热机械处理对高耐损伤2E12铝合金微观组织及其性能的影响

摘要

2E12合金是我国在2524铝合金基础上研制的新型高性能铝合金，是目前断裂韧性和抗疲劳性能最为优异的航空Al-Cu-Mg系高强合金，众所周知，合金的耐损伤性能与其微观结构有着密切关系。为此，本文借助金相(OM)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和电子背散射衍射(EBSD)等微观组织分析手段，以及硬度测试、拉伸性能测试、热模拟和DSC示差扫描量热法等方法，并结合动态材料模型建立了2E12合金的加工图，详细研究了2E12的热压缩变形行为及其微观组织演变规律，以及最终热机械处理对高耐损伤(2E12)铝合金析出动力学、微观组织和力学性能的影响，得到以下结论：
　　 (1)2E12铝合金热变形过程中经历了过渡变形与稳态变形阶段，表现出稳态流变特征。合金的稳态流变应力随变形温度的升高而降低；随应变速率的增加而升高。在高速大应变条件下，由于形变热效应而使变形温度升高，导致流变应力下降，且这种效应随测试温度的降低而增大。
　　 (2)2E12合金材料常数求解结果为：变形激活能Q(△H)=154.8kJ/mol，应力指数n=6.006，应力水平参数α=9.879×10-3MPa-1，结构因子A=2.151×1011s-1。2E12铝合金在热变形条件下流变应力σ、应变速率、变形温度T与Z参数满足以下关系式：
　　 (3)2E12合金的加工图上存在三个功率耗散效率较高的区域，1＃区域的温度范围为325-375℃，应变速率范围为0.01 s-1-0.03s-1，其效率峰值为22％，且中心落在温度为350℃，应变速率为0.01s-1时；2＃区域的温度范围为350-450℃，应变速率范围为1.78-10s-1，其效率峰值为25％，且中心落在温度为400℃，应变速率为10s-1时；3＃区域的温度范围为450-500℃，应变速率范围为0.01-10s-1，其效率峰值为33％，且中心落在温度为500℃，应变速率为0.01s-1时。就2E12合金的工业生产工艺设计而言，该合金在本文的测试范围内存在一个宽大的动态回复区域，表现为加工图中功率耗散效率等高线相对均匀的区域，即300℃～450℃的温度区间。
　　 (4)2E12合金加工图与流变应力和微观组织的结论相一致。当变形温度为200℃时，2E12合金主要保持了纤维状组织，其动态回复程度较小；而变形温度300℃≤T≤400℃时，2E12合金通过动态回复机制使变形组织逐步向等轴的亚晶组织转化，且其动态回复程度随温度的升高也明显增大，400℃时已经形成明显的亚晶。在3＃区域的低应变速率范围内，当变形温度T≥450℃时，其主要的动态软化机制为连续动态再结晶，微观组织观察表明亚晶扭转合并为2E12合金动态再结晶的主要形核机制，且沿原始晶界优先形核，形成呈“链”状分布的细小再结晶晶粒，且其动态再结晶程度随温度的提高显著增大，动态再结晶速率随应变速率增大而减小；而在3＃区域中温度为500℃，应变速率为1-10 s-1时合金发生了大粒子回溶和沿晶界楔形开裂的现象。
　　 (5)固溶后40％冷轧显著地增强了2E12合金的时效硬化效应和强化效果，明显加快了合金的时效硬化速率，缩短了到达时效峰值的时间。DSC分析结果表明，2E12合金固溶后40％冷轧态的S'相析出放热峰温度明显低于其固溶态，且固溶后40％冷轧态样品在差热分析测试的升温过程中S'相的析出体积分数和析出速率均明显高于固溶态的样品。S'相的激活能计算结果表明2E12合金的固溶后40％冷轧态和固溶态S'相激活能分别为86.6kJ/mol和127.6 kJ/mol。
　　 (6)固溶后40％冷轧态2E12合金的强度得到了显著的提高，但是其延伸率降到了～4％；后期时效热处理进一步显著地提高固溶后40％冷轧态2E12合金强度和塑性。固溶后40％冷轧+175℃/7h(峰值)处理的2E12合金具有高强度和良好的塑性，其屈服强度、抗拉强度和延伸率分别达到了～540、～610MPa和～8％。当固溶后40％冷轧态2E12合金在相对较高的温度时效时，其塑性同样也存在一定的提高，但强化效果明显减弱，且其屈服强度增幅随时效温度的提高而降低。本文中2E12合金最佳的最终热机械处理制度为固溶后40％冷轧+175℃/1h(欠时效)。通过该热处理制度可以同时提高合金的强度和塑性，其屈服强度、抗拉强度和延伸率分别为～520MPa、～600MPa和～12.3％，该屈服强度比T8态提高了～40MPa，延伸率约为T8态的2.6倍。
　　 (7)透射电镜观察表明2E12合金传统热处理制度(T6、T8)的主要强化相为粗大的S'相，而最终热机械处理制度欠时效态的强化效果主要来源于纳米尺度的GPB2/S