预拉伸处理对2A97薄板组织和性能的影响

于　娟，　陆　政，　李国爱，　冯朝辉

(北京航空材料研究院 北京市先进铝合金材料及应用工程技术研究中心， 北京 100095)



预拉伸处理对2A97薄板组织和性能的影响

于娟，陆政，李国爱，冯朝辉

(北京航空材料研究院 北京市先进铝合金材料及应用工程技术研究中心， 北京 100095)

通过室温拉伸、腐蚀试验、TEM等手段，研究人工时效前预拉伸处理对2A97铝锂合金组织和性能的影响。结果表明：在相同时效工艺下，经3%的预拉伸变形后，2A97合金的强度和耐蚀性能都有较大提高，其中抗拉强度提高了32 MPa，晶间腐蚀等级变为点蚀等级；预拉伸处理促进了时效过程中T1相在晶内的均匀弥散析出，降低了δ′相的含量，抑制了晶界平衡相的析出，从而改善了合金的强度和耐蚀性能。

2A97铝锂合金；预拉伸；析出相；拉伸性能；晶间腐蚀

2A97铝锂合金是我国自主研发的Al-Cu-Li系可时效强化型铝合金，合金化程度高，强度高，具有良好的综合性能，已经成为航空航天的重要材料之一[1]。Cassada和Noble 等研究认为，时效前增加预变形，可以改变主要强化相 T1(Al2CuLi)和δ′(Al3Li)的竞争析出动力学，促进 T1相析出并使之细化[2-3]。对固溶处理后的Al-Li合金在时效前进行适当冷变形，可在合金中形成密布的位错或位错缠结，成为 T1相非均匀形核的位置，从而使时效过程中析出的第二相微粒更为弥散均匀分布，增大位错不能切割的沉淀相的体积分数，减小合金的共面滑移及晶界应力集中，并减小无沉淀析出带宽度，改善合金的综合力学性能[4-9]。Kumai等发现铝锂合金腐蚀行为主要和T1相有关，腐蚀时T1相为阴极相，而晶界和亚晶界边缘的贫Cu无沉淀带为阳极相，晶间腐蚀和亚晶间腐蚀是由于贫Cu无沉淀带的溶解造成的[10]。时效前进行预变形，导致基体内位错的大量形成，促进T1相大量而均匀形核，阻碍了贫Cu无沉淀带的形成，因而减少了晶界腐蚀和亚晶界腐蚀。预拉伸处理可以改变合金时效析出物的类型和分布，不仅可以改善合金的力学性能，对合金的耐腐蚀性能也有显著影响。我国对铝锂合金的研究与世界先进水平还有较大的差距，对Al-Cu-Li系铝锂合金力学性能和腐蚀性能的综合分析也相对较少。本工作研究2A97铝锂合金在时效前经预拉伸变形和未经变形的合金组织和性能的影响关系，为进一步改善合金的综合性能奠定基础。

1　实验材料及方法

实验材料为西南铝业公司提供的工业化生产的1.2 mm厚度规格的2A97铝锂合金冷轧板材。板材经520 ℃/30 min固溶+室温水淬处理后，其中一部分试样立即进行3% 预拉伸变形，然后进行人工时效，另一部分直接进行人工时效处理。人工时效工艺为115 ℃/14 h+155 ℃/15 h。

时效处理后的试样沿横向(LT)方向取样，在INSTRON型拉伸机上进行室温拉伸实验，应变速率为1 mm/min，实验按HB5143—1996进行。透射电镜分析在JEM-2000CX型电镜上进行，加速电压为160 KV。透射试样在双喷电解仪上进行双喷剪薄，双喷时工作温度为-20° C，工作电压为20～25 V，电流为90～100 mA。

合金晶间腐蚀按照标准GB/T 7998—2005进行，以合金轧制表面为腐蚀面，依次经过砂纸打磨、抛光、丙酮除油、蒸馏水清洗，腐蚀介质选用57 g NaCl/L+10 ml H2O2/L腐蚀溶液，浸泡时间为6 h 。

2　结果与分析

2.1拉伸性能

表1是经过预拉伸和未经过预拉伸处理的试样室温拉伸性能。从表1可以看出，合金在115 ℃/14 h+155 ℃/15 h双级时效处理前，经过3%预拉伸变形后的试样抗拉强度和屈服强度都明显高于未经预变形处理的，分别为568 MPa和500 MPa，伸长率为13.5%；抗拉强度比未经预变形处理的试样高了32 MPa，而屈服强度高了79 MPa。

表1　不同预拉伸变形量对2A97合金力学性能的影响

2.2晶间腐蚀结果

图1为不同预拉伸工艺处理后的晶间腐蚀形貌。可以看出，2种工艺处理后的合金晶间腐蚀形貌差距较大。经过预拉伸处理后的合金晶间腐蚀为点蚀，而没有经过预拉伸处理的合金晶间腐蚀明显，晶间腐蚀深度为96 μm。表明预拉伸处理明显改善了合金的抗腐蚀性能，提高了合金的晶间腐蚀抗力。

2.3显微组织

图2为合金经不同预拉伸处理后的明场TEM照片和选区电子衍射(SAED)花样。图2(a)为时效前经过预拉伸变形时的透射显微组织，电子束平行于基体<110>方向(见图2(b))，合金经变形后析出大量细小弥散、分布均匀的T1相，δ′相含量较少；从衍射斑点上可以观察到显著的芒线，表明T1相呈条片状沿<110>方向扩展，δ′相对应的衍射斑较暗，表明数量较少。图2(c)为未经过预拉伸处理后合金的显微组织，电子束平行于基体<110>方向(见图2(d))，可以看出，T1相数量明显减少，而且分布较不均匀，δ′相尺寸较大且数量较多，对应的衍射斑点较为明亮。

图1　2A97合金不同预拉伸处理后的晶间腐蚀形貌　(a)3%预拉伸变形；(b)未经预拉伸变形Fig.1　Intergranular corrosion morphologies of 2A97 alloy after different pre-sretching processing(a)3% pre-stretching processing；(b)none pre-stretching processing

图2　2A97合金不同预拉伸处理后的显微组织与选区电子衍射谱　(a)3%预拉伸变形；(b)3%预拉伸变形的SAD花样;(c)未经预拉伸变形；(d)未经预拉伸变形的SAD花样Fig.2　TEM images and corresponding SAD patterns of 2A97 alloy after different pre-sretching processing(a)3% pre-sretching processing；(b)SAD patterns of 3% pre-sretching processing;(c)none pre-sretching processing；(d)SAD patterns of none pre-sretching processing

图3为合金经不同预拉伸处理后的晶界微观组织。由图3可知，时效前经过预拉伸变形时，T1相在晶界析出细小、稀少，而未经预拉伸变形的合金晶界析出相粗大、连续。

图3　2A97合金不同预拉伸处理后的晶界微观组织　(a)3%预拉伸变形；(b)未径预拉伸变形Fig.3　Microstructures around grain boundaries of 2A97 alloy after different pre-sretching processing(a)3% pre-strelching processing; (b) none pre-stretching processing

3　讨论和分析

3.12A97铝锂合金力学性能

对于Al-Cu-Li系合金，影响其组织和性能的析出相主要有T1相、δ′相、θ′相等，根据合金成分和时效制度的不同，各种析出相的数量、尺寸和分布也存在较大差异[11]。由于δ′相和铝基体高度共格，其界面能及共格应变能低，因此2A97铝锂合金在固溶淬火后直接进行时效时，δ′相优先在基体中均匀析出。T1相与铝基体呈半共格关系，析出非常缓慢，T1相主要依靠在位错、亚晶界等晶体缺陷处非均匀形核析出，以降低形成新相时的界面能。未经预拉伸状态下，合金晶内位错密度较低，T1相在晶内析出较少，主要沿晶界、亚晶界析出；因此，未经预拉伸处理的2A97合金主要析出相为δ′相，以及优先沿晶界、亚晶界析出的T1相，T1相的析出并不占主导地位，如图2(c)，图3(b)所示。

预拉伸处理后的合金基体组织以T1相为主，T1相更加细小弥散，体积分数更大，δ′相的数量有所减少。经过3%预拉伸处理之后的合金δ′相衍射强度变弱，表明δ′相数量下降。由于δ′相与基体间的共格应变能和界面能均较低，倾向于以均质形核的方式在基体内脱溶，因而δ′相的析出形态和数量不受预变形的影响[12]，Huang等研究表明δ′相的减少与T1相的生长有关[13]。预拉伸处理促进了时效过程中T1相大量析出，尺寸变得细小，分布变得均匀，时效过程中T1相的长大消耗了一定数量的δ′相，形成了以T1相为主的组织，T1相的强化效果高于δ′相，使合金强度显著升高；但是T1相密排面和密排方向与基体方向平行，当T1相尺寸较小，数量较少时，由于晶体取向关系对分散共面滑移效果不大，对合金的强度和塑性影响不大[14]；当T1相数量较多，尺寸较大时，会对变形过程中的位错滑移造成显著的阻碍作用，提高了合金的强度，同时，降低了合金的塑性。因此，合金在经过预拉伸处理后人工时效时抗拉强度可以达到568 MPa，相比未经预拉伸处理的合金提高了32 MP，而伸长率却下降了2.9%。

3.2腐蚀性能

合金中的第二相与周围基体化学成分的差异使彼此电位不一致，电位高低不同的临近区域构成原电池，在腐蚀介质中发生阳极溶解，导致合金产生局部腐蚀。铝锂合金典型的晶界特征常为连续分布的粗大析出相。通常铝合金基体和析出相之间的电化学行为相差很大，腐蚀时析出相一般作为阳极，其周围基体充当阴极，形成原电池，发生析出相的率先溶解，导致晶界比晶粒内部更易腐蚀。2A97铝锂合金时效时将在晶界、亚晶界及位错处析出δ′相、T1相，这两种相在腐蚀时都作为阳极存在[15]，因此，2A97铝锂合金的腐蚀过程主要与晶界析出相的分布密切相关。

时效前进行预变形，导致基体内位错的大量形成，促进了Tl相在晶内大量而均匀形核，减小了Tl相在晶界亚晶界处的形核，如图3(a)所示，减少了晶界腐蚀和亚晶界腐蚀[10]。此外，晶界析出相不连续且稀少，有效切断了晶界连续腐蚀通路[16]，因此，经过预拉伸变形后人工时效的合金耐腐蚀性能更好。

4　结论

(1)2A97铝锂合金经过预拉伸处理后再时效，相比未经过预拉伸时效的合金，提高了力学性能和抗晶间腐蚀能力。其抗拉强度为568 MPa，提高了32 MPa;伸长率为13.5%;晶间腐蚀为点蚀。

(2)2A97铝锂合金经过3%的预拉伸处理后，主要析出相为T1相，T1相更加细小弥散，分布更加均匀，体积分数更大，δ′相的数量有所减少；未经预拉伸处理进行人工时效的合金，主要析出相是δ′相，以及优先沿晶界、亚晶界析出的T1相，T1相的析出并不占主导地位。

[1] 袁志山，吴秀亮，陆政，等．2A97铝锂合金时效行为研究[J]．稀有金属材料与工程，2008，37(11)：1898-1902．

(YUAN Z S，WU X L，LU Z，etal．The aging behavior of aluminum-lithium alloy 2A97[ J ]．Rare Metal Materials and Engineering，2008，37(11)：1898-1902．)

[2] CASSADA W A，SHIFLET G J，STARKE J E A．Mechanism of A12CuLi(T1)nucleation and growth[J]．Metallurgical Transactions A，1991，22：287-297．

[3] NOBLE B，THOMPSON G E．T1precipitation in aluminum-copper-lithium alloys[ J ]．Metal Science Journal，1972，6：167-174．

[4] KUMAR K S，BROWN S A，PICKENS J R．Microstructural evolution during aging of an Al-Cu-Li-Ag-Mg-Zr alloy[J]．Acta Materials，1996，44(5)：1899-1915．

[5] CASSADA W A，SHIFLET G J，STARKE E A．The effect of germanium on the precipitation and deformation behavior of Al-2Li alloys [J]．Acta Metallurgica，1986，34(3)：367-378．

[6] RINGER S P，MUDDLE B C，POLMEAR I J．Effects of cold work on the precipitation in Al-Cu-Mg-(Ag) and Al-Cu-Li-(Mg-Ag) alloys[J]．Metallurgical and Materials Transactions A，1995，26：1659．

[7] KIM J D，PARK J K．Effect of stretching on the precipitation kinetics of an Al-2.0Li-2.8Cu-Ag-0.5Mg-(0.13Zr) alloys[J]．Metallurgical Transactions ，1993，24：2613．

[8] CSONTOS A A，STARKE J E A．The effect of processing and microstructure development on the slip and fracture behavior of the 2.1 wt.pct Li AF/C489 and 1.8 wt.pct Li AF/C458 Al-Li-Cu-X alloys[J]．Metalurgical and Materials Transactions A，2000，31(8)：1965-1975．

[9] HOPKINS A K，JAM K V，RIOJA R J．The anisotropy and texture of Al-Li alloy[J]．Materials Science Forum，1996，217-222：421．

[10]KUMAI C，KUSINSKI J，THOMAS G，etal．Influence of aging at 200℃ on the corrosion resistance of Al-Li and Al-Cu-Li alloys[J]．Corrosion，1989，45(4)：294-302．

[11]聂辉文，潘清林，聂俊红．时效处理对2124铝合金预拉伸厚板微观组织与腐蚀行为的影响[J]．航空材料学报，2014，34(2)：22-28．

(NIE H W，PAN Q L，NIE J H．Influence of aging treatment on microstructure and corrosion behavior of 2124 aluminum alloy pre-stretching plate [J]．Journal of Aeronautical Materials，2014，34(2)：22-28．)

[12]HUANG J C，ARDELLA J．Crystal structure and stability of T1 particles in aged Al-Li-Cu alloys[J]．Materials Science and Technoligy，1987，3(3)：176-188．

[13]HUANG J C，ARDELL A J．Strengthening mechanism associated with T1particles in two Al-Li-Cu alloys[J]．Journal De Physique，1987(9)：373-383．

[14]GREGSON P J，FLOWER H M．Microstructural control of toughness in aluminium-lithium alloys[J]．Acta Metallurgica，1985，33(3)：527-537．

[15]李劲风，郑子樵，任文达．第二相在铝合金局部腐蚀中的作用机制[J]．材料导报，2005，19(2)：81-83．

(LI J F，ZHENG Z Q，REN W D．Function mechanism of secondary phase on localized corrosion of Al alloy[J]．Material Review，2005，19(2)：81-83．)

[16]林毅，郑子樵，韩烨，等．热处理工艺对2A97铝锂合金拉伸性能和腐蚀性能的影响[J]．中国有色金属学报，2012，22(8)：2181-2186．

(LIN Y，ZHENG Z Q，HANG Y，etal．Effects of heat treatment process on tensile and corrosion properties of 2A97 Al-Li alloy[J]．The Chinese Journal of Nonferrous Metals，2012，22(8)：2181-2186．)

(责任编辑：徐永祥)

Effect of Pre-sretching Processing on Microstructures and Properties of 2A97 Al-Li Alloy

YU Juan,LU Zheng,LI Guo′ai,FENG Zhaohui

(Beijing Engineering Research Center of Advanced Aluminum Alloys and Applications，Beijing Institute of Aeronautical Materials，Beijing 100095，China)

The effect of pre-sretching processing before artificial aging on the microstructures and properties of 2A97 Al-Li alloy was investigated by using tensile test，corrosion test and transmission electron microscope(TEM) observations. The results show that under the same aging process, the tensile strength and the corrosion property of 2A97 Al-Li alloy are greatly increased after 3% pre-sretching; the tensile strength increases 32 MPa, and intergranular corrosion level changes to pitting corrosion. The pre-sretching promotes the T1phase precipitation and makes its distribution more dispersive and homogeneous at matrix, reducing the content of the δ′phase, while the precipitation of equilibrium phase is restrained during the aging process, consequently improving the tensile strength and the corrosion property.

2A97 Al-Li alloy; pre-stretching; precipitated phase; tensile property; intergranular corrosion

2015-11-05；

2016-02-25

国家自然科学基金(51374187，51474195)

于娟(1988—)，女，硕士研究生，(E-mail) yuer1437@126.com。

10.11868/j.issn.1005-5053.2016.5.004

TG146.2

A

1005-5053(2016)05-0021-05