预变形方法对2195 Al–Cu–Li合金老化微观结构及热阻的影响

《Journal of Alloys and Compounds》：Influence of pre-deformation methods on aging microstructure and thermal resistance of 2195 Al–Cu–Li alloy

　　

邹玉阳|叶一萌|王涛|邹勇|郭富强|刘忠利|段书伟

烟台大学核装备与核工程学院，中国烟台264005

摘要

2195 Al–Cu–Li合金在中温服役条件下的热稳定性对先进航空航天结构至关重要。本研究系统地探讨了两种预变形方式（5%预拉伸和18%预轧）对2195 Al–Cu–Li合金老化行为、微观结构演变及热阻力的影响。结果表明，这两种预变形方法均加速了老化过程，并细化了T₁（Al₂CuLi）沉淀物的形成，显著缩短了峰值老化时间并提高了硬度。其中，5%预拉伸样品表现出最快的峰值老化响应和最高的峰值硬度；而18%预轧样品形成了最细密、最均匀的T₁沉淀物，虽然室温强度较高，但塑性显著降低。相比之下，5%预拉伸样品的沉淀物分布和位错亚结构更为平衡，从而在200°C长期服役条件下保持了更好的强度-塑性协同性及硬度。总体而言，5%预拉伸更适合中温服役环境；而当主要目标是提高室温强度时，18%预轧更为有利。这些发现为提升2195 Al–Cu–Li合金在中温应用中的服役性能提供了理论依据和工艺优化策略。

引言

Al–Cu–Li合金因其低密度、高断裂韧性以及优异的疲劳和耐腐蚀性能而在交通运输和航空航天领域得到广泛应用。作为第三代Al–Cu–Li合金的代表，通过精确控制Cu和Li的含量，并添加Mg、Ag、Zn、Mn和Zr等微量元素，实现了性能的优化。这些特性使其在发射车辆燃料箱和飞机蒙皮等关键部件中得到广泛应用[1]、[2]、[3]。

对于航空航天材料而言，服役条件通常涉及中温和复杂的应力状态。在这种环境下，热稳定性成为衡量可靠性的关键指标。它指的是材料在保持机械稳定性的同时抵抗微观结构演变和性能退化的能力[4]、[5]。在铝合金中，中温作用会导致沉淀物粗化、溶解、相变和晶粒长大，这些都会削弱位错钉扎作用，从而降低强度和硬度[6]、[7]。在载荷作用下，位错攀移、扩散流动和晶界滑移也可能导致蠕变，因此蠕变抗力也是热稳定性的重要指标[8]。

此外，沉淀物的类型、大小和界面结构对热稳定性有显著影响。在Al–Cu–Li合金中，T₁（Al₂CuLi）相是主要的强化沉淀物，其热稳定性决定了合金在中温下的强度保持能力。引入分散体并优化合金元素等策略可以抑制沉淀物粗化和晶界迁移，从而提高微观结构稳定性和高温性能[9]、[10]、[11]。

随着可重复使用发射系统和高超音速飞行器的发展，对相应结构材料的热耐性提出了更高要求。例如，火箭可重复使用技术和下一代高超音速飞行器的研发使合金面临中温环境（100-200°C）和动态载荷的共同作用。在这种情况下，Al–Cu–Li合金在热机械耦合条件下的热稳定性和微观结构演变成为限制其进一步应用的关键问题。

T₁（Al₂CuLi）相是Al–Cu–Li合金中的主要强化沉淀物，能在高温下提供高强度和良好的抗粗化能力。研究表明，老化前的预变形通过引入位错作为强化相的优先形核位点来加速沉淀过程[12]、[13]。位错附近的应变能增加促进了溶质偏聚，从而加速和均匀化了沉淀过程[14]、[15]、[16]。尽管微合金化和预变形是优化这些合金强度-塑性协同性的两种主要方法，但不同预变形方式（如拉伸与轧制）对2195合金在中温服役条件下的微观结构和热阻力的具体影响仍不够明确。

Al–Cu–Li合金的沉淀行为受到各相之间复杂竞争的影响，并受Cu/Li比例和老化条件的强烈调控[17]、[18]。调整合金成分，特别是Li含量以及添加Ag、Zr、Mn和Mg，可以为微观结构和力学性能的优化提供重要潜力[19]、[20]、[21]。在2195合金中，淬火、预变形和人工老化后的微观状态对其最终力学性能有重要影响，这与室温加工过程中的情况不同[12]、[22]。预变形不仅优化了力学性能并缓解了淬火引起的残余应力，还通过位错介导的途径增强了T₁沉淀[23]、[24]。因此，系统研究不同预变形方法对Al–Cu–Li合金在中温热机械耦合条件下的微观结构和性能的影响具有重要意义。本研究重点探讨了预变形对2195 Al–Cu–Li合金微观结构和热阻力的影响。

因此，本研究系统地研究了5%预拉伸和18%预轧对2195 Al–Cu–Li合金在高温下的老化行为、沉淀物特性和力学性能的影响。通过将微观结构演变与不同温度下的力学性能相关联，我们旨在阐明热稳定性的内在机制，并为选择最适合中温应用的预变形方式提供依据。

章节摘录

材料

本研究所使用的实验材料为2195 Al–Cu–Li合金轧制板材。合金的化学成分通过电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP-AES，Agilent Technologies 5110）进行分析，具体成分见表1。使用高精度孔隙率和密度测试仪（AR-150VP）测得的平均密度为2.7036 g/cm³

热处理和加工

样品为矩形（3×8 cm），沿轧制方向进行线切割。图1(a)示意性地展示了样品的加工过程

力学性能

图2(a)展示了2195 Al–Cu–Li合金在160°C不同预变形条件下的时效硬化曲线。图2(b)总结了每个样品的初始硬度、最小硬度、峰值硬度以及峰值老化时间，共进行了七次测量。所有条件下的硬度均表现出快速下降，这一现象通常与老化初期Cu-Mg簇的溶解有关[25]。

讨论

结果表明，预变形方法、沉淀物特性和力学性能之间存在明显关系，尤其是在中温条件下。在淬火状态下，完全再结晶导致位错密度降低，有效形核位点减少，从而形成了粗大的T₁相沉淀物。由于T₁相是峰值老化状态下Al–Cu–Li合金的主要强化机制[39]，这种弱化效应...

结论

本研究系统地研究了预拉伸和预轧对2195 Al–Cu–Li合金老化行为和热稳定性的影响。主要研究结果如下：

(1)

预变形显著加速了2195合金的老化过程，并提高了其峰值硬度。5%预拉伸和18%预轧都在160℃的人工老化过程中显著促进了沉淀强化。这表明预变形引入的缺陷能有效...

作者贡献声明

叶一萌：数据验证与整理。邹玉阳：初稿撰写、实验研究、数据分析、概念构思。段书伟：审稿与编辑、项目监督、资源协调、资金争取。刘忠利：资源协调、项目管理。郭富强：数据分析。邹勇：项目监督、资金争取。王涛：项目监督、资源协调。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本项目得到了山东省自然科学基金（项目编号ZR2023QE152）、国家自然科学基金（项目编号52471210）和烟台大学博士科研基金（项目编号HD22B124）的支持。