预拉伸变形量对2050铝锂合金组织和性能的影响

于 娟，冯朝辉，赵唯一，姚 勇，游 文

（1.中国航发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；2.西南铝业（集团）有限责任公司 铝锂合金材料研究室，重庆 401326）

随着航空技术发展，飞机的结构重量系数正在不断下降，机体结构的高可靠/长寿命的要求也在不断提高，铝锂合金作为机体用轻量化结构材料，发展前景良好[1-4]。2050铝锂合金厚板作为拟取代7050-T7451铝合金的第三代Al-Cu-Li系合金，是在第二代铝锂合金的基础上，通过降低Li含量，增加主合金化元素Cu和微合金化元素（Zn、Ag、Mn和Sc）等含量，获得了更加匹配的强韧性、优异的耐损伤和耐疲劳性能，已经在空客A380-800和A380-800F上实现了装机应用[5-8]。Al-Cu-Li系合金属于可热处理强化的铝锂合金，热处理工艺参数如时效温度和预拉伸变形量影响合金的析出相种类、分布和尺寸，进而改变合金性能[9]。张显峰等[10]研究了自然时效状态下，预拉伸处理对铝锂合金微观组织和性能的影响，结果表明，随预拉伸变形量的增大，合金的屈服强度持续增加，抗拉强度先降低后趋于平稳，合金性能的变化主要取决于基体内位错密度和主要强化相δ′的分布情况。Vincent等[11]研究发现通过改变人工时效制度可以改变2050铝锂合金晶内和晶界处的腐蚀形貌，进而影响合金的腐蚀敏感性。目前我国铝锂合金的发展与国外尚存一定差距，而且关于人工时效状态下第三代铝锂合金力学性能和腐蚀性能的综合研究较少，因此，有必要对该状态下铝锂合金预拉伸变形对合金组织和性能的影响进行系统研究，明确性能变化机理。

本文以2050铝锂合金为研究对象，研究预拉伸变形量对人工时效状态下合金的室温拉伸性能与抗晶间腐蚀性能的影响，同时对不同状态合金的微观组织进行对比，为铝锂合金的组织设计与制备工艺的研究提供依据。

1 试验材料与方法

试验所用材料为某公司提供的20 mm厚2050铝锂合金板材，化学成分（质量分数，%，下同）为：3.54Cu、0.91Li、0.36Mn、0.38Ag、0.12Zr、0.37Mg、<0.05Zn、≤0.10Ti、≤0.10Fe、<0.05Si，余量Al。板材经530℃×2.5 h固溶后，水冷，沿厚板轧制方向进行预拉伸变形处理，变形量分别为0%、2.5%、3.0%、3.5%、4.0%、4.5%和5.0%。将变形后的板材进行人工时效处理，时效制度为145℃×20 h。

将时效处理后的板材沿纵向（L）和横向（LT）方向取拉伸试样，试样尺寸为M16 mm×110 mm，在INSTRON型拉伸试验机上按GB/T 228.1—2010《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》进行拉伸，取3个平行试样拉伸结果的平均值作为最终拉伸性能。

透射电镜分析在JEM-2000 CX型电镜上进行。将时效后的试样线切割成0.5 mm的薄片后手动研磨至100μm以下，然后在双喷电解仪上进行透射试样制备。

晶间腐蚀试验按照GB/T 7998—2005《铝合金晶间腐蚀测定方法》进行，在腐蚀介质中浸泡6 h后取出，清洗干净后切取截面进行研磨抛光，在光学显微镜下进行晶间腐蚀形貌观察并测量最大腐蚀深度。

2 试验结果与分析

2.1 拉伸性能

图1为不同预拉伸变形量下时效态铝锂合金L和LT向的室温拉伸性能。从图1可以看出，不同方向合金的拉伸性能变化规律相同。在本试验的预拉伸变形量范围内，变形量在0%～4.0%内，随变形量的增比，合金的强度逐渐增加，伸长率逐渐降低，预拉伸变形量大于4.0%后，强度和伸长率趋于稳定。未经预拉伸变形时，厚板L向的Rm（抗拉强度）为465 MPa，Rp0.2（屈服强度）为296 MPa，A（伸长率）为17.8%，LT向的Rm为449 MPa，Rp0.2为293 MPa，A为22.8%，经过2.5%的预拉伸变形后，厚板强度显著提高，L向的Rm提高到532 MPa，Rp0.2为481 MPa，A为14.0%，LT向的Rm提高到522 MPa，Rp0.2为462 MPa，A降为15.5%。变形量为5%时，厚板L向的Rm为565 MPa，Rp0.2为538 MPa，A为12.9%，LT向的Rm为556 MPa，Rp0.2为518 MPa，A为13.4%。

图1 不同预拉伸变形量下时效态2050合金拉伸性能Fig.1 Tensile properties of the aged 2050 alloy under different pre-stretching amounts

2.2 晶间腐蚀

图2为不同预拉伸变形量下时效态铝锂合金厚板的晶间腐蚀形貌，表1为最大晶间腐蚀深度值。可以看出，未经预拉伸变形的试样存在明显的晶间腐蚀现象，最大腐蚀深度为111.714μm，按GB/T 7998—2005《铝合金晶间腐蚀》可知，腐蚀等级为4级；经过不同预拉伸变形量处理后的试样腐蚀类型均为点蚀，而且随预拉伸变形量的增大，铝锂合金的最大点蚀深度逐渐减小，变形量为2.5%时，点蚀坑深度为148.629μm，腐蚀等级为4级，变形量为5%时，点蚀坑深度最小，为81.600μm，腐蚀等级为3级。

图2 不同预拉伸变形量下2050合金晶间腐蚀形貌Fig.2 Intergranular corrosion morphologies of the 2050 alloy under different pre-stretching amounts

表1 不同预拉伸变形量下时效态2050合金最大晶间腐蚀深度Table 1 Maximum depth of intergranular corrosion of the aged 2050 alloy under different pre-stretching amounts

2.3 微观组织

图3为不同预拉伸变形量下时效态2050铝锂合金厚板沿基体[110]晶带轴观察到的晶内明场和暗场像形貌。可以看出，合金基体内主要存在两种不同的析出相，分别为尺寸较大的呈长针状交错分布的析出相和尺寸较小的呈短针状相互垂直分布的析出相，根据文献[12]，可以确定交错分布的析出相为T1（Al2CuLi）相，垂直分布的析出相为θ′（Al2Cu）相。从TEM照片可以看出，预拉伸变形量为0%时，合金基体内的析出相主要为θ′相，T1相析出数量较少，长度大约为70 nm；变形量增大到2.5%时，明场像和暗场像内T1相数量均明显增多，而且尺寸增大，长度增加到100 nm左右；随变形量的增大，晶内T1相数量逐渐增多，分布更为密集，尺寸更均匀一致；预拉伸变形量>4.0%时，析出相数量和尺寸变化趋于平缓。

图3 不同预拉伸变形量下时效态2050合金TEM照片Fig.3 TEM images of the aged 2050 alloy under different pre-stretching amounts

2.4 分析

可热处理强化的Al-Cu-Li系合金性能受合金的宏微观组织变化影响，特别是组织中织构、晶粒形貌、晶界特性和析出相的种类、尺寸、体积分布等，而合金的组织特征又取决于合金制备过程的各阶段工艺[13-15]。本文所研究的2050铝锂合金，除预拉伸变形量改变外，其他工艺参数相同，因此合金织构、晶粒形貌、晶界无明显差别，合金性能的变化主要与析出相的种类和分布有关。人工时效状态下2050铝锂合金的主要析出相为T1相和θ′相，因此合金强度的提高主要依赖于T1相和θ′相体积分数的增大和分布的弥散均匀程度增加。对固溶水冷后的厚板施加一定量的预拉伸变形，合金晶体内亚晶界数量增加，而亚晶界处堆积了大量位错[16]，随预拉伸变形量增大，晶内位错密度逐渐增加，当变形量增大到一定程度后，位错密度趋于稳定。厚板未经预拉伸变形时，由于晶内位错密度低，基体内的主要析出相为数量较少的θ′相，这是因为与T1相相比，θ′相与铝基体共格，界面能及共格应变能低，优先在基体内析出。施加预拉伸变形后，随变形量增加，晶内位错密度逐渐增大，合金的主要析出强化相变为T1相，T1相尺寸也逐渐增大。与θ′相相比，T1相形成的晶格畸变较大，内应变场阻碍位错运动的能力增大，因此变形量为2.5%时，晶粒内部强度显著提高，合金L向和LT向的抗拉强度和屈服强度明显提高；变形量>4.0%后，晶内位错密度变化变小，T1相析出数量和尺寸变化较小，强度趋于稳定。由于尺寸较大的T1相不可以被切过，位错绕过析出相时会在晶粒内留下位错环而导致位错塞积，引发应力集中，因此随T1相的析出及长大，合金塑性逐渐降低，T1相析出稳定后，伸长率趋于稳定。

合金腐蚀性能的变化主要和时效时析出相在晶内和晶界处的分布有关[17-18]。厚板未经预拉伸变形时，基体内的析出相主要为θ′相，而且晶界处的θ′相数量多于晶内（见图3（a）），晶界处容易形成连续网状分布，因此具有较高的晶间腐蚀倾向。增大预拉伸变形量后，合金的主要析出相变为T1相，由于较多晶体缺陷的引入，T1相并不是单纯的在晶界处析出，而是在晶内大量弥散析出，使腐蚀前期作为阳极优先溶解的T1相均匀分布，促进点蚀发生，比预拉伸变形量为0%时具有更强的点蚀倾向，晶界腐蚀倾向减小。随预拉伸变形量的增加，晶界处T1相数量逐渐减少，减缓了晶界阳极腐蚀，因此，经预拉伸变形后，合金的抗晶间腐蚀性能得到改善。

3 结论

1）预拉伸变形量影响合金人工时效后的拉伸性能。随预拉伸变形量的增加，合金L向和LT向的屈服强度和抗拉强度逐渐增加，变形量>4.0%后趋于平稳，伸长率逐渐降低后趋于稳定。变形量为5.0%时，厚板L向的抗拉强度为565 MPa，屈服强度为538 MPa，伸长率为12.9%，LT向的抗拉强度为556 MPa，屈服强度为518 MPa，伸长率为13.4%。

2）预拉伸变形量影响合金人工时效后的抗晶间腐蚀性能。随预拉伸变形量增加，腐蚀形貌由晶间腐蚀变为点蚀，点蚀深度逐渐减小。变形量为5%时，点蚀坑深度最小，为81.600μm，腐蚀等级为3级。

3）人工时效状态下，未经预拉伸变形的2050合金主要析出相为θ′相，经预拉伸变形后，合金的主要析出相为T1相。随预拉伸变形量的增加，晶内T1相析出数量逐渐增多后趋于平缓。