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2099和2196合金属于是第三代新型铝锂合金。Alcoa公司研发的2099合金具有平面各向异性小,横向延展性高,裂纹扩展速率低,耐蚀性良好等优点,已用在A380客机机身结构件;而2196合金属于Alcan公司开发的Weldalite049系合金,具有较高的强度和优异的抗腐蚀性能,并具有良好的耐损伤性能,可替代7075合金作为飞机机身面板及机翼横梁等的主结构件,也已用作A380客机的机翼和机身桁条。目前关于这两种合金的微观组织及拉伸力学性能关系未见详细报道。因此,深入探讨2099和2196合金的组织与性能之间关系,以及Mg、Zn在2099合金中的合金化作用和Mg、Ag在2196合金中的合金化作用,对合金未来的研究与利用具有重要的意义。
本文借助金相、扫描电镜和透射电镜等微观组织观察手段,以及硬度测量,力学性能测试等方法,详细研究了不同热处理制度下的2099和2196合金微观组织与常规拉伸力学性能之间的关系,另外也探讨了2099合金中所含的Mg、Zn元素的作用,以及2196合金所含的Mg、Ag元素的作用,得到以下结论:
(1)2099和2196合金时效处理后,无论其是在T6单级或双级还是在T8状态下,合金的抗拉强度均随时效时间的延长逐渐增加,到达一定的时间后达到峰值,随后进入过时效阶段,强度缓慢降低,延伸率则随时效时间延长降低。两种合金时效前的预拉伸变形抑制了δ相的粗化,促进了T1相的形核析出,加强了T1相的沉淀强化效果,显著改善了合金的组织,使合金的力学性能较T6单级和双级处理得到提高。
(2)2099合金T6态单级时效最佳的时效制度为540℃×40min固溶,175℃×40h时效,σb=559Mpa,σ0.2=499Mpa,δ=7.2%;T6双级处理适当的时效工艺为540℃×40min固溶,120××24h+163℃×56h时效,σb=575Mpa,σ0.2=504Mpa,δ=7.8%;T8态最佳时效工艺制度为540℃×40min固溶,3%预拉伸变形+150℃×30h时效,σb=625Mpa,σ0.2=601Mpa,δ=6.1%。
(3)2196合金T6态单级时效最佳的时效制度为540℃×40min固溶,175℃×40h时效,σb=655Mpa,σ0.2=603Mpa,δ=7.6%;T6双级时效处理适当的工艺为540℃×40min固溶,120℃×24h+163℃×56h时效,σb=636Mpa,σ0.2=564Mpa,δ=7.8%;T8态最佳热处理制度为540℃×40min固溶,3%预拉伸变形+150℃×24h时效,σb=705Mpa,σ0.2=684Mpa,δ=5.1%。
(4)T6双级时效工艺条件下,2099合金较T6单级处理,强度有所增加,并且延伸率也有一定的提高;2196合金T6单级处理相比,强度减小,但降幅不大,且延伸率得到极大提高。
(5)T6单级峰时效条件下,含Mg不含Zn的2#合金较同时含Mg和Zn的1撑合金析出的T1相密度小很多,而含Zn不含Mg的3#合金较1#合金析出相中不含θ′相,这表明Mg促进了θ′相的析出,而Zn促进了T1相的形核析出。同时含Mg和Zn的1#合金时效强化效果明显较其他两种合金好,Mg和Zn分别在促进θ′相和T1相析出的同时,Mg与Zn之间产生交互作用抑制了δ′相的长大粗化。
(6)T6单级时效工艺情况下,同时含Mg和Ag的4#较单独含Mg的5#合金析出的T1相多一些,但是合金T6态下是以δ′相和θ″/θ′相为主要的强化相,T1相很少,并不是主要的强化相,并且T1相的析出抑制了合金中δ′相和θ″/θ′相的析出长大。因而T6态下,在4#合金(2196 alloy)中添加微量Ag,较含Mg不含Ag的5#合金强度没有提高。同时含Mg和Ag的4#较单独含Ag的6#合金析出了更多的θ′相和T1相,这表明Mg的添加促进了θ′相和T1相的析出。
(7)合金经过T8处理后,硬度和强度均明显高于T6状态。峰值时效态,几种合金均析出大量尺寸细小、弥散的T1相,且T1相的体积分数均高于T6状态。这是由于时效前引入预拉伸变形在基体内产生大量的位错,为T1相在晶内形核提供有利的形核位置,从而促进T1相在晶内的细小弥散析出。
(8)2099和2196合金经过T8处理后,峰值强度差值较T6处理明显减小,这说明T8处理在提高合金强度的同时分别削弱了Mg、Zn和Mg、Ag元素的微合金化元素的作用。