T6回火1420铝锂合金的短时加热与变形：温度依赖的微观结构演变及力学响应

《Journal of Alloys and Compounds》：Short-time heating and deformation of T6-tempered 1420 Al-Li Alloy: temperature-dependent microstructural evolution and mechanical response

　　

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  揭示了T6时效1420 Al-Li合金的短时加热和变形机制。
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  量化了温度和应变驱动的位错及晶界演变。
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  揭示了在120-450 °C下短时加热（≤60秒）过程中δ′析出物的部分重溶现象。
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  表明120-200 °C的变形可以有效减缓硬度损失。

引言

Al和Al-Li合金由于密度低、比强度高、弹性模量大以及良好的抗疲劳性能，在轻量化结构工程中具有非常重要的应用价值，尤其是在航空航天领域[1],[2],[3],[4],[5]。对于T6时效Al和Al-Li合金而言，热成型和高温成型是一种关键的加工方法，通常包括加热、等温保持和塑性变形的顺序过程。T6时效材料的强度主要依赖于析出强化；即使在几分钟的时间尺度上进行的短时加热、保持和变形也会导致析出物的溶解、粗化和相变，从而影响成形后的性能[6],[7],[8],[9],[10]。例如，对于T6时效的6061 Al合金[11]，在3分钟保持后进行压缩变形可以发现，提高变形温度会减弱晶粒取向对流应力的影响，并促进Mg₂Si、Al₁₅(Fe, Mn)₃Si₂和β''/β'/β相的演变，从而改变合金的耐腐蚀性。对于T6时效的7075 Al合金[12]，经过快速加热至目标温度后进行冲压，并保持5分钟，发现该合金在200 ℃下的成形性更好；而提高成形温度则会促进η'相转变为粗化的η相，从而影响成形后的强度和塑性。对于T6时效的2195 Al-Li合金[13]，在200-250 ℃下保持5-60分钟后，强度会显著变化，在200 ℃时保持较好，但在250 ℃时强度损失较大，这证实了其对变形温度和时间的敏感性很高。因此，适当调节加热和保持条件对于控制T6时效合金的微观结构和性能至关重要。

近年来，随着快速加热设备和高效率成形工艺的发展，人们对一些短时和快速加工过程越来越关注，在这些工艺中，材料在几秒到几十秒内被迅速加热后立即进行成形。与传统需要几分钟时间进行的加热和保持处理不同，这些工艺通常采用电阻加热[14]、感应加热[15]、接触加热[16]等方法，在几秒到几十秒的时间内将材料加热到目标成形温度，然后立即进行塑性变形。例如，Kumar等人[17]使用感应加热将T6时效的AW-7020 Al合金片材加热至150-250 ℃，大约需要6秒，然后保持4秒再进行温控拉伸试验。研究发现，当温度超过150 ℃时，材料的成形性显著提高；而温控成形和随后的涂层烘烤会导致η'相粗化，使抗拉强度和屈服强度分别降低约30%。Sun等人[18]通过接触加热将T6时效的7075 Al合金片材在大约11.5秒内加热至200 ℃，然后进行温控成形，结果表明快速加热可以抑制η'相转变为粗化的η相，从而使成形部件的强度和硬度分别保持在初始T6时效状态的94%和92.5%。目前，对于主要以η'/η析出物为主的7xxx系列合金的研究表明，缩短加热、保持和变形时间（几秒到几十秒）有助于抑制强化析出物的粗化。然而，对于以δ'析出物为主要强化相的Al-Li合金（尤其是1420合金），其在短时加热和变形过程中的温度依赖性微观结构和力学响应尚未明确。

1420 Al-Li合金的密度约为2.47 g/cm³，是所有Al-Li合金中最轻的一种。它已被用于飞机机身和燃油箱结构、航天器的加强面板以及导弹外壳[19],[20]。与2195和2050 Al-Li合金（密度约为2.70 g/cm³）相比，它的密度降低了8.5%，从而实现了显著的减重效果。1420 Al-Li合金是一种Al-Mg-Li合金，在时效过程中形成的析出物和位错-析出物相互作用机制与Al-Cu-Li合金（如2050和2195 Al-Li合金）有显著差异。在1420合金中，时效过程中的析出顺序为过饱和固溶体（SSS）→ δ'(Al₃Li) → S₁(Al₂MgLi)/ δ(AlLi)[21],[22]。主要的强化相是球形的δ′相，其与基体是相干性的。在塑性变形过程中，δ'析出物可以通过位错的移动而被剪切，导致平面滑移和应变局部化，从而限制了合金的塑性[23],[24]。相比之下，2195和2050合金主要通过T₁相（Al₂CuLi）和θ′相（Al₂Cu）进行强化。T₁相以圆盘状分布在铝基体的{111}面上，其与位错的相互作用主要通过Orowan旁路机制而非剪切机制进行[25],[26]。这种机制促进了位错在析出物之间的均匀分布，激活了多个滑移系，从而减少了与平面滑移相关的应变局部化，使这些合金的塑性优于1420合金。与2050和2195 Al-Li合金中的T₁相相比，1420合金中的δ′相具有较差的热稳定性和更高的粗化速率。因此，在1420合金的成形过程中，必须更加严格地控制加热时间和温度参数。

迄今为止，关于1420 Al-Li合金的微观结构演变和力学响应的研究主要集中在几分钟或更长时间尺度上，对于几秒到几十秒时间尺度的研究较少。一些研究表明，在T6时效的1420合金中，320 ℃下保持5分钟后，细小的δ′析出物部分重溶，随后在160 ℃下时效1-48小时会导致新的δ′相重新析出并与剩余的δ′相共存[27]。与在120-160 ℃下时效数小时以形成细小且分布密集的δ′析出物的处理不同，180 ℃下的时效会导致析出物粗化并显著降低其体积分数[21]。目前，尚不清楚温度如何在几秒到几十秒的时间尺度上影响T6时效1420 Al-Li合金的析出物及其相关性能。然而，这类知识对于先进的成形工艺（如基于摩擦的增材制造[28]、挤压[29]、焊接[30]和固化[31]）至关重要，因为在这些工艺中，从加热到变形的时间仅限于几十秒。

基于上述考虑，本研究选择了T6时效的1420 Al-Li合金作为研究对象，并实施了短时加热和变形方法。在120 ℃、200 ℃、300 ℃和450 ℃的温度下，以及0、0.05、0.15和0.5的应变率下，进行了一系列总循环时间不超过60秒的短时加热和压缩变形实验。全面研究了微观结构演变和力学行为的温度-应变依赖性，并确定了相关的强化机制。这些发现提供了对高强度T6时效Al-Li合金快速温控成形的机制理解，并为相关工艺提供了指导。

章节节选

实验材料与方法

原材料是通过喷涂成形后挤出制造的1420 Al-Li合金圆棒。从圆棒上切割出直径为Φ8×15毫米的圆柱形试样，其化学成分见表1。

图1a展示了1420 Al-Li合金圆柱形试样的热处理和热压缩加工流程。试样首先在管式炉中于460 ℃下时效30分钟，然后立即水淬。随后在120 ℃下进行时效处理

真应力-真应变曲线

图3a-c显示了在0.05 s^-1应变率下获得的1420 Al-Li合金的真应力-真应变曲线。可以看出，在不同的变形温度和应变条件下，试样的应力随应变的增加而增加，并逐渐趋于稳定。图3d进一步总结了不同变形条件下的最终应变下的流应力。

结论

本研究考察了T6时效1420 Al-Li合金在不同变形温度和塑性应变下的短时加热和变形行为，特别关注温度依赖的微观结构演变和力学响应。系统分析了变形带、GND密度、晶界、析出物、硬度和强化机制的演变。主要结论如下：

(1)

在短时加热过程中

CRediT作者贡献声明

Shumei Lou： 资源提供、验证。Lu Sun： 可视化、软件开发。Guoqun Zhao： 资源提供、方法论研究、数据分析。Jianru Chen： 验证、方法论研究、数据分析。Kai Wang： 可视化、验证、软件开发。Xiaohan Shang： 初稿撰写、可视化、数据分析、结果整理。Junquan Yu： 文稿修订与编辑、项目监督、方法论研究、资金获取、概念规划。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（项目编号52575409、52205388）和山东省自然科学基金支持的ZR2025LGY001项目的资助。

Xiaohan Shang|Junquan Yu|Jianru Chen|Kai Wang|Lu Sun|Guoqun Zhao|Shumei Lou