CN107858614A - 一种基于Al‑Cu‑Li合金的微米尺度T1相的原位制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Al‑Cu‑Li合金的微米尺度T₁相的原位制备方法，其包含如下步骤：步骤一，将待处理的Al‑Cu‑Li合金试样放入热处理炉中进行固溶处理；步骤二，将固溶处理完成的Al‑Cu‑Li合金试样进行淬火处理，淬火介质为0~5℃的水，淬火转移时间不大于10s；步骤三，将淬火后的Al‑Cu‑Li合金试样放到热处理炉中进行分级热处理，然后随炉冷却至室温，在Al‑Cu‑Li合金中原位制备出纵向尺寸为5~10μm的T₁相。其能够原位制备微米尺度的T₁相，有利于对单个T₁相的腐蚀和电化学行为进行研究。

Description

一种基于Al-Cu-Li合金的微米尺度T1相的原位制备方法

技术领域

本发明涉及铝合金热处理技术，具体涉及一种基于Al-Cu-Li合金的微米尺度T₁相的原位制备方法。

背景技术

新型铝锂合金具有高的比强度、比刚度和良好的抗疲劳性能等诸多优异特性，是近年来航空航天材料中发展最为迅速的一种先进轻量化结构材料。由于Li元素极活泼，铝锂合金中含Li相与非含Li相及Al基体之间的腐蚀电位差大，导致新型铝锂合金容易发生局部腐蚀。新型铝锂合金在时效过程中主要形成δ'即Al₃Li、T₁即Al₂CuLi、T₂即Al₆CuLi₃和θ'即Al₂Cu等强化相，其中δ'和T₁是铝锂合金中的主要时效强化相。δ'相与铝基体共格且均匀弥散分布，所以δ'相对铝锂合金的耐腐蚀性能影响不大。T₁相主要在晶界、亚晶界、位错等处形核，成条状分布并与基体保持半共格的关系。研究表明，T₁相的数量、形态和分布直接影响铝锂合金的耐蚀性能。另外，由于航空铝合金一般都要进行阳极氧化处理后才能投入使用，而T₁相中包含大量Cu和Li元素，因此T₁的阳极氧化行为以及T₁相上所形成的氧化膜的结构与合金基体应该存在显著差异。

尽管T₁相的腐蚀和电化学行为对铝锂合金及其涂层的结构性能有显著影响，但由于实际应用的商业合金中T₁相的尺寸非常细小，一般为100-200nm，人们始终无法直接研究T₁相的腐蚀和电化学行为。有研究人员通过配制成分形成与T₁相一致的模型合金，研究其腐蚀和电化学行为，但由于模型合金仅在宏观成分上与T₁相一致，无法做到晶体结构和原子排布上的一致，只能是一种近似的模拟，而没有真正研究单个T₁相。因此，需要开发一种能够原位制备微米尺度T₁相的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于Al-Cu-Li合金的微米尺度T₁相的原位制备方法，其能够原位制备微米尺度的T₁相，有利于对单个T₁相的腐蚀和电化学行为进行研究。

本发明所述的基于Al-Cu-Li合金的微米尺度T₁相的原位制备方法，其包含如下步骤：

步骤一，将待处理的Al-Cu-Li合金试样放入热处理炉中进行固溶处理，固溶处理温度为540℃±5℃，固溶处理保温时间为1~5h；

步骤二，将固溶处理完成的Al-Cu-Li合金试样进行淬火处理，淬火介质为0~5℃的水，淬火转移时间不大于10s；

步骤三，将淬火后的Al-Cu-Li合金试样放到时效热处理炉中进行分级热处理，第一级热处理温度为480~510℃，处理时间为12~24h，第二级热处理温度为520~530℃，处理时间为24~36h，然后随炉冷却至室温，在Al-Cu-Li合金试样中原位制备出纵向尺寸为5~10μm的T₁相。

进一步，所述步骤一中固溶处理保温时间为1h。

进一步，所述步骤二中淬火介质为0℃的水。

进一步，所述步骤三中第一级热处理温度为500℃，处理时间为12h。

进一步，所述步骤三中第二级热处理温度为520℃，处理时间为36h。

进一步，所述步骤一中的Al-Cu-Li合金为AA2099铝锂合金或AA2055铝锂合金。

AA2099铝锂合金的化学组成及质量百分比为：Cu2.8%，Li1.8%，Mg0.3%，Zn0.7%，Mn0.4%，Zr0.1%，Fe0.1%，余量为Al。

AA2099铝锂合金的化学组成及质量百分比为：Cu3.6%，Li1.3%，Ag0.4%，Mg0.4%，Zn0.4%，Mn0.3%，Zr0.1%，余量为Al。

本发明通过对Al-Cu-Li合金试样进行固溶处理，固溶处理温度为540℃±5℃，固溶处理保温时间为1~5h，能够有效消除合金试样中的元素偏析，获得过饱和固溶体，为后续的分级热处理和T₁相析出和长大做准备。淬火后进行分级热处理，第一级热处理温度为480~510℃，处理时间为12~24h，能够抑制抑制δ'相和θ'相的形成，促进T₁相优先析出和长大。第二级热处理温度为520~530℃，处理时间为24~36h，然后随炉冷却至室温，在保证T₁相充分析出的前提下，适当提高保温温度，促进T₁相进一步长大，进而在Al-Cu-Li合金试样中原位制备出微米尺度的T₁相。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明通过合理控制热处理工艺在Al-Cu-Li合金试样中原位制备出微米尺度的T₁相，而不是按照T₁相的成分配比制备的模型合金，所以能更真实的反应T₁相的成分、结构和性能，在此基础之上可以利用扫描电镜、恒电位仪、开尔文探针等技术直接研究T₁相的腐蚀和电化学行为。

2、本发明解决了现有铝锂合金中的T₁相尺寸小，无法通过直观的方法研究其腐蚀和电化学行为的技术问题，为深入研究T₁相对合金的结构和性能的影响，进一步调控新型铝锂合金的结构和性能提供了更为便捷和有效的方法，同时对研究其他铝合金中细小析出相的腐蚀和电化学行为也有重要启发意义。

附图说明

图1是实施例一热处理完毕后的AA2099铝锂合金试样的组织形貌图；i为样品的背散射电子扫描电镜图，j为样品的透射电镜图，k为标定的T₁相的选区衍射花样；

图2是实施例一热处理完毕后的AA2099铝锂合金试样的腐蚀形貌图；

图3是实施例一热处理完毕后的AA2099铝锂合金试样去除腐蚀产物后的腐蚀形貌图；

图4是实施例一热处理完毕后的AA2099铝锂合金试样在动电位阳极氧化后的截面扫描电镜图；

图5是实施例一热处理完毕后的AA2099铝锂合金试样在恒电位阳极氧化后的截面扫描电镜图；

图6是实施例四热处理完毕后的AA2055铝锂合金试样中T₁相的开尔文探针线分析图；

图7是实施例四热处理完毕后的AA2055铝锂合金试样中T₁相的开尔文探针面分析图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作详细说明。

实施例一，一种基于Al-Cu-Li合金的微米尺度T₁相的原位制备方法，其包含如下步骤：

步骤一，采用线切割方法从AA2099铝锂合金铸锭上切取30×30×30mm的试样，将待处理的AA2099铝锂合金试样放入热处理炉中进行固溶处理，固溶处理温度为540℃±5℃，固溶处理保温时间为1h；

步骤二，将固溶处理完成的AA2099铝锂合金试样进行淬火处理，淬火介质为0℃的水，淬火转移时间不大于10s；

步骤三，将淬火后的AA2099铝锂合金试样放到热处理炉中进行分级热处理，第一级热处理温度为500℃，处理时间为12h，第二级热处理温度为520℃，处理时间为36h，然后随炉冷却至室温，在AA2099铝锂合金试样中原位制备出纵向尺寸为5~10μm的T₁相。

实施例二，一种基于Al-Cu-Li合金的微米尺度T₁相的原位制备方法，其包含如下步骤：

步骤一，采用线切割方法从AA2099铝锂合金铸锭上切取30×30×30mm的试样，将待处理的AA2099铝锂合金试样放入热处理炉中进行固溶处理，固溶处理温度为540℃±5℃，固溶处理保温时间为3h；

步骤二，将固溶处理完成的AA2099铝锂合金试样进行淬火处理，淬火介质为3℃的水，淬火转移时间不大于10s；

步骤三，将淬火后的AA2099铝锂合金试样放到热处理炉中进行分级热处理，第一级热处理温度为480℃，处理时间为18h，第二级热处理温度为530℃，处理时间为24h，然后随炉冷却至室温，在AA2099铝锂合金试样中原位制备出纵向尺寸为5~10μm的T₁相。

实施例三，一种基于Al-Cu-Li合金的微米尺度T₁相的原位制备方法，其包含如下步骤：

步骤一，采用线切割方法从AA2055铝锂合金铸锭上切取30×30×30mm的试样，将待处理的AA2055铝锂合金试样放入热处理炉中进行固溶处理，固溶处理温度为540℃±5℃，固溶处理保温时间为5h；

步骤二，将固溶处理完成的AA2055铝锂合金试样进行淬火处理，淬火介质为5℃的水，淬火转移时间不大于10s；

步骤三，将淬火后的AA2055铝锂合金试样放到热处理炉中进行分级热处理，第一级热处理温度为510℃，处理时间为24h，第二级热处理温度为530℃，处理时间为28h，然后随炉冷却至室温，在AA2055铝锂合金试样中原位制备出纵向尺寸为5~10μm的T₁相。

实施例四，一种基于Al-Cu-Li合金的微米尺度T₁相的原位制备方法，其包含如下步骤：

步骤一，采用线切割方法从AA2055铝锂合金铸锭上切取30×30×30mm的试样，将待处理的AA2055铝锂合金试样放入热处理炉中进行固溶处理，固溶处理温度为540℃±5℃，固溶处理保温时间为1h；

步骤二，将固溶处理完成的AA2055铝锂合金试样进行淬火处理，淬火介质为0℃的水，淬火转移时间不大于10s；

步骤三，将淬火后的AA2055铝锂合金试样放到热处理炉中进行分级热处理，第一级热处理温度为500℃，处理时间为12h，第二级热处理温度为520℃，处理时间为36h，然后随炉冷却至室温，在AA2055铝锂合金试样中原位制备出纵向尺寸为5~10μm的T₁相。

实施例五，对实施例一制得的AA2099铝锂合金试样进行形貌观察，首先将热处理完毕的AA2099铝锂合金试样采用金相砂纸逐级机械抛光至镜面，用去离子水冲洗，冷风吹干；然后采用电解双喷技术制备透射电镜样品，在透射电镜上进行组织观察。

参见图1，i为样品的背散射电子扫描电镜图，由于T₁相中含有较多Cu元素，因此T₁相显示为白亮色，其纵向尺寸5~10微米；j为样品的透射电子显微图，显示T₁相之间的夹角为70.5 °，说明T₁相仍保持{111}惯析面析出；k为标定的T₁相的选区衍射花样，再次确定所制备的相为T₁相。

实施例六，对实施例一制得的AA2099铝锂合金试样进行腐蚀行为研究，首先将热处理完毕的AA2099铝锂合金试样采用金相砂纸逐级机械抛光至镜面；然后置于3.5wt%NaCl水溶液中，保持试样的抛光镜面朝上，浸泡5小时；再将浸泡完毕的试样取出，用去离子水冲洗，冷风吹干，在扫描电镜下观察T₁相的腐蚀形貌。参见图2，能够看出T₁的表面发生明显变化，但由于腐蚀产物的影响，并不能清楚观察其腐蚀形貌。

因此，需要去除试样表面的腐蚀产物，其操作步骤为：将浸泡完毕的试样取出，用去离子水冲洗，然后置于30vol%的硝酸酒精溶液中浸泡60s，再用去离子水冲洗，冷风吹干，去除试样表面的腐蚀产物，然后在扫描电镜下观察T₁相的腐蚀形貌。参见图3，去除腐蚀产物后发现，在T₁相的周围留下腐蚀坑，同时T₁相发生了溶解，仅留下一些纳米颗粒；这种腐蚀形貌提示T₁相首先发生去合金化腐蚀，随后T₁相腐蚀留下的富Cu纳米颗粒作为阴极，促进了其周围铝合金基体的腐蚀。

实施例七，对实施例一制得的AA2099铝锂合金试样进行阳极氧化行为研究，其包含如下步骤：

1）配制浓度为0.46M的硫酸和浓度为0.53M的硫酸-酒石酸混合水溶液；

2）将热处理完毕的AA2099铝锂合金试样采用金相砂纸逐级机械抛光至镜面，再将试样的边缘和背面用有机漆进行封闭，留出面积为1cm²的合金表面，冷风干燥；

3）在恒电位仪上进行阳极氧化，将封闭好的试样放入硫酸-酒石酸混合水溶液中并与电源的正极相连，将电源的负极与环形的纯铝片相连，采用饱和甘汞电极为参比电极；从开路电位开始正向扫描至10V，温度37℃，扫描速率为0.5V/min，制备阳极氧化合金；

4）采用纳米显微切割技术在阳极氧化合金上制备氧化膜横截面，然后在扫描电子显微镜上进行组织观察。

参见图4，在动电位阳极氧化条件下，合金表面生长了8~10微米厚的氧化膜，但该氧化膜很不完整，其中有许多与T₁相形态和分布一致的长条状空洞，这是T₁相在极化过程中发生了优先阳极氧化和溶解所致。

实施例八，对实施例一制得的AA2099铝锂合金试样进行阳极氧化行为研究，其包含如下步骤：

1）配制浓度为0.46M的硫酸和浓度为0.53M的硫酸-酒石酸混合水溶液；

2）将热处理完毕的AA2099铝锂合金试样采用金相砂纸逐级机械抛光至镜面，再将试样的边缘和背面用有机漆进行封闭，留出面积为1cm²的合金表面，冷风干燥；

3）在恒电位仪上进行阳极氧化，将封闭好的试样放入硫酸-酒石酸混合水溶液中并与电源的正极相连，将电源的负极与环形的纯铝片相连，采用饱和甘汞电极为参比电极；14V恒电位阳极氧化，温度37℃，阳极氧化20min，制备阳极氧化合金；

4）采用纳米显微切割技术在阳极氧化合金上制备氧化膜横截面，然后在扫描电子显微镜上进行组织观察。

参见图5，在恒电位阳极氧化条件下，所得的氧化膜较薄而均匀，从氧化膜中可以清楚地观察到T₁相的形态，这表明T₁相上的阳极氧化膜的结构和形貌不同于铝基体上所形成的氧化膜。

实施例九，对实施例四制得的AA2055铝锂合金试样中的T₁相的电化学特性进行研究，首先将热处理完毕的AA2055铝锂合金试样采用金相砂纸逐级机械抛光至镜面，再采用开尔文探针测量单个T₁相的表面电位。参见图6，a、b、c、d、e、f、g、h分别为不同位置的单个T₁相的表面电位，通过测试了多个T₁相的表面电位，发现T₁相比合金基体的表面电位高约120~160mV，表明了T₁相具有非常活泼的电化学活性。

实施例十，对实施例四制得的AA2055铝锂合金试样中的T₁相的电化学特性进行研究，首先将热处理完毕的AA2055铝锂合金试样采用金相砂纸逐级机械抛光至镜面，再采用开尔文探针测量某个视场下T₁相的表面电位面分布图。参见图7，其以表面电位的高低作为绘图的依据，表面电位高的部位颜色更亮，表面电位低的地方颜色更暗，结果所得的T₁相的表面电位面分布图与T₁相的实际分布相一致，表明通过此方法可以较为精确测量T₁相的电化学性质。

Claims (6)

1.一种基于Al-Cu-Li合金的微米尺度T₁相的原位制备方法，其特征在于包含如下步骤：

步骤一，将待处理的Al-Cu-Li合金试样放入热处理炉中进行固溶处理，固溶处理温度为540℃±5℃，固溶处理保温时间为1~5h；

步骤二，将固溶处理完成的Al-Cu-Li合金试样进行淬火处理，淬火介质为0~5℃的水，淬火转移时间不大于10s；

步骤三，将淬火后的Al-Cu-Li合金试样放到热处理炉中进行分级热处理，第一级热处理温度为480~510℃，处理时间为12~24h，第二级热处理温度为520~530℃，处理时间为24~36h，然后随炉冷却至室温，在Al-Cu-Li合金中原位制备出纵向尺寸为5~10μm的T₁相。

2.根据权利要求1所述的基于Al-Cu-Li合金的微米尺度T₁相的原位制备方法，其特征在于：所述步骤一中固溶处理保温时间为1h。

3.根据权利要求1或2所述的基于Al-Cu-Li合金的微米尺度T₁相的原位制备方法，其特征在于：所述步骤二中淬火介质为0℃的水。

4.根据权利要求1或2所述的基于Al-Cu-Li合金的微米尺度T₁相的原位制备方法，其特征在于：所述步骤三中第一级热处理温度为500℃，处理时间为12h。

5.根据权利要求1或2所述的基于Al-Cu-Li合金的微米尺度T₁相的原位制备方法，其特征在于：所述步骤三中第二级热处理温度为520℃，处理时间为36h。

6.根据权利要求1或2所述的基于Al-Cu-Li合金的微米尺度T₁相的原位制备方法，其特征在于：所述步骤一中的Al-Cu-Li合金为AA2099铝锂合金或AA2055铝锂合金。