

    • 9

      DASHAN SUI.Application of orthogonal experimental design and tikhonov regularization method for the identification of parameters in the casting solidification process[J].ActaMetallurgica Sinica,2009,22(1):13-21.

    • 10

      孙海霞.基于ABAQUS和正交试验法的基坑支护桩优化[J].沈阳工业大学学报,2016,38(4):457-460.