2099鋁鋰合金擠壓材的熱處理工藝、性能及強化機理研究.pdf

1、2099鋁鋰合金是目前世界上最先進的鋁合金之一，也是我國在研大飛機項目急需的高性能材料之一，具有低密度、高比強度與比剛度、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，是現(xiàn)代航空航天、武器裝備領域不可或缺的關鍵結構材料。在國外，2099已被用在大型民用飛機A350的地板梁、機身蒙皮和下翼面桁條等部位，用量高達總重量的23％，并且也在A380(世界上最大的飛機)的地板梁等部位取得應用;在國內

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行品質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象(質量分數(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、和導電率測試、抗腐蝕性能測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-預壓縮-時效狀態(tài)下2099鋁鋰合金擠壓材的拉伸性能與強化機理。研究表明，該試驗合金的密度為2517Kg/m3;經(jīng)固溶(540℃/2h)、預壓縮(≈4％)以及雙級時效(121℃/14h+181℃/48～66h)后，合金的屈服強度為(445～491)MPa，抗拉強度為(543～551)

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

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，合金內部的晶粒組織狀態(tài)是導致其具有各向異性的重要因素。合金內的細小再結晶晶粒及粗大不（難）溶第二相沿擠壓方向呈帶狀分布，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展時的主要路徑;而L-R取向的斷裂韌性試樣在裂紋擴展過程中，晶體取向變化較大，裂紋擴展方向容易發(fā)生改變，并且該方向上裂紋穿過的晶界密度高，所造成的結果就是該方向上裂紋擴展所需的能量增高、

6、路徑增長、阻力增大，合金斷裂韌性較高;若要進一步提高合金的斷裂韌性，需要改善組織的方向性，減少和抑制細小再結晶組織以及粗大不（難）溶第二相等組織缺陷。
　　 (3)研究了預回復-固溶-時效狀態(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)在僅進行常規(guī)固溶(540℃/2h)并時效的條件下，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晶抗力，其主要原

7、因在于Zr、Sc在基體內能夠生成粒子相Al3Zr、Al3Sc和Al3(Se1-x，Zrx)，從而起到釘扎位錯、穩(wěn)定亞晶結構、抑制再結晶的作用;預回復退火能夠進一步抑制其發(fā)生再結晶，并且起到抑制晶粒長大和細化晶粒的作用，但是對于再結晶抗力高的鋁合金，預回復退火難以有效、大幅度的提高其性能，這與7000系鋁合金存在較大差別;時效前進行預壓縮變形一方面可以產生形變硬化，提高合金沉淀強化的起點;另一方面能夠增加位錯密度，為強化相的非均勻形核提供

8、有利場所;同時，位錯密度的增加也進一步增強了位錯的強化效果，因此時效前進行預壓縮變形對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用。其整體淬透深度至少在74mm以上，遠高于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的質量比及高角度晶界的數(shù)量最為密切，Mg、Zn、空位之間