热轧对2060铝锂合金淬火敏感性和非均匀析出行为的影响

《Vacuum》：Effect of hot rolled on quenching sensitivity and heterogeneous precipitation behavior of 2060 aluminum-lithium alloy

Al-Li合金热轧工艺显著提高淬火敏感性，导致表面与中心层力学性能差异增大。微观分析表明热轧后晶界密度增加，促进θ相和T1相异质析出，尤其是高密度位错区域析出更细小的T1相。实验发现，经热轧的合金在145mm端距下拉伸强度下降26.8%，屈服强度下降39.7%，远高于未热轧样品的9.1%和14.3%。这种差异源于热轧诱发动态再结晶和晶界重构，导致淬火过程中过饱和固溶体分解析出粗大θ相，阻碍后续T1相析出，最终降低合金强韧性。

　　本文探讨了热轧对2060铝锂合金淬火敏感性和异质析出行为的影响。通过拉伸测试与微观结构表征相结合的方法，研究者发现热轧显著提升了该合金的淬火敏感性。具体而言，当端距从5 mm增加到145 mm时，未经热轧的样品在淬火后，其抗拉强度下降了9.1%，屈服强度下降了14.3%；而经过热轧的样品，抗拉强度下降了26.8%，屈服强度下降了39.7%。这些数据表明，热轧过程改变了合金内部的微观结构，从而对淬火后性能产生更明显的影响。

在淬火过程中，合金的冷却速率决定了析出行为的复杂程度。对于未经热轧的样品，当冷却速率为4.8 °C/s时，仅观察到少量的异质析出物在晶界（θ相）和晶内（θ和T?相）形成。相比之下，热轧样品中出现了更多的θ相析出物，这些析出物不仅分布在晶界和晶内，还出现在Al??Cu?Mn?和不协调的Al?Zr粒子上。此外，在高位错密度的亚晶界、位错以及Al??Cu?Mn?区域，也观察到了T?相的析出。这些异质析出物的形成表明，热轧样品在慢速淬火过程中，析出行为更加复杂，且析出物的种类和分布范围都比未经热轧的样品更为广泛。

值得注意的是，慢速淬火过程中形成的异质析出物会消耗大量的铜原子，这可能会抑制后续时效过程中T?相的析出，从而导致合金整体强度的下降。这种现象揭示了淬火敏感性与析出行为之间的相互作用，即淬火过程中形成的析出物对时效强化效果产生不利影响。因此，研究者认为，提高淬火敏感性可能会对合金的最终性能产生负面影响，特别是在需要高强度和高硬度的应用场景中。

为了进一步理解热轧对2060铝锂合金的影响，研究者对不同淬火速率下的样品进行了分析。结果显示，热轧不仅改变了合金的晶粒组织，还影响了异质析出物的类型、析出位置、数量和尺寸。通过这些分析，研究者能够更清晰地描绘出热轧前后异质析出行为的变化，从而揭示铝锂合金淬火敏感性的机制。这些发现为改善铝锂合金的淬火敏感性提供了理论依据，同时也为优化其加工工艺提供了参考。

铝锂合金因其优异的性能，在航空航天领域具有广泛的应用前景。这类合金不仅具有较高的比强度和刚度，还具备良好的耐腐蚀性和热稳定性。锂元素的加入显著提高了铝合金的弹性模量和刚度，同时降低了合金的密度。研究表明，每增加1%的锂含量，合金的密度可减少约3%，而弹性模量可提升约6%。因此，铝锂合金在航空航天结构件中的应用，可以有效减轻重量并提高结构的刚度，这对新一代航空航天设备的轻量化和高性能化具有重要意义。

然而，铝锂合金的淬火敏感性也带来了挑战。在厚截面的结构件中，淬火速率在不同厚度位置存在显著差异，从而导致微观结构和性能的不均匀性。当淬火速率较慢时，过饱和固溶体会发生分解并析出，形成粗大的异质析出物，这会抑制后续时效过程中析出物的形成，进而降低合金的机械性能。此外，粗大的析出物还可能引发裂纹的萌生和应力集中，降低合金的断裂韧性。而时效强化相的减少则直接导致合金中心区域的强度和硬度下降。

因此，为了满足新一代航空航天设备对厚截面铝锂合金板材的要求，有必要降低其淬火敏感性，并提高淬火穿透层的深度。研究表明，热变形是影响铝锂合金淬火敏感性的重要因素。塑性变形（如轧制、挤压、锻造等）会提高淬火敏感性，而变形过程中储存的能量则成为再结晶的动力。再结晶后的晶粒、亚晶粒和高角晶界有助于淬火析出物的形成，从而导致时效后的性能下降。因此，控制热变形的程度和方式，对于优化铝锂合金的淬火敏感性具有重要意义。

为了深入研究热轧对2060铝锂合金的影响，研究者通过端淬火实验获取了连续变化的淬火速率，并对不同淬火速率下的性能进行了分析。实验中使用的2060铝锂合金是通过区域真空熔炼工艺制备的，其真空度达到5×10?? Pa。板材的厚度为4 mm，化学成分见表1。在实验过程中，样品首先经过单级均匀化处理，处理温度为500 °C，时间为24小时。随后，样品被快速冷却到室温水，以形成过饱和固溶体。

通过实验数据的分析，研究者发现热轧对2060铝锂合金的晶粒组织产生了显著影响。未经热轧的样品主要由不规则的等轴晶粒组成，晶粒尺寸和晶界数量均较少。而经过热轧的样品则表现出更为复杂的晶粒结构，包括更多的亚晶粒和高角晶界。这些变化为后续的析出行为提供了不同的条件，使得不同区域的析出物种类和数量发生变化。

此外，研究者还对不同淬火速率下的析出行为进行了详细分析。结果显示，淬火速率的增加有助于析出物的形成，而淬火速率的降低则可能导致析出物的减少。这种现象表明，淬火速率是影响析出行为的重要因素。同时，析出物的形成位置也受到晶粒结构和位错密度的影响，这进一步说明了热轧对合金性能的复杂影响。

综上所述，热轧对2060铝锂合金的淬火敏感性和异质析出行为产生了显著影响。通过拉伸测试和微观结构表征，研究者发现热轧增加了淬火敏感性，导致不同区域的性能差异加大。同时，热轧改变了合金的晶粒组织，使得析出物的类型、数量和分布范围发生变化。这些发现不仅揭示了铝锂合金淬火敏感性的机制，还为改善其淬火敏感性提供了理论依据。通过进一步的研究和优化，有望在保持合金优异性能的同时，降低其淬火敏感性，从而满足航空航天领域对高性能材料的需求。