阅读说明：本技术 一种铝锂合金双级连续时效处理方法 (Two-stage continuous aging treatment method for aluminum-lithium alloy ) 是由 *** 肖代红 吴名冬 于 2020-04-30 设计创作，主要内容包括：一种铝锂合金双级连续时效处理方法。本发明属于铝合金加工技术领域,涉及铝锂合金的双级连续时效热处理方法。所述铝锂合金的时效工艺的主要特点是在温度连续变化的过程中对铝合金进行时效处理,在这一过程中,该工艺包含在2个连续变温区间进行不同的升温速率,通过时效析出的特点与温度区间和升温速率的合理控制,以及减弱位错回复的影响,显著的提高了合金的拉伸性能。该双级连续时效工艺在提高铝锂合金性能的同时,缩短了时效工艺时间、降低能源消耗,提高了生产效率,能有效满足目前对高综合性能铝锂合金的需求。(A two-stage continuous aging treatment method for aluminum-lithium alloy. The invention belongs to the technical field of aluminum alloy processing, and relates to a two-stage continuous aging heat treatment method for an aluminum-lithium alloy. The aging process of the aluminum-lithium alloy is mainly characterized in that the aluminum alloy is subjected to aging treatment in the process of continuous temperature change, in the process, different heating rates are carried out in 2 continuous temperature change intervals, the characteristics of aging precipitation, the temperature intervals and the heating rates are reasonably controlled, the influence of dislocation recovery is weakened, and the tensile property of the alloy is obviously improved. The two-stage continuous aging process shortens the aging process time, reduces the energy consumption, improves the production efficiency and can effectively meet the current requirements on the aluminum lithium alloy with high comprehensive performance while improving the performance of the aluminum lithium alloy.)

一种铝锂合金双级连续时效处理方法

技术领域

本发明属于铝合金加工技术领域，涉及铝锂合金的双级连续时效热处理方法。

技术背景

Li作为最轻的金属元素，在铝合金中每添加1％Li，可使合金密度下降3％，弹性模量增加6％。相比于传统的铝合金，Al-Li合金具有低密度、高比强度、高比刚度、高断裂韧性，良好的耐腐蚀性能等优点，同时铝锂合金要比复合材料在减轻飞机重量，降低生产成本方面更具备优势，使其在航空航天领域具有广泛的应用前景。例如空客、波音及中国商飞在其最新生产的商用客机上采用了铝锂合金构件，较好的达到了减重的目的。

时效析出强化是铝合金获得良好性能的关键，因此对时效工艺的调控十分重要。铝锂合金常规的时效处理工艺为变形等温处理，即在固溶后施加一定程度的预变形后在某一恒定的温度下保温一段时间来获得一定数量、尺寸和分布的析出相以实现合金的强化(Metallurgical Transactions A,1991,22(2):299-306.)，然而温度的单一其往往存在析出相的演变单一、可控性差，导致性能难以控制。多级时效工艺通过先低温后高温的时效方式(120℃/12h+150℃/48h)对析出相的调控增加，虽然使综合性能增加，但也存在时效工艺复杂和时效时间偏长的不足(Materials Characterization,2018,141:163–168)。近来在Al-Zn-Mg-Cu合金中，Liu等(Materials&Design,2014,60:116-124.)通过对时效过程升温速率(100℃至160-220℃，20-80℃/h)的控制，发现(100–180℃，20℃/h)能增加合金的综合性能同时显著减少了时效的时间。中国专利(专利号CN 102400068A)公开了一种7xxx系铝合金的非等温时效工艺，发现变温速率越缓慢，效果越佳，特别是冷却速率小时发生合金的二次析出是其性能改善的关键，但在降温过程中，一方面过饱和溶质原子增加使析出驱动力增加；另一方面原子扩散速率降低导致析出速度降低，因此该过程析出机制复杂而难以调控。同时降温过程高的初始温度以长大为主而抑制形核，后续的二次析出将使合金析出相的均匀性降低而对其性能不利。相关的进一步研究时效过程中冷却率(140-220℃至100℃，5-80℃/h)对析出相及性能的影响，表明高的起始温度(200℃)和慢的冷却速率(20℃/h)能使析出相长大和新的析出相形成而使其均匀性下降，特别是析出相在长轴方向平均值的差异达到了33nm，性能显著降低(Materials&Design,2014,57:79-86.)。Peng等(Materials Science&Engineering A,2017,688:146–154)采用连续单一的升温(40℃/h)和降温(20℃/h)过程，也发现降温过程虽然使强度增加但塑性则发生显著下降。这些研究都在一定程度上表明了连续变温时效处理对Al合金性能改善的可行性和潜力，但也存在一定局限性。

随着航空航天工业的快速发展，对铝锂合金的需求日益广泛，开发新型的时效工艺以充分发挥合金的潜能，对铝锂合金性能的调控和未来应用具有十分重要的意义。李劲风等提出了一种铝锂降温T8时效方式，即160℃以0.6℃/h均匀降温至145℃进行降温时效，之后于145℃等温时效，虽然相比于T8等温时效处理能在保持塑性的同时增加合金的强度，但此时强度增加不明显(<50MPa)且时效时间偏长(>40h)(稀有金属材料与工程,2017,46(1):183-188)。针对现有铝锂时效工艺的不足和基于上述探究，本发明结合时效参数(预变形、多温度区间和多加热速率)与时效析出的状态的关系，提出一种工艺简单且能显著提高合金性能且明显缩短时效时间的双级连续时效工艺。

发明内容

本发明的目的在于通过双极连续时效处理的方法，获得具有良好强韧性的铝锂合金。制得的合金具有较高的强度和良好塑性，同时在提高性能的前提下缩短时效时间降低热处理周期，提高生产效率。

本发明在人工时效前进行适当预变形，可增大基体中的位错密度及其缠结程度，为T₁相(Al₂CuLi)在晶内形核提供更多的位置，从而使得相细小而密集地析出。而预变形带来的高密度位错可使部分空位逸入位错或规则排列而消失，这降低了空位的数量，从而抑制θ＇(Al₂Cu)相的形核。因此在铝锂时效前常施加一定程度的预变形达到降低淬火残余应力和引入位错的作用，后续的时效处理往往采用单一的温度或加热速率，然而变量的唯一往往对析出相的形核和长大之间的关系难以控制；多级时效则结合了时效析出的特点，即先进行低温时效以有利于溶质原子团簇的形成，增加其形核核心以提高最终时效态合金的析出密度，随后的高温时效则促进强化相的进一步长大，以获得一定尺寸且弥散分布的析出相，改善合金的性能。尽管多级时效使析出相的强化效果明显增加，但预变形产生的加工硬化在较高的温度下长时间时效会发生部分回复，减少了对强度的贡献，同时还存在工艺复杂和时效时间偏长的缺点。

本发明基于上述考虑，若低温区间快速升温则使其形核速率下降，但在高温阶段缓慢升温将促进T₁相长大，而减少其数密度。当在高温保持较长时间，析出物的长大和粗化将加速，形成少量粗大T₁相。铝锂合金的强度主要受T₁相的数密度、厚度、直径的影响，特别是随着直径的增加而更加显著，通过适当的时效方式使其彼此协调达到最佳，从而提高其性能。时效前进行适当的冷轧预变形处理，双级连续时效工艺选择在低温快速升温，高温缓慢升温以降低析出相过度细化对强度带来的不利影响。同时，在保证析出相强化效果达到最佳的情况下，显著缩短高温下时效时间使加工硬化的对强度的贡献最大化。因此，双级非等温时效的主要强化机理较好的结合了析出强化和加工硬化对合金性能的贡献。

所述铝锂合金的时效工艺，其特征在于：该时效工艺为分段连续加热的时效过程，包括第一级低温快速加热和第二级高温缓慢加热时效，冷却方式为炉冷。

根据本发明的一些实例，所述第一级低温快速时效的低温的最高值介于120-140℃之间，且第一级的加热速率为7-12℃/h，优选8-10℃/h。研究发现，由于时效过程温度较低主要以析出相的形核为主，在该温度范围和升温速率下可较好的控制其微观结构，避免了长时间时效导致最终时效态组织不理想。

根据本发明的一些实例，所述第二级时效的初始温度为第一级时效的末了温度，高温的最高值介于150-170℃之间，且第二级时效的加热速率为4-6℃/h。研究发现，缓慢加热将有利于第一级时效下的强化相的进一步长大，以获得一定尺寸且弥散分布的析出相。

作为本发明的

具体实施方式

之一，所述第一级低温快速加热的条件：将试样放入加热到22℃的电阻炉中，随后经过12h升温到130℃，期间升温速率为9℃/h；所述第二级高温时效的条件：再由130℃经6h升温至160℃，期间升温速率为5℃/h，冷却方式为炉冷。研究发现，在此条件下，时效处理效果最佳，铝锂合金强度显著增加。

本发明一种铝锂合金双级连续时效处理方法，高温区间所选温度的跨度为30-50℃。在本发明中，高温区间即为第二级时效的初始温度到第二级时效的最高温度所构成的区间。

本发明一种铝锂合金双级连续时效处理方法，设计温度与实际温度之间误差为±2℃。

本发明一种铝锂合金双级连续时效处理方法，随炉冷却速率<50℃/h。

本发明一种铝锂合金双级连续时效处理方法，所述铝锂合金包括铝锂合金板材。

本发明一种铝锂合金双级连续时效处理方法，所述铝锂合金包括铝锂合金挤压材。

作为本发明的优选方案，所述铝锂合金，其成分设计为：

Li 1.1wt.％-1.15wt.％、进一步优选为1.12wt.％-1.14wt.％；

Cu 3.5wt.％-4.0wt.％、进一步优选为3.52wt.％-3.99wt.％；

Mg0.45wt.％-0.65wt.％、进一步优选为0.46wt.％-0.62wt.％；

Zr0.12wt.％-0.17wt.％、进一步优选为0.13wt.％-0.16wt.％；

Mn0wt.％-0.31wt.％；

Ag0.25-0.35wt.％；

Zn<0.01wt.％，Fe<0.1％、Si<0.1wt.％、K<0.001wt.％、Na<0.001wt.％，

余量为Al，各成分重量百分比之和为100％。

作为本发明的具体实施方式之一，所述铝锂合金板材，其成分设计为：Li为1.12wt.％、Cu为3.99wt.％、Mg为0.62wt.％、Zr为0.16wt.％、Mn为0.31wt.％、Ag为0.33wt.％、Zn<0.01wt.％，Fe<0.1％、Si<0.1wt.％、K<0.001wt.％、Na<0.001wt.％，余量为Al，各成分重量百分比之和为100％。按上述成分制备的板材经线切割加工成长80mm拉伸试样，试样进行逐步升温固溶处理，固溶在盐浴中进行，固溶处理后，快速取出水冷至室温。淬火后的样品进行5％的冷轧预变形。采用这一组分设计，经双级连续时效处理后，所得产品的抗拉强度大于等于620MPa、屈服强度大于等于525MPa、延伸率大于等于8.5％。

作为本发明的另一具体实施方式，所述铝锂合金挤压材，其成分设计为：Li为1.14wt.％、Cu为3.53wt.％、Mg为0.46wt.％、Zr为0.13wt.％、Ag为0.26wt.％、Zn<0.01wt.％、Mn<0.31wt.％，Fe<0.1wt.％、Si<0.1wt.％、K<0.001wt.％、Na<0.001wt.％，余量为Al，各成分重量百分比之和为100％。按上述成分制备的挤压材沿挤压方向经线切割加工成长80mm拉伸试样，试样进行逐步升温固溶处理，固溶在盐浴中进行，固溶处理后，快速取出水冷至室温。淬火后的样品进行5％的冷轧预变形。采用这一组分设计，经双级连续时效处理后，所得产品的抗拉强度大于等于570MPa、屈服强度大于等于520MPa、延伸率大于等于9.5％。

根据本发明的实施实例，作为有效提高合金强度的工艺，对不同成分及热成型工艺的合金具有相同的作用效果，微量合金元素含量的变化和熔铸工艺对其影响较弱。

上述铝锂合金采用本双级连续时效处理方法，获得了力学性能优良的时效强化型铝锂合金，制得的此类合金具有优越的室温抗拉抗拉强度、屈服强度和良好的伸长率。

除此之外，在保证性能的前提下，采用上述非等温时效工艺有效的缩短了时效时间，不仅解决工厂生产效率问题，还减少了能源的消耗，提高企业的效益。

本发明的特点：

在该时效工艺实施前，需要对铝合金板材进行固溶淬火处理，固溶在盐浴中进行，固溶处理后，快速取出水冷至室温。淬火后的样品进行5％的冷轧预变形。该时效的主要特点是在温度的连续变化中对铝合金进行时效处理，在该过程中包含了2个升温速率和不同的连续变温区间，即双级连续加热的非等温过程，通过不同温度区间的升温速率的调整实现对微观结构的控制，进而对性能的合理调节，最终满足构件的性能要求。结合了不同温度区间对析出相形核长大分段调控的优点，同时减少了在较高温度下时效发生位错的回复而对强度带来的影响。该时效工艺不仅能对合金的显微组织结构控制以获得良好的性能，而且还能减少时效的周期，达到节能减排、增加效益的目的。

附图说明

图1为时效工艺的示意图：a为单级连续时效工艺控制图；b为双级连续时效工艺控制图；c为四级时效工艺控制图；d为T8等温时效工艺控制图。

图2为铝锂合金的显微组织：a为对比例1中经过单级连续时效所得产物的显微组织图；b为实施例1中经过双级连续时效所得产物的显微组织图实施例中经过。

具体实施方式

对比例1

在本对比例中，所述铝锂合金板材，其成分设计为：Li为1.12wt.％、Cu为3.99wt.％、Mg为0.62wt.％、Zr为0.16wt.％、Mn为0.31wt.％、Ag为0.33wt.％、Zn<0.01wt.％，Fe<0.1％、Si<0.1wt.％、K<0.001wt.％、Na<0.001wt.％，余量为Al，各成分重量百分比之和为100％。按上述成分制备的板材经线切割加工成长80mm拉伸试样，试样进行逐步升温固溶处理，固溶在盐浴中进行，固溶处理后，快速取出水冷至室温。淬火后的样品进行5％的冷轧预变形。时效工艺采用了传统的等温时效方式(T8时效)，结合时效硬化曲线，选取峰时效下进行时效处理，即将板材加热至145℃保温36h。所得材料的最终力学性能见表1。

图2a为本对比例的透射电镜显微组织图片。

对比例2

在本对比例中，采用与对比例1相同的成分及生产工艺制备的铝锂合金板材，并且固溶淬火和预变形工艺也与对比例1相同。

时效工艺：将试样放入加热到22℃的电阻炉中，随后经过18h升温到160℃，期间升温速率为7.7℃/h，冷却方式为炉冷，其所得材料的最终力学性能见表1。

对比例3

在本对比例，采用与对比例1相同的成分及生产工艺制备的铝锂合金板材，并且固溶淬火和预变形工艺也与对比例1相同。

时效工艺：将试样放入加热到22℃的电阻炉中，随后经过12h升温到130℃，期间升温速率为9℃/h；再由130℃经3h先升温至145℃，期间在145℃恒温6h，最终由145℃再经3h先升温至160℃，期间升温速率为5℃/h，冷却方式为炉冷，其所得材料的最终力学性能见表1。

对比例4

在本对比例中，所述铝锂合金挤压材，其成分设计为：Li为1.14wt.％、Cu为3.53wt.％、Mg为0.46wt.％、Zr为0.13wt.％、Ag为0.26wt.％、Zn<0.01wt.％、Mn<0.31wt.％，Fe<0.1wt.％、Si<0.1wt.％、K<0.001wt.％、Na<0.001wt.％，余量为Al，各成分重量百分比之和为100％。按上述成分制备的挤压材沿挤压方向经线切割加工成长80mm拉伸试样，试样进行逐步升温固溶处理，固溶在盐浴中进行，固溶处理后，快速取出水冷至室温。淬火后的样品进行5％的冷轧预变形。时效工艺采用了传统的等温时效方式，结合时效硬化曲线，选取峰时效下进行时效处理，即将板材加热至130℃保温24h。所得材料的最终力学性能见表1。

对比例5

在本对比例中，采用与对比例4相同的成分及生产工艺制备的铝锂合金挤压材，并且固溶淬火和预变形工艺也与对比例4相同。

时效工艺：将试样放入加热到22℃的电阻炉中，随后经过18h升温到160℃，期间升温速率为7.7℃/h，冷却方式为炉冷，其所得材料的最终力学性能见表1。

实施例1

在本实施例中，采用与对比例1相同的成分及生产工艺制备的铝锂合金板材，并且固溶淬火和预变形工艺也与对比例1相同。

时效工艺：将试样放入加热到22℃的电阻炉中，随后经过12h升温到130℃，期间升温速率为9℃/h；再由130℃经6h升温至160℃，期间升温速率为5℃/h，冷却方式为炉冷，随炉冷却速率<50℃/h，其所得材料的最终力学性能见表1。

图2b为本对比例的透射电镜显微组织图片。

实施例2

在本实施例中，采用与对比例1相同的成分及生产工艺制备的铝锂合金板材，试样进行逐步升温固溶处理，固溶在盐浴中进行，固溶处理后，快速取出水冷至室温。淬火后的样品进行5％的冷轧预变形。

时效工艺：将试样放入加热到21℃的电阻炉中，随后经过17h升温到140℃，期间升温速率为7℃/h；再由140℃经5h升温至170℃，期间升温速率为6℃/h，冷却方式为炉冷，随炉冷却速率<50℃/h，其所得材料的最终力学性能见表1。

实施例3

在本实施例中，采用与对比例1相同的成分及生产工艺制备的铝锂合金板材，试样进行逐步升温固溶处理，固溶在盐浴中进行，固溶处理后，快速取出水冷至室温。淬火后的样品进行5％的冷轧预变形。

时效工艺：将试样放入加热到0℃的电阻炉中，随后经过10h升温到120℃，期间升温速率为12℃/h；再由120℃经7.5h升温至150℃，期间升温速率为4℃/h，冷却方式为炉冷，随炉冷却速率<50℃/h，其所得材料的最终力学性能见表1。

实施例4

在本实施例中，采用与对比例4相同的成分及生产工艺制备的铝锂合金挤压材，并且固溶淬火和预变形工艺也与对比例4相同。

时效工艺：将试样放入加热到22℃的电阻炉中，随后经过12h升温到130℃，期间升温速率为9℃/h；再由130℃经6h升温至160℃，期间升温速率为5℃/h，冷却方式为炉冷，随炉冷却速率<50℃/h，其所得材料的最终力学性能见表1。

实施例5

在本实施例中，采用与实施例4相同的成分及生产工艺制备的铝锂合金挤压材，试样进行逐步升温固溶处理，固溶在盐浴中进行，固溶处理后，快速取出水冷至室温。淬火后的样品进行5％的冷轧预变形。

时效工艺：将试样放入加热到20℃的电阻炉中，随后经过12h升温到140℃，期间升温速率为10℃/h；再由140℃经6h升温至170℃，期间升温速率为5℃/h，冷却方式为炉冷，随炉冷却速率<50℃/h，其所得材料的最终力学性能见表1。

实施例6

在本实施例中，采用与实施例4相同的成分及生产工艺制备的铝锂合金挤压材，试样进行逐步升温固溶处理，固溶在盐浴中进行，固溶处理后，快速取出水冷至室温。淬火后的样品进行5％的冷轧预变形。

时效工艺：将试样放入加热到20℃的电阻炉中，随后经过11h升温到130℃，期间升温速率为10℃/h；再由130℃经5h升温至160℃，期间升温速率为6℃/h，冷却方式为炉冷，随炉冷却速率<50℃/h，其所得材料的最终力学性能见表1。

表1实施例和对比例合金的室温性能

比较实施例与对比例的性能参数值，可以看出：

实施例1，相比与其T8态，即对比例1，塑性略微增加，其强度增加明显，显著缩短了时效时间，最长可减少一半。实施例1和4，相比于单级连续时效，对比例2和5，尽管其延伸率显著下降，但屈服强度都有100MPa以上的增加，表明T₁相对合金的屈服强度有明显的影响；对比例3是在实施例1的基础上在第二级温度区间中145℃下进行6h的保温处理，通过增加高温时效时长，使析出相进一步明显长大，显著的降低了数密度，性能明显下降。

单一区间的连续时效处理存在可控参数较少，对析出相的形核长大不能较好的加以调控，较慢速度升温利于T₁相的形核，但其在高温下的时效时间相对较短，导致析出相的尺寸细小，因而其强化效果较差。双级连续时效可对形核和长大之间进行控制，同时结合适当的预变形，通过调节高温和低温的时效时长，调节析出相形核与长大之间的关系，适当的降低了数密度，使其明显长大，因而获得了较好的强化效果，特别是屈服强度增加显著。

双级连续时效在时效时间明显缩短的情况下还能使其强度增加，这不仅与该工艺对析出相的合理调控相关，也与相对时效温度偏低对位错回复的影响减弱而使预变形产生的加工硬化对强度的贡献增加。因此该时效工艺改变了以往单一追求析出强化，良好的结合析出强化和应***化，在提高强度的同时使时效时间明显缩短。

双级连续时效作为有效提高合金强度的工艺，对不同成分及热成型工艺的合金具有一致的作用效果，微量合金元素含量的变化和熔铸工艺对其影响较弱，获得了力学性能优良的时效强化型铝锂合金，制得的此类合金具有优越的室温抗拉抗拉强度、屈服强度和良好的伸长率。