CN1034088C - 用于铝-锂合金的辅助热处理及由此获得的产品 - Google Patents

用于铝-锂合金的辅助热处理及由此获得的产品 Download PDF

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Abstract

对正在进行时效或者已经完成时效的人工时效铝-锂合金进行辅助热处理以改善该合金在厚度方向上的性能，特别是改善该方向上的断裂韧性。辅助热处理包括将该材料持续地加热至比时效温度至少高20℃但不超过250℃的转化温度处，将材料在该温度下短暂地停留，然后冷却至室温。通常，这种处理包括加热至200-230℃范围内的转变温度并在此温度下停留5分钟。提高了的性能会由于长期暴露于60℃或更高的温度下而发生退化，但是可用重新进行辅助热处理的方法使其恢复。

Description

用于铝-锂合金的辅助热处理及由此获得的产品
本发明涉及一种用于铝-锂合金的特殊形式的热处理，所说的合金是指以铝为基的铝-锂合金，其中所含的锂是作为一种特定的合金元素加入的而不是以微量杂质的形式存在的。实用的铝-锂合金包含有诸如铜、镁或锌等添加入锂中起增强作用的组分。这种热处理可用于改善这类合金的某些产品形式和/或平整件(tempers)的断裂韧性或延伸性，特别是改善合金材料厚度方向上的断裂韧性或延伸性。术语“厚度方向”在对板材或薄片材料来说时是指横向通过所说材料厚度的轴向，而对于其他形式的产品(例如挤压件和锻造件)来说，则是指横向穿过晶粒的方向。
以铝-锂-铜和铝-锂-铜-镁体系为基的铝-锂合金已经发展到这样的地步，使它能被考虑普通地用于下一代民用和军用飞机这类大规模的工业生产。这类合金作为原有的不含锂的铝合金的代用品之所以有吸引力是由于它们具有更低的密度和更高的刚度，然而是否能将这类合金材料广泛地应用于航天结构体还要取决于它是否能达到许多种性能的满意结合。在国际上以8090牌号登记的铝-锂-铜-镁合金具有与强度、断裂韧性、抗腐蚀性能、抗疲劳性能、易生产性相结合的低密度和高刚度，其水平远远超过早期的铝-锂合金。不过，目前的铝-锂合金仍然存在一些可察觉到的问题，那就是在其厚度方向上的断裂韧性较低。这可能是由于，在厚度方向上的低断裂韧性并没有真正防碍这类合金用于常规的用途，因为这些合金材料还没有被用于厚度方向上存在应力的场合，但是对于这类新材料来说仍然没有充分的把握，并且在某些情况下可能要影响其使用寿命。例如，对于8090合金来说，虽然它在除了厚度方向以外的其他方向上的断裂韧性超过了所要求的数值，但是当对其进行时效处理以使抗拉强度达到500MPa或更高(该强度是一种近代高强度航空用7000型系列合金在T76态下的典型强度)时，这种8090合金可能在其厚度方向上具有低的断裂韧性，其数值通常为11或12MPa(m)而7000型合金材料的相应数值为18至20MPa(m)。
这个问题并不是新发现的，并且在现有技术中早已就此问题提出过各种不同的解释。众所周知，板材厚度方向上的断裂(不管裂纹的方向是发生在相对于所施加应力的纵向或与此应力相垂直的横向)都是沿着晶粒间界发生的，而对这些在厚度方向上具有低断裂韧性的材料来说，它显示出一种局部延伸性低的脆性。在已公开的文献中所作的各种解释包括下面各种可能性：在晶界处的塑性应变发生局部集中；由于痕量的氢或诸如钠、钾或钙等低熔点金属引起的晶界脆化；在含锂、铜和可能含有镁的晶界处形成了大块的相。本发明提供了一种方便的方法来解决这一问题，而且在本发明的一些研究结果表明，虽然在以前所提出的各种解释中有一些解释涉及到对于在某种情况下存在问题的解决有一定贡献的现象，但是所有这些解释都没有涉及问题的实质。
目前，采用冶金铸锭法而不是采用迅速固化法生产的铝-锂合金都要经过一种常规的处理步骤，这些步骤对于其他种类的沉淀硬化铝合金的领域来说都是已知并已完善制定的，也就是：铸锭；均匀化热处理；形成半成品或成品；固溶化热处理；淬火以及在提高的温度下进行人工时效。在某些合金/平整件/产品中，在人工时效的步骤之前有一个冷加工步骤，以获得一种较好的时效效果。时效处理的目的是促进原先存在的过饱和固溶体加速分解，以产生所需的强化沉淀物。
在有关铝-锂合金的工艺中，各种人工时效处理的方法都是已知的。适当选择时效的时间和温度可按照需要进行获得最大强度的时效、不充分时效或过时效。双时效处理的方法也是已知的，在此方法中，先将材料保持在一个温度下(用于第一阶段的处理)，然后在另一个温度下保持第二个时间间隔。迄今所知，适用于铝-锂合金的现行时效处理都是使材料在每一个时效期间内维持热平衡，以促进强化相或相的均匀沉淀。我们已发现，在时效以后加进一个辅助热处理的步骤可以使铝-锂-铜-镁体系的铝-锂合金在厚度方向上的断裂韧生和延伸性都得到明显的改善，并且我们对一些现象的研究表明，所说的辅助热处理对于其他种类的铝-锂合金也有效，这些铝-锂合金包括那些含有铜但不含镁的合金以及那些含有锌、含或不含铜和/或镁的合金。虽然可以预料，这种热处理对于所有的合金平整件来说都有一定程度的好处，然而尤其是它可使那些未经这种热处理的、其断裂形式属于脆性晶间断裂的产品形式及其平整件获得特别明显的改善。
以前我们曾研究了第二阶段的时效处理对T8771态(即将工件在170℃下时效处理32小时)8090板材所产生的影响，所说第二阶段时效处理的温度为170℃至230℃，时间为1小时或更长，其结论是采用双时效处理可以使材料厚度方向的断裂韧性略为提高。这一结论已在C.J.Peel和D.S.McDarmaid的论文中有简要介绍，该论文登载于1989年5月发表的《Aerospace》杂志第18至22页(这是皇家航空学会(Royal AeronauticalSociety)的杂志)。其中，由于采取了这样的第二时效温度而获得的最佳结果是，对经常规处理的材料接着再在210℃下进行时效处理1小时，可使受纵向裂纹扩展所影响的厚度方向的断裂韧性(下文称为S-L断裂韧性)由原来约20.5MPa(m)提高到26MPa(m)。在这种方法中所采用的措施是时效方法中的常规措施，也就是将材料缓慢地加热和缓慢地冷却以达到热均匀并在所需温度下保持合适的时间，以期望获得所需的时效反应。
与我们早期的研究结果和预料相反，现在发现采用一种新的热处理方式可以使厚度方向的断裂韧性获得较明显的提高，这种新的热处理并不是为了加速时效反应，并且它与人工时效处理这一工艺领域中的那些已知方法有本质上的不同。
本发明在此处要求保护的是一种对正在进行或已完成时效处理的铝-锂合金材料进行辅助热处理的方法，该方法包括：将材料持续地加热到它的最高时效温度(下文以“t1  ”表示)以上，以使得该材料的较冷部分也达到一个在下文中称之为“转变温度”的温度(下文以“t2”表示)，此处所说的转变温度不超过250℃，但至少要比最高时效温度高出20℃；再将所说材料在转变温度下作短暂的停留但不超过30分钟，以使得材料内达到热平衡；接着立即将此材料冷却到室温。
辅助热处理的好处是通过温度的变化来获得而不是通过将温度保持在一种等温处理方式下来获得，当将术语“持续地”应用到在加热阶段内所达到的温度升高时，该术语“持续地”的含义是指在从t1至t2的升温过程中没有故意的保温操作。在铸造厂的实际作业中，是在等温时效结束时直接进行辅助热处理是最方便的，而不需插进一个冷却到室温的阶段。根据所用热处理设备的热特性使t1至t2的加热过程尽可能快地完成，而在t2温度下所保持的任何平衡时间当然要取决于被处理材料的质量和厚度以及加热过程所规定的温度梯度。
较佳的方法是采用淬火法或其他方法将所说材料从温度t2迅速地冷却到室温或室温附近。另外，将材料至少在温度t1至t2这一阶段迅速地加热也是较佳的。迅速加热而不迅速冷却或者与此相反的作法都已获得较好的结果，但最好的结果是迅速加热并接着迅速冷却。对于这种方法来说，在转变温度t2处不需明显的(假如有停留的话)停留，因为本方法与等温时效的作法不同。对于小尺寸的试样来说，在t2处停留名义上不超过5分钟可以获得迄今为止的最佳效果。
转变温度t2的最佳范围为200-230℃，但其附带条件是t2必须比t1至少高20℃。
在这种辅助热处理中所存在的现象的确切原因至今尚未完全清楚，但是可以确信，采用一种持续的非等温的方式将材料加热到超过其时效温度的作法会干扰由原先的时效过程在该材料内部所建立起来的平衡，因此引起了在晶界间溶质元素的重新分布。如果将所说材料在转变温度处保持一段合适的时间，则随着晶界沉淀的增加，可以期望建立一个新的平衡，而这种状态并不一定优于原先时效处理状态。可以确信，在该材料达到新的平衡以前即将其冷却下来就可以确定该材料处于一种亚稳状态，这种亚稳状态显示出我们所观察到的一些改善的性能。
当将材料连续地暴露于60℃或更高的温度下时，其性能会朝原先的预处理状态发生某些程度的退化。但从所获数据进行外推来推算，如果连续地暴露于30℃下时，需要20年才能使该材料的性能退回到其原来的状态，已发现辅助热处理的再度施行可使退化的材料恢复到以前的状态。可以预料，对于一些由于长期自然时效或由于提高温度的处理过程使其性能变劣了的材料来说，通过类似的短暂的辅助热处理将能有效地恢复其原来的性能。
下面参考附图通过实施例采解释本发明，其中：
图1是一个曲线图，它示出了SL断裂韧性对辅助热处理时间和温度的关系；
图2和图3都是矩形实线图，它们示出了加热速度和冷却速度所起的影响；以及
图4和图5都是矩形实线图，它们示出了采用辅助热处理对事先已预时效到不同标准的材料所带来的好处。
在本发明的这些实施例中所用的材料为8C90合金。这种合金的成分范围(重量)如下：锂2.2-2.7％；铜1.0-1.6％；镁0.6-1.3％；锆0.04-0.16％；杂质铁0.30％；最大锌含量0.25％，其他元素(铬、硅、锰和钛)每一种元素的最大含量为0.10％；其余为铝。
实施例1
本实施例所采用的材料为一种T8771态的厚度为50.8mm(2英寸)的8090板材。这种材料经过如下的工艺处理：545℃的固溶化处理；淬火；拉伸7％；170℃下时效处理32小时。从这块板材上用机械法切取适合于进行厚度方向的断裂韧性和抗拉性能试验所需的各种试样。进行断裂韧性试验的试样呈双重悬臂梁(double can-filever beam)状，这样可使得应力方向处于厚度方向上而裂纹的扩展方向则在纵轴方向上。从这些试样所获得的断裂韧性数值此处将其称之为“SL断裂韧性”。根据常规的冶金工艺，符号KQ SL是指试验按照原来建立的规则进行，但裂纹的扩展并不一定按照确定值的要求来进行。
对该试验材料的某些试样按其原来供货的状态进行了测定，而对另一些试样则在进行试验之前先经过辅助热处理。除另有说明外，所有试验皆在室温下进行。辅助热处理的操作是将试样从室温条件下浸入已预热到所需转变温度t2的盐浴中。将试样保持在(在加热炉内)盐浴中直至与模拟试样接触的热电偶讯号输出曲线变平，这时表明试样已达到所需转变温度，然后在该温度下于盐浴中再保持5分钟，接着从盐浴中取出试样并在冷水中淬火。很明显，按这种规程进行加热和冷却的速度以非线性方式发生很大的变化。总的平均加热速度和冷却的速度估计分别为40℃/分和350℃/分。为了便于进行对比，下面将这种方式的加热和冷却分别称之为迅速加热和迅速冷却。下面的表中示出了原始材料性能和已经按上述方法在不同的转变温度下进行过辅助热处理的材料性能。
KQ(SL)MPa(m)   0.2％屈服点MPa 抗拉强度MPa     ％直到断裂的延伸率 断面收缩率 HV10
 T8771(对比)   11.6   372   476   1.9   4.3  156
t2＝190℃   18.2   356   470   3.7   8.6  151
t2＝200℃   22.5   348   457   3.4   6.5  148
t2＝210℃   26.0   340   447   3.7   6.25  142
t2＝220℃   29.0   333   439   6.0   8.75  139
从表中可以看出，辅助热处理能十分有效地提高在厚度方向上的SL断裂韧性和延伸性。其中也包含了厚度方向强度有某些程度的降低。所说的性能提高和降低的相对数值可根据所说材料的不同用途而有所变化，但是很有希望使得KQ SL值提高到7000系列材料的18-20MPa(m)1/2而不会导致其强度明显的降低。
图1中以曲线形式示出了上述的辅助热处理和在产生等温时效态的各期间内所作其它热处理所获的结果。在此图中所示的各种材料皆是以迅速加热/迅速冷却的规程进行热处理，但热处理的温度和在各该温度下的停留时间各不相同。可以看出，在断裂韧性对处理温度下的停留时间的关系曲线上有一明显的最高峰，这一最高峰在5至10分钟的区间，如果在各该温度下停留一小时或更长时间，则其效果就要比这最高峰差得多。在各个时间内按常规等温时效处理只会损害所说的性能(即在以KQ表示的性能的范围内)而不会改善这种性能。
对另外一些T8771材料进行了稍加变化的辅助热处理，这种热处理基本上与上面所述的规程相同，所不同之处是保留了涉及在加热炉内空气中缓慢加热和在加热炉外空气中缓慢冷却的步骤。估计所说的缓慢加热和缓慢冷却的平均速度分别为4℃/分和400℃/小时。对某些样品进行了迅速加热和缓慢冷却，而对另外一些样品则与此相反。图2和图3分别示出了t2＝210℃和t2＝200℃的实验结果。可以看出，迅速冷却要优于迅速加热，但以迅速加热并接着迅速冷却可以获得最佳效果。在所说的各速度下按上面记载的缓慢加热一缓慢冷却的辅助热处理方式仍然可以获得一些有益的改善，不过，如采用长时间加热和长时间冷却的等温时效的方式是否仍能获得这样的改善就不能肯定。
实施例2
本试验中使用T351态的25.4mm(1英寸)厚的8090板材。这种板材经过了535℃下的固溶化处理，淬火，拉伸2
Figure C9010993400111
％，但未经过时效。以这种状态作为起点，将所说材料在150℃至190℃之间的不同温度下进行时效，时效时间从4小时至96小时不等。将这种经过人工时效的材料进行辅助热处理，热处理试验采取不同的转变温度和在各该温度下不同的停留时间。所获结果示于图4和5。可以看出，在所有的情况下，辅助热处理都可在SL断裂韧性方面获得十分明显的改善。

Claims (7)

1、一种对正在进行时效或者已完成时效的铝-锂合金材料进行辅助热处理的方法，该方法包括：将所说材料持续地加热到它在时效时所达到的最高温度以上，以使该材料的较冷的部位都达到一个称之为转变温度的温度，此处所说的转变温度不超过250℃，但是要比最高时效温度至少高20℃，将该材料在此温度下作短暂的停留，以便在该材料内达到热平衡，但是停留时间不超过30分钟，然后立即将该材料冷却至室温。
2、如权利要求1的辅助热处理方法，其中所说的材料被淬火冷却至室温或其附近。
3、如权利要求1或2的辅助热处理方法，其中所说的材料至少是从最高时效温度起被迅速加热到转变温度。
4、如在前任一项权利要求中的辅助热处理方法，其中所说的材料在其被加热和被冷却这两个步骤之间的转变温度下保留5至20分钟。
5、如在前任一项权利要求中的辅助热处理方法，其中所说的转变温度在200至230℃之间。
6、先进行了人工时效然后再进行一种按照在前任一项权利要求中所述的辅助热处理所获的包括铝-锂-铜-镁体系合金在内的一种材料或产品。
7、如权利要求6所述的一种材料或产品，其中包含一种具有登记代号为8090(已列入说明书)合金成分的合金，并且此材料或产品经受了下述方式的辅助热处理：其中包括迅速加热到200至230℃范围内的转变温度，并且在该转变温度下保持约5分钟，然后迅速冷却到室温或其附近。
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