5A90铝锂合金显微组织及力学性能的研究

5A90铝锂合金显微组织及力学性能的研究StudyoftheMicrostructureandTensilePropertiesof5A90AluminumLithiumAlloyFENGZhao-hui1,LUZheng1,SUHai2,YANHao2,ZHENGYing-zhu2,GAOWen-li2?k(1.BeijingInstituteofAeronauticalMaterials,Beijing100095,China;2.CollegeofMaterialsScienceandEngineering,HunanUniv,Changsha,Hunan410082,China)Abstract:Themicrostructureandtensilepropertiesof5A90aluminum-lithiumalloyrolledplateafterheattreatmentwerestudiedwithopticalmicroscope,scanningelectronmicroscopeandtransmissionelectronmicroscope.Theresultsshowedthatthemicrostructureoftheas-rolledplatepresentedanisotropy.Equiaxedgrainappearedintherollingplane.Themicrostructureinthelongitudinalsectionandcrosssectionpresentedarollingstreamline.Therewereasmallnumberofrecrystallizedgrainswithinthealloy.Withtheageingheattreatmentat130℃afterthesolidsolutionof460℃/20min,thehardnessofthealloyincreasedcontinuouslywithageingtimeuntil20hourpeak-ageing,thenthehardnessdroppedslowly.Themainprecipitatestrengtheningphaseof5A90alloywasδ'(Al3Li)phase,andtherewasagoodcoherentrelationshipbetweenδ′phaseandthematrixatpeak-ageing.Theultimatetensilestrength,yieldstrengthandelongationwere512MPa,437MPaand7.5%,respectively.Themainfracturemannerof5A90aluminum-lithiumalloywasdimplefracture,delaminationcrackingandcrackingalongthesub-boundaries.Tensilefracturesurfacesshowedthemixedcharacteristicsofductilefractureandbrittlefracture.Keywords:5A90aluminum-lithiumalloy;agingheattreatment;microstructure?お?铝锂合金具有低的密度、高的比强度和高的比刚度、优良的耐热性能以及卓越的超塑成形性等优点，用其代替常规铝合金，可使结构件质量减轻10%~15%，刚度提高15%~20％，是一种理想的轻质高强结构材料，在航空、航天领域得到了广泛的应用［1］.作为飞机的主要结构材料，用于提高飞机结构效率、减轻飞机机身重量、改进飞机性能，潜在经济效益极大，被认为是21世纪飞行器的主要结构材料［2-3］.发达国家在铝锂合金的研究、生产及应用等方面都取得了巨大发展.目前，国外有20多种铝锂合金的生产已达到工业化水平.美、欧等国已能生产重6~20t的铸锭，而俄罗斯则已具备生产重25t铸锭的能力.美、欧、俄等国在铝锂合金的轧制、挤压、锻造等方面的生产技术水平已接近常规铝合金.特别是20世纪90年代，第二代铝锂合金2094,2095,2097,2195,2197,1460等合金的研制成功为其应用提供了更为广阔的前景［4-6］.5A90铝锂合金属于Al-Mg-Li系合金，是目前国产最轻的商业铝合金.与其它铝锂合金相比，其密度更低，焊接性能、抗腐蚀性能和低温性能更优异，它的生产主要是为了满足我国新战略武器及战机对结构用材轻量化的迫切需求［7］.本文通过对5A90铝锂合金微观组织与力学性能的研究，为该合金在航空航天领域的应用提供重要的依据，从而推动5A90铝锂合金的大批量生产及在新型飞机上的应用.1实验方法实验所用5A90铝锂合金冷轧板由北京航空材料研究院提供.合金成分为Al-5.1%Mg-2.2%Li-0.09%Zr.5A90铝锂合金轧板经460℃/20min固溶处理，冷水淬火，在130℃下进行时效（0~40h）.硬度测试在HBRVU-187.5型布洛维光学硬度计上进行，负荷为612.9N，加载时间为30s.在Axiovert40MAT蔡司金相显微镜和S-4800扫描电镜上进行5A90铝锂合金显微组织和断口形貌观察；微观形貌观察在H-800型及JEM-3010型高分辨透射电镜下进行.结果及分析轧制态组织图1为5A90铝锂合金轧制板材的金相组织照片，3个取向分别为轧制平面(⊥z)、横截面（⊥y）和纵截面（⊥x）.可以看出，5A90合金轧板空间组织形貌呈薄饼状.其中，轧制平面的晶粒呈等轴状（见图1(b)），纵截面和横截面均为普遍的轧制流线组织并有少量细小的再结晶晶粒（见图1(c),(d)）.5A90铝锂合金轧制板材在纵向、横向及轧制方向上的组织有较明显的差别.轧制变形过程中，合金晶粒取向会发生特定的转变，由离散区转向聚集区，从而导致了晶体学织构的产生，在宏观上表现为各向异性［8-10］.热处理工艺及其组织图2为5A90铝锂合金轧板经460℃/20min固溶处理，水冷，于130℃时效处理的硬度-时间曲线.由图可以看出，随时效时间延长合金硬度迅速上升，在时效20h达到峰值，随后硬度缓慢下降.形加工过程所消耗的能量大部分会转变成热散发掉，但仍有少部分能量以弹性变形和增加金属内缺陷空位、滑移和位错等（见图3(a)）的形式储存起来.同时，合金在经过多道次轧制塑性变形加工过程中产生的应力集中也会通过向晶内激发位错来进行松弛［11-12］.这些位错及亚晶界可以为析出相的形核提供形核位置及原子扩散通道，降低形核能，从而促进其析出，提高合金的强度.图4为5A90铝锂合金高分辨电镜照片.由图可见，20h峰值时效处5A90铝锂合金的析出相与Al基体存在良好的共格关系（见图4(a)）.随着时效时间的延长，析出相与基体共格关系明显变差，呈半共格关系（见图4(b)）.图5为析出相的电子衍射斑点及其相应衍射斑标定.图中最为明亮的是Al基体，同时还可以清晰地看出δ′相和β′相的超点阵衍射斑点.由衍射斑可知，5A90铝锂合金的主要析出相是δ′相，也存在β′相.析出相δ′粒子与基体共格关系良好（见图5(b)），同属面心立方LI2型［10］.透射电镜分析结果表明，Al-Mg-Li系的5A90合金具有明显时效强(硬)化特性，主要是因为δ′相的析出和长大.在时效初期，δ′相的尺寸非常细小，在高分辨照片中能够观察到这种析出相及其超点阵衍射斑点（见图4和图5）.2.3力学性能及断口分析表1为5A90铝锂合金力学性能.经20h的时效热处理后，抗拉强度达到峰值，这与时效硬化曲线是一致的.图6为5A90铝锂合金拉伸断口形貌，拉伸断口存在垂直于主断面的二次裂纹（见图6(a),(c)），对其进行高倍观察，可以看出断口有大量的近等轴的浅小韧窝（见图6(b),(d)）.从断裂机理看，断裂方式为微孔聚集型裂纹；大多晶粒被切断，故根据裂纹扩展的途径来说，断裂方式为穿晶型断裂；虽然在断裂前有微小的塑性变形，但不明显，故断口为韧性与脆性混合断裂.Al-Mg-Li三元合金沉淀顺序为：α(过饱和固溶体)→δ′(Al3Li)→S(Al2MgLi).从时效硬化曲线来看，Al-Mg-Li合金具有明显的时效硬化和强化特性［11-12］.这主要归因于铝锂合金中的主要强化相δ′的析出和长大.δ′相的界面能为14mJ/m［12-13］，因此δ′的形核能较低，使得在后续较高温度的人工时效过程中有大量的弥散δ′相同时长大，形成了较小尺寸的析出相，利于提高合金的塑性和强度.在5A90铝锂合金中，主要强化相δ′与基体共格，点阵错配度只有0.08%［14］.可以有效阻止位错移动，从而增加合金的强度.在Al-Mg-Li合金中，Mg的强化作用很小，对强度的贡献主要是固溶强化.由于在5A90铝锂合金有较高含量的Mg，Mg的存在可降低Li在Al中的固溶度，从而促进了δ′的析出，使得δ′相的体积分数较大，所以5A90铝锂合金中的强化更多地来自于δ′的体积分数［10-15］.也正是由于大量δ′的析出才使合金且有十分显著的时效特性.铝锂合金的断裂方式取决于晶界和晶内的强度之差，当晶界强度高于晶内时，裂纹沿晶内扩展，发生穿晶断裂，当晶界强度低于晶内时，裂纹沿晶界扩展，发生沿晶断裂.由于5A90强化相δ′尺寸较小，没有达到发生位错由切过到绕过的尺寸，晶内强度较弱，故发生穿晶断裂.5A90在被拉断的过程中，其较易变形的基体首先在刚度较大的第二相粒子周围塑性流动并引起微空隙形核，使基体与第二相的界面处开裂从而形成空洞.通过空洞的联接就会产生裂纹，并长大发生断裂.因为铝锂合金系合金的强化机理是由于呈球状的沉淀相δ′与母相的共格，故其断裂韧性低.δ′相可被位错切割，一旦位错通过，该部分的截面积便减小，以后的位错易沿此面通过，滑移也容易集中于此.位错在此滑移面与晶界交叉处堆积，引