铝锂合金热处理工艺及其对材料性能影响研究现状.pdf

第 卷 第 期有色金属加工 年 月 :./.铝锂合金热处理工艺及其对材料性能影响研究现状邓名洋李瑞金王 硕杨 巧张南瑞(.黑龙江科技大学 材料科学与工程学院黑龙江 哈尔滨.中国建筑第三工程局 第三建设工程有限责任公司湖北 武汉.浙江水利水电学院 机械与汽车工程学院浙江 杭州)收稿日期:作者简介:邓名洋()男本科生研究方向为金属热处理、腐蚀防护、金属基复合材料等摘 要:文章主要对国内外铝锂合金热处理工艺中形变热处理与双级时效技术对材料力学性能、腐蚀性能的影响进行综述并做出结论关键词:铝锂合金固溶处理时效预变形力学性能腐蚀性能析出相双级时效中图分类号:.文献标识码:文章编号:()铝锂合金是指在铝及铝合金中添加 而形成的一类铝合金 铝锂合金主要包括 及(或)两个系列 系主要为俄罗斯(前苏联)发展的铝锂合金系列包括、等铝锂合金其中 和 均为主合金元素 其他铝锂合金如、等则基本为 系铝锂合金 和 均为其主合金元素该系列铝锂合金是现阶段开发新型铝锂合金的主要体系铝锂合金的发展可分为三个阶段相应的铝锂合金产品也明确划分为三代而且第三代铝锂合金在航空及航天工业上已经获得广泛应用 自 年以来美国铝业公司()、加拿大铝业公司()、美国宇航局()、空客等铝合金生产企业及其应用部门均提出了发展第四代铝锂合金的构想 其中超高强度是第四代铝锂合金的目标性能之一即在抗疲劳性能、弹性模量基本不降低的前提下进一步提高其强度和断裂韧性铝锂合金与其它铝合金不同的是把锂世界上最轻的元素作为合金元素加到金属铝中 铝锂合金由于加入了更为轻量的锂元素使得该类材料作为一种低密度、高弹性模量、高比强度和比刚度的一类铝合金 有相关研究表明在总体积不变的情况下铝基体中的锂含量每增加 铝合金的弹性模量便会增加约比弹性模量增加质量减少但在加入锂等合金元素的同时还需要热处理的手段将这 些 元 素 的 作 用 真 正 挥 发 出 来 以 达 到 这 些要求铝锂合金作为铝合金种类不会发生固态相变它既是变形铝合金也是可热处理强化铝合金相应的热处理方法主要为固溶时效处理通过热处理使材料析出强化相 常见的铝锂合金强化与增韧的方法便是通过一系列热处理手段进行调控 例如 铝锂合金便可以通过相应的热处理手段使该合金的峰值应力达到 但是随着铝锂合金材料的发展对于该类材料的服役条件与要求也提出了更为严格的标准 常规的固溶时效处理无法析出充分的、性能较好的第二相组织因此改善热处理工艺很有必要同时铝锂合金经过热处理工艺后由于析出了相应的强化相造成金属化学成分的不均匀性这些强化相与金属基体造成了许多微小、电位高低不等的区域造成了不同的微观腐蚀电池 尤其 的性质较为活泼铝锂合金中含锂的第二相组织与金属基体的 电 位 差 较 大 导 致 铝 锂 合 金 容 易 产 生 局 部腐蚀因此为了进一步探索铝锂合金形变热处理与双级时效对材料力学性能以及腐蚀性能的影响本文对此进行了较为全面的综述以期对新型铝锂合金的应用与研究进行参考 有色金属加工第 卷 铝锂合金形变热处理对材料力学性能的影响 由于常规的固溶时效处理无法析出充足且性能较好的第二相组织以满足铝锂合金的高标准、高要求 针对此类现象国内外自上世纪八九十年代起便通过引入预变形的手段来改善热处理工艺例如.等人发现固溶后冷变形会加速 合金时效过程中()相的形成减少()相形成 预变形就是在铝锂合金固溶处理后施加一定程度的塑性变形为材料内部蓄积一定的能量同时产生了位错、亚晶界等缺陷这些位错会发生攀移、滑移使得位错发生塞积与缠结为保证后续人工时效处理第二相的析出形核提供一定程度的能量起伏条件第二相会在这些缺陷处优先形核提供了除晶界缺陷之外另外的形核地点提高材料内部的弥散形核程度使得材料内部拥有充足地动力析出合金元素产生第二相组织 等在第二相析出的动力学方面进行过理论分析研究成果表明常规 人工时效需经 才能使材料的抗拉强度达到 但是预变形后经人工时效只需 即可达到 的抗拉强度预变形使得析出第二相的孕育期大大减少第二相的析出更为充分 由于预变形过程会产生位错等缺陷因此预变形的变形量与位错密度等有很大关系变形量越大位错的密度越高第二相的析出就更为充分且弥散第二相强化作用发挥就更为充分 通常认为这一热处理过程是位错强化、固溶强化、沉淀强化的线性叠加 不同系列铝锂合金的主要析出相如图 所示()第 代铝锂合金()第 代铝锂合金()晶带轴 下所体现的主要析出相()晶带轴 下所体现的主要析出相图 铝锂合金主要析出相汇总及衍射图案.但李建军等指出预变形所造成的强化方式并非三者强化方式的线性叠加预变形后进行人工时效处理位错密度由于回复作用会产生一定程度的下降位错强化作用下降 合金元素以第二相形式析出固溶体内的合金元素减少固溶强化作用下降析出相的形核阶段消耗溶质原子团簇因此沉淀强化贡献略微降低但是在析出相长大阶段其强化贡献显著上升 综合作用下体现为材料的屈服强度先略微降低后显著升高 三者对于材料强度作用与演变如图 所示图 铝锂合金在人工时效过程中强度分量和屈服强度的演变.第 期有色金属加工 图中为位错强化贡献为总贡献程度及 分别表示原子团簇及 析出相的强化贡献那么预变形的变形量就作为一个重要影响指标进行研究 于娟等研究了热处理过程中预变形量对 铝锂合金室温拉伸性能的影响发现随预拉伸变形量的增加合金 向和 向的屈服强度和抗拉强度逐渐增大变形量.后趋于平稳伸长率逐渐降低后趋于稳定 预拉伸变形量为.时合金的强度和抗晶间腐蚀性能最佳 预变形量对材料力学性能的影响如图 所示不同变形量对时效析出相的形态如图 所示()向()向图 不同预拉伸变形量下时效态 合金拉伸性能.()明场像()暗场像().明场像().暗场像().明场像().暗场像().明场像().暗场像().明场像().暗场像图 不同预拉伸变形量下时效态 合金 照片.于娟等对中间形变热处理过程中进行不同压缩变形量处理的 铝锂合金厚板短横向室温拉伸性能进行了研究随压缩变形量的增加强度和伸长率先增加后降低发现压缩变形量为 时再结晶晶粒细小晶粒内包含均匀弥散分布的 相晶界处的 相断续分布合金的拉伸性能最好伸长率明显提高 不同压缩变形量对于铝锂合金内部第二相析出形态如图 所示不同压缩变形量对材料力学性能的影响如图 所示 有色金属加工第 卷()()()()()()()()图 不同压缩变形量处理后 铝锂合金 照片.图 不同压缩变形量处理后铝锂合金短横向拉伸性能.刘一宏等对固溶态 铝锂合金采取了不同预拉伸变形量处理发现当预拉伸变形量增加到 铝锂合金的屈服强度增加幅度较大由固溶态的 增加到 抗拉强度的增幅较小由固溶态的 增加 伸长率由固溶态的.降低到.屈强比由固溶态的.增加到.固溶态 铝锂合金挤压棒材经 预拉伸处理和 的时效处理后抗拉强度、屈服强度、屈强比和伸长率分别为 、.和.图 为不同预拉伸量下材料的力学性能关系 同时不同的预变形模式也会对位错密度以及演变产生影响导致第二相的析出行为产生不同结果 等发现采用多轴压缩作为预变形能够显著提升试样的时效动力学和强度 常规 热处理达到峰值时效的时间为 材料硬度为 多轴压缩预变形后时效处理仅需 即达到峰值硬度 图 不同预拉伸量下材料的力学性能关系.目前国内外对于形变热处理对铝锂合金力学性能的影响研究主要体现在预变形量这一因素的影响但是对于理论分析计算形变热处理强化效果、材料化学成分(尤其是微合金化)在形变热处理这一过程中的影响等方面的研究还存在很多缺陷与不足 第 期有色金属加工 铝锂合金双级时效处理对材料力学性能的影响 通常对铝锂合金的热处理是在固溶处理之后进行一次时效处理双级时效便是在一级时效的基础上再次进行一次时效并进行修正与完善 双级时效也可以分成预时效与最终时效的两个阶段预时效阶段便是形成高密度的 区为最终时效阶段沉淀相的析出提供形核长大地点提供充足的化学起伏形核条件使得性能较好的沉淀相组织析出更为充分且弥散王燕等研究了不同双级时效制度下最终时效的保温时间对 铝锂合金力学性能的影响不同保温时间对材料力学性能的影响见表 表 不同保温时间下的力学性能.试样号时效制度屈服强度/抗拉强度/延伸率/././././././.标准值 孔祥等采用一组 单级时效(/)()制度和两组 制度对试样进行处理研究表明 状态下试样的抗拉 强度均高于 态 同时 态中双级时效制度(.预变形 /)()相比于单级时效制度(.预变形 /)()具有更优异的综合性能 图 为三组不同时效工艺下材料的力学性能同时 双级时效与单级时效相比和 沉淀相更加充分、细小、弥散均匀地分布在材料中 图为不同时效工艺下沉淀相地析出形态图 三组时效合金的力学性能.有色金属加工第 卷()()时效()()时效()()双级时效图 三种时效制度下合金的(暗场)像和电子衍射花样.()廖忠全等研究不同时效制度对 铝锂合金力学性能 研究表明 /的双级时效比 的单级时效更有利于提高 铝锂合金的力学性能随着 下的第二级时效时间延长合金的力学性能显著提高 /双级时效时晶内由大量的 相和少量的 相组成晶界析出物粗大、断续分布此时合金具有最优的力学性能其抗拉强度为 伸长率.表为 铝锂合金经过不同时效处理后的拉伸性能表 铝锂合金不同时效处理后的拉伸性能.时效制度/./././././.图 为 /双级时效时沉淀相的析出形态分布 由于预时效阶段的作用是为最终失效提供 区来作为沉淀相析出的形核地点因此预时效的处理温度与时间与最终时效相比而言较少工艺也较为简单 目前发展成熟的双级时效工艺有 双级时效、双级时效等 研究方向主要为对原有一级、二级时效工艺基础上进行修改与完善开发出新的双级时效技术以及研究不同双级时效制度对材料的影响图 双级时效下 铝锂合金在 方向的 暗场像及电子衍射花样.铝锂合金形变热处理对材料腐蚀性能的影响 由前述可知铝锂合金经过热处理工艺之后材料内部的沉淀相与金属基体由于电位的不同构成了许多腐蚀程度不同的微观电池 而形变热处理由于引入了预变形使材料内部的沉淀相析出更加充分腐 第 期有色金属加工蚀加剧 但同时沉淀相的析出也更为弥散且均匀材料的腐蚀行为也会逐渐从局部腐蚀转变为全面腐蚀对于材料设计者而言可以更好进行腐蚀余量的设计于娟等研究了不同预拉伸变形量处理并人工时效后 铝锂合金抗晶间腐蚀性能 研究发现随预拉伸变形量增加腐蚀形貌由晶间腐蚀变为点蚀点蚀深度逐渐减抗晶间腐蚀能力逐渐提高预拉伸变形量为.时合金的强度和抗晶间腐蚀性能最佳 图 为不同预变形量处理下材料的腐蚀形貌()().()().()().()图 不同预拉伸变形量下 合金晶间腐蚀形貌.于娟等对不同压缩变形量处理的 铝锂合金晶间腐蚀性能进行了深入研究 压缩变形量为时合金的耐晶间腐蚀性能最好压缩变形量为和 时合金沉淀相大多在晶界析出且析出连续耐腐蚀性能较差 图 为不同压缩变形量处理后 铝锂合金晶间腐蚀形貌()()()()图 不同压缩变形量下合金腐蚀形貌.形变热处理的过程当中引入了位错造成了位错塞积与缠结提供了除晶界等缺陷外的形核地点分担了一部分的腐蚀程度使得晶间腐蚀效果降低但同时由于沉淀相的析出更为充分其中粗大的第二相组织以及密度较高的沉淀相区域容易诱发应力集中甚至形成裂纹源为点蚀的产生提供了条件 因此铝锂合金的抗腐蚀性能是晶粒与沉淀相共同作用的结果合金的腐蚀为晶间腐蚀和点蚀的叠加效果田宇等分别采用五组不同预拉伸量对峰时效 铝锂合金进行处理研究发现五组不同预拉伸量 有色金属加工第 卷的样品经过峰时效处理后预拉伸量为 的样品应力腐蚀敏感因子为.抗应力腐蚀性能最好预拉伸量为.的样品应力腐蚀敏感因子为.抗应力腐蚀性能最差 表 为不同预拉伸量的 铝锂合金峰时效状态下空气及腐蚀介质中的应力腐蚀敏感性统计表 不同预拉伸量下合金的应力腐蚀敏感性.延伸率空气.拉伸强度/最大应变/拉伸强度/最大应变/指数/.图 为不同预拉伸量的 铝锂合金峰时效状态下应力腐蚀断裂断口形貌图 对于应力腐蚀而言形变热处理强化效果是固溶强化、位错强化、沉淀强化三者叠加效果形变热处理使得沉淀相的析出更为充分比常规热处理引入了更多缺陷 由氢致开裂理论.可知这些缺陷是吸收 的主要来源这些 在拉应力的作用下沿晶界扩散进入裂纹尖端区引起氢脆同时大多数沉淀相为硬脆相这些沉淀相容易产生应力集中形成裂纹源提供应力腐蚀的条件并且加速应力腐蚀进程因此会在一定程度上会抵消合金的抗腐蚀性能()()()()().图 不同预拉伸量下应力腐蚀断裂断口形貌图.国内外对于形变热处理对材料抗腐蚀性能的影响研究还不够深入 由于材料的抗腐蚀性能是通过晶粒、沉淀相共同影响的因此材料的抗腐蚀性能影响因素是复杂且多样的形变热处理对材料的抗腐蚀性能调控不能很好掌握 未来形变热处理技术对材料抗腐蚀性能的影响不只是预变形量这一影响因素的研究还会有预变形方式、材料服役环境等因素的研究 结论形变热处理以及双级时效技术对材料的腐蚀性能与力学性能的提升效果是显著的这些技术可以很好弥补传统固溶时效热处理工艺所带来的缺陷 笔者认为形变热处理以及双级时效技术对材料力学性能与腐蚀性能的影响与研究还不够()形变热处理与双级时效可以更加促进沉淀相的析出但是其理论计算还不够充分尤其是目前对 第 期有色金属加工于形变热处理所带来的强化效果计算式只是建立在理想条件下对于热处理工艺设计者而言存在一定的困难 同时形变热处理与双级时效对铝锂合金的力学性能影响的研究方向主要在寻找某类铝锂合金所适合的工艺修改完善工艺制度如研究不同的预变形量、最终时效温度与保温时间等但是在形变热处理以及双级时效条件下合金元素的争相析出行为(尤其是微合金化)以及不同预变形方式给材料力学性能带来的影响等方面的研究还有很多不足之处()形变热处理对铝锂合金的腐蚀性能的影响因素是多方面的它涉及到晶粒与第二相的共同作用影响因素的过多就会造成形变热处理对材料腐蚀性能的影响机制过于复杂 同时这方面的研究方向主要是在不同预变形量下材料的抗腐蚀性能研究对象为晶间腐蚀与点蚀 但是形变热处理对于服役材料的腐蚀性能影响以及不同预变形方式对材料腐蚀性能的影响等方面还有待研究参考文献 李劲风宁 红刘丹阳等.系铝锂合金的合金化与微合金化.中国有色金属学报():李劲风 郑子樵 陈永来 等.铝锂合金及其在航天工业上的应用.宇航材料工艺 ():.张 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