时效处理对2198 铝锂合金硬度及力学性能的影响

漆 诚，彭亮亮，吕 晨，吴莉华

（航空工业江西洪都航空工业集团有限责任公司，江西 南昌330000）

铝合金具有优异的综合性能、成熟的设计和加工方法及可靠的检测手段，成为航空航天飞行器主要结构材料[1]。铝锂合金因是理想的航空航天高质量结构材料和其优异的综合性能而被广泛应用于航空航天领域[2]。2198 铝锂合金是近年来发展起来的新型第三代铝锂合金，由于其密度低、高低温综合力学性能好、耐腐蚀性好、疲劳裂纹扩展速率低等优点，在航空航天领域必将具有广阔的应用前景。美国航天中心已用加铝公司制造的2198-T8 铝锂合金取代2219-T8 铝合金生产出火箭的第一、二级燃料桶及桶盖，并已使用该火箭成功向国际空间站运送物资[3]。

铝锂合金主要通过固溶+时效的热处理方式产生沉淀硬化，铝锂合金自然时效的主要强化相是金属化合物δ′（Al3Li）[4]。在二元Al-Li 中加入铜和镁，可有效的提高合金强度。更重要的是铜、镁原子与δ′相会复合产生富Cu 相和富Mg 相，促进稳定的T1（Al2CuLi）相的生成[5]。在2198 等Al-Li-Cu-Mg 系铝锂合金中，T1相作为δ′相的结晶核心形成复合强化，阻止并分散了平面滑移，从而起到合金强化作用[6-7]。实际上，铝锂合金的成分比较复杂，在不同结晶条件和热处理冷却速度下所沉淀的相，可有多种多样，不同的合金热处理制度，可以生成各种合金的稳定沉淀相和亚稳定杂质相。除产生δ′和T1相外，当过饱和固溶体在室温自然时效时，还会在固溶体的特定晶面上形成GP 区，构成提高变形抗力的共格应力场，合金强度开始增加，当GP 区极度弥散时，达到峰值强度，当在较高温度进行时效时，还会析出θ″、θ'、θ、T2、T、S″、S'、S 等相[8-9]。总的来说，加入微量合金元素使合金析出的相更加复杂，但同时也使合金获得了更佳的综合性能。当前，我国C919 大飞机选用了新型2198 铝锂合金，该合金添加了除常规的Al、Li、Cu、Mg 元素外，还加入了Zr、Ag、Mn、Zn 等多种元素，合金化程度非常高，而且目前已经在讨论使用该材料作为C919 蒙皮材料的可能性。然而，目前关于其时效性能的研究并不多见。本文针对2198 铝锂合金由自然时效的T3 态到人工时效的T83 态转变后的力学性能及硬度变化等，找寻其综合性能优异的区域，为确定该合金板材的最佳热处理工艺提供参考依据。为该铝锂合金在C919 大飞机上更好的应用打下基础。

1 材料与方法

试验材料为采购至加铝公司的2198-T3 板材，板材厚度为4mm，该材料名义化学成分见表1。硬度测试试样加工成尺寸为40mm×40mm 的小方块。拉伸试样分别按照垂直于轧制方向（LT）和轧制方向（L）两个不同方向加工成210mm×25mm 的小长条，然后按照ASTM E8 的要求加工成标准拉伸试样，标距为50mm。选择单级时效温度150℃、155℃、160℃、165℃，分别在6h、12h、24h 开展人工时效处理，并进行室温拉伸力学性能测试和金相观察。

人工时效处理在12m 空气循环炉中进行，炉温均匀性满足±3℃，系统精度满足±1.7℃，时效后的试样在FOUNDRAX Brin 200C 型布氏硬度计上进行硬度测试。在万能电子拉力机CMT5205 上进行力学性能测试，名义拉伸速度2mm/min。利用DMIRM 5000 金相显微镜观察不同热处理状态下的显微组织变化，腐蚀液为2：3：5：190 的分析纯化学试剂HF+HCL+HNO3以及去离子H2O。

表1 2198 铝锂合金名义化学成分

2 结果与分析

2.1 人工时效后铝锂合金的硬度变化

图1 为合金在T3 状态下通过人工时效热处理处理到T83 状态后硬度随时间和温度的变化曲线。从图中可以看出，在155℃、160℃人工时效时，在0～6h 时效初期试样硬度随时间变化非常缓慢，仅从108HBW 上升到111HBW；并且在150℃时效时，在时效初期还出现了硬度下降的情况；随着时效时间的延长，在150℃～155℃，试样硬度快速增加。在165℃时效时，硬度随时效时间延长明显上升，并在24h 左右达到峰值；从图中还可看出，在165℃时效12h 后，随着时效时间继续延长，试样硬度变化趋势放缓。

2.2 时效后合金的室温力学性能变化

图2 为合金在165℃，进行0h、6h、12h、24h 人工时效后L 及LT 方向抗拉强度Rm、屈服强度Rp0.2随时效时间的变化曲线。从图中可看出，时效初期随着时效时间的延长，试样强度明显提高，尤其是屈服强度提高显著，至时效12h 时，L 方向试样屈服强度从44.4KSI 上升至67.0KSI，LT 方向试样屈服强度从39.9KSI 上升至63.3KSI。12h 后，试样强度增加缓慢，有见顶迹象。

2.3 时效后合金的延伸率变化

图3 为合金在165℃，0h、6h、12h、24h 人工时效后L及LT 方向拉伸后延伸率随时效时间的变化曲线。结果表明，延伸率随时效时间的延长显著下降。

图1 时效后试样的硬度随时间和温度的变化曲线

图2 165℃时效后试样的L 及LT 方向Rm 和Rp0.2 随时间的变化曲线

图3 165℃时效后试样的L 及LT 方向延伸率随时间变化曲线

2.4 试验结果分析

T83 状态的2198 铝锂合金较T3 状态的合金硬度和强度大幅提高，但延伸率大幅下降。在155℃、160℃人工时效时，在0～6h 时效初期试样硬度随时间变化非常缓慢，并且在150℃时效时，在时效初期还出现了硬度下降的情况；随着时效时间的延长，在150℃～155℃，试样硬度快速增加。通过观察金相组织得出，造成试样硬度变化的主要原因是随着时效时间和温度的改变，合金中沉淀析出相及相得的比例发生了改变。当合金加热到固溶线以上并保温足够的时间，各种添加的合金元素可以溶解在固溶体中。当把固溶体急冷到室温或更低温度时，便获得该温度下的过饱和固溶体，这种不稳定的固溶体会发生沉淀过程，这个过程随着温度的增加和时间的延长而加快或发展。铝固溶体中铜元素富集的GP 区和低温球状面心立方δ'相就是2198 铝锂合金自然时效的主要强化相[10]。随着时效温度的升高和时间的延长，2198 铝锂合金在T3 状态中存在的GP 富铜区和低温δ′相发生溶解，这就是导致合金在150℃时效0～6h 时产生硬度下降的原因。随着人工时效温度进一步提高，δ′相的体积分数和尺寸明显减小，形成结构上与基体有差异的过度相，且在合金中大量沉淀析出密排六方结构的针状T1相[5]，该相作为δ'相的结晶核心形成复合强化，阻止并分散了平面滑移，从而起到合金强化作用，合金强度大幅提高。同时，在时效温度较高时，比起低温时，T1相析出更加容易，此时δ′相还未发生大量分解，T1相就已经大量出现且覆盖了由于δ'相溶解而造成的硬度损失，这就是为什么时效温度高时，合金并没有软化的情况，且在升温到165℃时反而显著提高的原因。通过金相观察和分析可以认为2198铝锂合金中的主要强化相是δ′相和T1相。

由图1、图2、图3 可知，合金的硬度在150℃以下时效时，随着时效时间的延长先降后升；155℃以上时效时，随着时效时间的延长逐渐变硬。在165℃时效时，合金的抗拉强度Rm和屈服强度Rp0.2随着时效温度的升高和时效时间的延长而逐渐增大，在时效12h 后趋于稳定，24h时达到极值；而合金的延伸率却随着时效时间的延长而急剧下降，在时效12h 后基本稳定。综上所述，当时效温度过低时，想要强化合金需要更长的时效时间；但是当温度过高或者时效时间过长又会出现过时效现象，导致合金发生再结晶，合金开始软化。综上分析，考虑到工厂生产的效率及节能环保的需求，所以我们认为2198 铝锂合金最佳时效制度为165℃×12h，该制度下，2198 铝锂合金能够获得优异的综合性能。

3 结论

（1）2198 铝锂合金的最佳时效制度为165℃×12h。合金硬度和强度即可达到相对峰值，且具有良好的延伸率性能。

（2）时效温度和时间的改变会显著的改变2198 铝锂合金的硬度、强度和延伸率。合金的硬度在150℃以下时效时，随着时效时间的延长先降后升；155℃以上时效时，随着时效时间的延长先升后趋于平稳。在165℃时效时，合金的抗拉强度Rm和屈服强度Rp0.2随着时效温度的升高和时效时间的延长而逐渐增大，在时效12h 后趋于稳定，24h 时达到极值；而合金的延伸率却随着时效时间的延长而急剧下降，在时效12h 后基本稳定。

（3）2198 铝锂合金时效的主要强化相是δ′相和T1相。