Mg和Zn对2099合金时效组织与拉伸性能的影响

朱小辉，郑子樵，钟 申

Mg和Zn对2099合金时效组织与拉伸性能的影响

朱小辉，郑子樵，钟 申

(中南大学 材料科学与工程学院，长沙 410083)

通过常规力学性能测试和透射电镜微观组织观察，研究2099合金在不同热处理状态(T6和T8)下的微观组织和拉伸性能，以及2099合金中所含少量Mg和Zn对合金组织与性能的影响。结果表明：2099合金在T6峰时效条件下，主要强化相是δ′相、θ′相和T1相；在T8峰时效下，主要强化相是δ′相、T1相和少量θ′相，预拉伸变形促进T1相的析出，提高合金的时效强化效果；Mg的添加促进GP区和θ′相的析出，Zn的添加有利于T1相生成和弥散分布；而Mg和Zn同时添加显著地促进T1相析出，并抑制δ′相的粗化。

热处理；拉伸性能；微观组织；预拉伸变形；时效强化

与传统2×××和7×××铝合金相比，Al-Li合金具有更高的比强度和比弹性模量以及可焊性等优点，用在某些航空航天结构件上时，可减少10%~25%的质量。另外，高性能铝锂合金制作飞机结构和部件，由于成本远低于复合材料的，且成形、维修和更换比复合材料简单，同时又可实现减轻结构质量和提高服役性能，在和复合材料的竞争中具有自身优势，因此被认为是21世纪航空航天工业领域中最具竞争力的轻质高强结构材料[1]。2099合金为美国Alcoa公司开发的第三代高性能铝锂合金，实验研究表明该合金具有平面各向异性小、横向延展性高、裂纹扩展速率低、耐蚀性良好[2]等优点。因此，2099合金型材和其他第三代铝锂合金已应用于最新民航客机A380的机身结构件[3]，而我国正在研制的大飞机也准备选用 2099铝锂合金以及其他第三代铝锂合金以减轻飞机结构质量和提高服役性能。2099合金属于含少量Zn和Mg的Al-Cu-Li系合金，目前国外发表的有关2099合金的研究文章主要集中在对合金力学性能及疲劳裂纹扩展和断裂韧性方面的研究，而关于该合金中Mg和Zn元素对其组织与性能影响和作用机理的研究未见公开详细报道，而目前国内也尚未有关于这方面的研究，因此，本研究主要从热处理制度和微观组织出发，探讨2099合金组织与性能的关系以及Mg和Zn元素的合金化作用，这对今后该合金的发展应用具有重要的实际意义。

1 实验

实验合金在熔剂和氩气保护下熔炼，水冷铜模中铸造成d100 mm圆锭，合金2成分值如表1所列。其中合金1为2099合金，合金2为无Zn合金，合金3为无Mg合金。铸锭经530 ℃，32 h均匀化处理后，切头和铣去表皮，铸锭由d 88 mm挤压成d12 mm棒材。棒材经540 ℃，40 min盐浴固溶处理，室温水淬火，然后一部分试样直接在 175 ℃时效不同时间(T6处理)，另一部分试样预拉伸变形3%后再在150 ℃时效(T8处理)。

拉伸实验在css−44100电子万能试验机上进行，试样沿挤压方向取样，标距间尺寸为d 6 mm×30 mm。TEM 观察试样先用水磨砂纸和金相砂纸机械减薄至100 μm以下，然后在MT-PI型双喷电解减薄仪上进行双喷，工作电压为12~15 V，工作电流控制在60~90 mA。双喷时采用液氮将电解液(体积比为1：3的硝酸和甲醇混合液)冷却至−25 ℃左右。TEM 观察在TecnaiG2200电镜上进行，加速电压为200 kV。

表1 实验合金的实测成分Table 1 Analyzed composition of experimental alloys

2 结果与分析

2.1 拉伸性能

图1所示为3种合金在T6和T8时效工艺下的拉伸性能与时效时间的关系。从图1(a)可以看出，在T6时效条件下，随着时效时间的延长，3种合金的强度均逐渐增加，达到峰值后基本保持稳定，在整个时效过程中只出现一个强度峰值。从整个时效过程来看，随着时效时间的增加，同时含Mg和Zn的合金1的强度迅速增加，在40 h达到峰值，其抗拉强度达到560 MPa，伸长率为7.2%；不含Zn的合金2在56 h达到峰值，其抗拉强度为538 MPa，比合金1的低22 MPa，伸长率为7.9%；而不含Mg的合金3在64 h达到峰值，其抗拉强度为505 MPa，比合金1低55 MPa，伸长率为 9.8%。由此可见，合金 1中正是由于少量 Mg和Zn的添加使得合金的抗拉强度大幅度提高，并且使时效峰值时间提前，这说明Mg和Zn元素的添加不仅加快了合金的时效响应速度，同时提高了时效硬化效果。

从图1(b)中的曲线可看出，合金1、2和3的拉伸强度都随时效时间的延长而增加，达到峰值后缓慢降低。合金1在30 h达到峰值，强度为625 MPa，伸长率为6.1%；合金2在40 h达到峰值，抗拉强度为616 MPa，比合金1的低9 MPa，伸长率为6.2%；合金3在50 h达到峰值，抗拉强度为598 MPa，比合金1的低27 MPa，伸长率为6.7%。对比同一合金的T6和T8态时效过程发现，时效前的预拉伸变形使合金峰值强度提高，且合金达到峰值强度的时间提前。

图1 T6和T8时效合金的拉伸性能与时效时间的关系Fig.1 Relationship between tensile properties and ageing time for alloys under T6 and T8 conditions: (a) T6(175 ℃);(b) T8(3% pre-stretching+150 ℃)

对比3种合金在T6和T8态下的峰值强度，可以发现在T6条件下，3种合金的峰值强度差别较大；而在T8条件下，3种合金的峰值强度差别缩小了，这说明时效前的预拉伸变形，降低了3种合金之间的峰值强度差值，也表明预拉伸变形在提高合金强度的同时，削弱了Mg和Zn微合金化元素对时效硬化过程的影响。

2.2 微观组织

2.2.1 T6状态下的微观组织

图2所示为在透射电镜下观察到的合金1、2和3在T6欠时效状态下的析出相形貌。由图2可以看出，3种合金在时效早期都析出大量弥散的 δ′相，其中合金1析出的δ′相较合金2和3的更均匀、细小。另外，从合金1的衍射斑中还看到GP区的芒线，由透射电镜明场像(见图2(c))可以看出，合金2也析出了GP区。这表明合金1和2在欠时效阶段除析出δ′相之外，还析出了GP区；而合金3则没有观察到GP区。

图3所示为3种合金在175 ℃峰时效状态下的透射电镜像。由图3可以看出，同时含有Mg和Zn的合金 1(见图 3(a)、(b)和(c))，析出大量的 δ′相和 T1相，还有少量的θ′相。只含有Mg而无Zn的合金2(见图3(d)、(e)和(f))析出大量的 δ′相、θ′相和少量 T1相，其中T1相的数量较同时含Zn和Mg合金1的明显减少(对比图3(c)和(f))，这说明Zn的添加对T1相的析出有促进作用。含Zn而不含Mg的合金3析出大量的δ′相和 T1相(见图 3(g)和(h))，未观察到 θ′相。这说明Mg的添加对θ′相的形成具有促进作用[4]。

2.2.2 T8状态下的微观组织

图2 合金在T6状态下欠时效(8 h)的TEM像Fig.2 TEM images of alloys in under-aged for 8 h under T6 condition: (a) Alloy 1, b=(001)α; (b), (c) Alloy 2, b=(001)α; (d) Alloy 3,b=(001)α

图3 合金在T6状态下峰值时效的TEM像Fig.3 TEM images of alloys under peak-aged T6 condition: (a), (b), (c) Alloy 1; (d), (e), (f) Alloy 2; (g), (h) Alloy 3; (a), (b), (d),(e), (g): b=(001)α; (c), (f), (h): b=(112)α

图4 合金在T8状态下峰值时效的TEM像Fig.4 TEM images of alloys in peak-aged under T8 condition: (a), (b) Alloy 1; (c), (d) Alloy 2; (e), (f) Alloy 3; (a), (c), (e):b=(001)α; (b), (d), (f): b=(112)α

图4 所示为3种合金在150 ℃，T8处理的峰时效状态微观组织。由图4可以看出，含Mg和Zn的合金1析出大量的δ′相和细小、弥散的T1相。此外，还有一些θ′相，其中部分δ′相在θ′相上异质形核并包覆在θ′相周围形成 δ′/θ′复合相(见图 4(a))。含 Mg 的合金 2中除了析出大量的δ′相外，也析出了大量细小的T1相，T1相的析出密度低于合金1的(见图4(b)和(d))。在T8态，合金2中未观察到θ′相(见图4(c)中衍射花样)，说明预拉伸变形在促进T1析出的同时使θ′相的析出在一定程度上受到了抑制。含Zn的合金3也在时效过程中析出大量的 δ′相和 T1相。但 T1相的密度较合金 1的低，且比合金1中的T1更为粗大。和T6态相比，3种实验合金在T8峰时效析出的δ′相和T1相都更加细小、弥散。这表明时效前的预拉伸变形抑制了析出相的长大粗化，同时促进了T1相的析出。

3 分析与讨论

在Al-Cu-Li系合金中，析出序列和强化相的种类在很大程度上取决于Cu和Li的摩尔比和合金中所添加的微合金化元素。对于含Cu量为2%~5%(质量分数)的铜合金，其主要析出过程大致是[5]：α过饱和固溶体→GP 区+δ′相→T1相+δ′相+(θ′相)→T1相，强化相有δ′、θ′和T1相，合金的时效强化效果来源于这几种析出相的综合强化。

在Al-Cu-Li合金中添加Mg元素，由于Mg原子与空位以及 Cu原子之间有很强的交互作用，固溶淬火后容易形成许多 Cu-Mg-空位组成的团簇和 Cu-Mg原子对[5]，在淬火之后时效早期，这些复合团簇和原子对形成溶质偏聚区，这种成分上的起伏将成为富Cu的GP区的形核位置[6]，并促使Cu原子不断向形核区扩散而形成GP区，因为原子半径比Al小的Cu原子向原子半径比Al大的Mg原子扩散聚集有利于减小原子半径差异造成的晶格畸变[7−8]。对比合金 1、2和 3的欠时效TEM像，证实含Mg的合金1和2在时效早期都析出GP区。随着时效时间的延长，在时效早期形成的GP区逐渐转变成了θ′/θ相，因此可以观察到合金1和2在峰值时效析出了θ′相。这些说明了Mg的添加能促进GP区和θ′相的析出，所以含Mg的合金1和2析出相中都含有θ′相。

从合金峰值时效的TEM像中可看出，在T6态下，含Zn的合金1和3比不含Zn的合金2在峰值析出的T1相明显多一些，由此说明Zn的添加可以促进T1相的形成。Zn的添加降低了Li在Al基体中的溶解度[9]，且Zn原子在Al中具有很大的溶解度，这些大溶解度的固溶原子聚集在密排的{111}α面上能降低铝合金的层错能，有利于形成大量层错，为T1相的形核提供优越的形核位置[10−12]。因此，合金1和3析出的T1相较合金2的多。KERTZ等[13]在研究C458合金的局部腐蚀敏感性时发现，晶界析出的T1相中含有Zn原子；GABLE等[14]利用定性 EDS分析测试技术对晶内 T1相及其周围250 nm范围进行元素扫描，发现T1相中都含有Zn元素，这些都表明Zn的加入对T1相的析出有一定的促进作用。

本研究中同时含Mg和Zn的合金1在T6态时强度明显高于只含Mg的合金2和只含Zn的合金3，析出的T1相也明显多于合金2和3。这说明Zn和Mg的同时添加，两者之间可以产生强烈的交互作用。有研究[10]认为 Al-4Cu-1Li合金中加入少量 Zn，其作用类似于低含量Ag的添加，除降低Al合金的层错能之外，Zn与Mg之间会产生类似于Mg和Ag之间的作用，形成大量Zn-Mg原子对和Zn-Mg-空位组成的团簇，大量的空位被原子对和团簇捕获，使得Cu和Li原子扩散所需的空位大量减少，减少了δ′相析出长大所需的Li原子，抑制了δ′相的长大粗化。由于保留了生成T1相所需的Cu和Li原子，同时Zn-Mg团簇类似于Ag-Mg团簇有促进T1相形核的作用，所以，合金1较合金2和3的δ′相更小；且析出更多的T1相。

在T8状态下，析出的T1相数量明显多于T6处理。这是因为预拉伸变形引入大量的位错，为T1相的形核提供了大量的非均匀形核位置，促进了 T1相的析出[15−16]，并抑制T1相的长大，使得T1相均匀、细小，密度增大。同时，由于T1和θ′相之间的竞争析出关系，使得合金2的θ′相的析出在一定程度上受到抑制[17]。由于预拉伸变形引入的大量位错既可作为 T1形核的有利位置，又可以成为空位湮没的陷阱[18]，大量的空位被湮没，减少了Mg和Zn元素与空位的结合，进而削弱了Mg和Zn元素对合金析出相的影响，从而使T8状态下，强化相的析出更多地受位错的支配。

4 结论

1) 2099合金在T6态峰时效条件下强化相主要为大量的 δ′相和较多的 T1相及少量的 θ′相；T8时效态下主要为δ′相和T1相，还有少量的θ′相。

2) T6时效工艺条件下，在实验合金中单独添加少量Mg在时效早期促进GP区析出，进一步时效至峰值时转变为θ′相；单独添加少量Zn促进T1相的析出并抑制T1相的粗化；Zn和Mg同时添加产生强烈的交互作用，促进θ′相和T1相析出的同时抑制δ′相的粗化。

3) T8状态下时效前的预拉伸变形对T1相的析出有更大的促进作用，削弱了Mg和Zn元素对强化相析出的影响，从而缩小3种合金在峰值时效后的强度差值。

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Effect of Mg and Zn on microstructure and tensile properties of 2099 alloy

ZHU Xiao-hui, ZHENG Zi-qiao, ZHONG Shen
(School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083，China)

The tensile properties and microstructure of 2099 alloy in T6 and T8 tempers were investigated by tensile test and TEM observation. Moreover, the effects of the Mg and Zn in 2099 alloy on the microstructure and properties of alloy were studied. The results show that under T6 peak aged condition, the dominant precipitates are δ′, θ′ and T1phases.While under T8 peak aged condition, the major precipitates contain δ′ phase, T1phase and θ′ phase with small volume fractions. The pre-stretching prior to ageing promotes the precipitation of T1phase, thus improves ageing strengthening.Mg addition promotes the precipitation of GP zone and θ′ phase while Zn facilitates T1phase precipitation. The addition of Mg together with Zn stimulates the formation of T1phase obviously, and suppresses the coarsening progress of δ′phase.

heat treatment; tensile properties; microstructure; pre-stretching; ageing strengthening

TG 146.2

A

1004-0609(2010)10-1861-07

总装“十一五”预研资助项目(51312010409)

2009-05-25；

2010-05-22

郑子樵，教授；电话：0731-88830270；E-mail：s-maloy@mail.csu.edu.cn

(编辑 李艳红)