三种高强铝合金高温组织实时观察研究.docx

    三种高强铝合金高温组织实时观察研究    袁建宇 王 影 逄锦程 谢国君 卢 鹉（航天材料及工艺研究所，北京 100076）文 摘 2219、2A14、2195 铝合金是航天领域常用的三种结构材料，特别是2195 合金，因其密度低、比强度和比刚度高等优势在航天的应用越来越广泛本文基于高温金相实时观测系统，在50 K/min加热速率下对强化态（固溶+时效）下的三种铝合金常温（约25 ℃）至软化温度（约600～660 ℃）下微观组织及相组成的变化过程进行了实时观察结果表明：强化态下的三种铝合金均在高于其固相线的温度下发生了熔化，高温金相视场中的初始熔化位置位于圆形相（含有Al、Cu 元素）附近，而块状相（含有Al、Cu、Fe 等元素）则最后发生熔化重新凝固后材料显微硬度降低50%左右，表明基体中的增强相减少；先析α 相中Cu 含量降低，大部分Cu 元素均富集于晶界上形成接近共晶成分的网状富Cu相；未溶块状相熔点较高，重新凝固后被推移到晶界对三种铝合金分析对比结果表明，2195 合金固液温度区间最小，高温下形成的网状富Cu 液膜最容易被拉开，因此该材料热裂纹敏感性最大0 引言2219、2A14 以及2195 合金是航天工业常用的三种高强铝合金结构材料，在贮箱、阀体等结构上得到了广泛的应用［1］。

其中，2219 合金属Al-Cu 系合金，2A14 合金属Al-Cu-Mg-Si 系合金［2-3］，2195 合金属Al-Cu-Li 系合金从国外运载火箭的应用来看，贮箱结构材料已经从第一代铝镁合金，第二代铝铜合金发展到第三代铝锂合金［4-5］2195 合金可以在铝铜合金的基础上进一步减低结构质量，提高运载能力，其用量占比在运载火箭中正在逐渐升高［6-8］三种铝合金使用状态均为固溶+时效态，其强化机理相似，均是使溶质元素固溶于铝基体组织，然后快速冷却，从而得到过饱和固溶体，然后对固溶态的合金进行时效处理，时效过程中使合金析出沉淀相，弥散分布在基体上，从而让合金得到强化［9-12］2219合金时效后合金内部形成细小弥散的强化相θ″相及θ′相等，从而达到较高的强度［13-14］2A14合金是在Al-Mg-Si系合金的基础上加入Cu和少量Mn发展起来的，主要强化相为θ″相（Al2Cu）和β相（Mg2Si）等2195合金添加Li元素可以使合金在时效过程中析出片状T1相（Al2CuLi），从而得到比2219、2A14合金更高的时效强度运载火箭低温贮箱等结构正是利用了2195合金的高强度，更好实现了结构减重、有效载荷增加的目的。

贮箱生产过程涉及焊接工艺，焊接过程中铝合金材料会经历高温熔化和冷却过程，其高温组织和合金相组成的转变过程对研究上述材料在焊接过程中的性能变化和缺陷产生的机理十分重要研究人员通过XRD、SEM、TEM、DSC 等多种手段对上述问题进行过研究［15-17］，然而上述方法均无法实现对高温组织变化过程的原位实时观察实际上，研究高温组织和相转变的最简便方式是通过高温金相系统，原位观察不同温度下试样表面显微组织变化该技术不仅能够像普通金相技术那样观察常温、静态下的组织，还能够控制温度变化，实时观测组织及相的演变过程［18］，因此受到了研究人员的重视本文采用高温金相系统，对航天工业中常用的三种铝合金材料（2195、2219、2A14）的高温组织进行原位观察与分析，从而深入了解上述材料在经历高温后的组织和性能变化机理，拟为运载火箭贮箱等结构研制和焊接工艺提供借鉴1 试验1.1 试验材料材料为2195（T8态）、2219（T87态）以及2A14（T6态）铝合金板材，上述热处理状态均为火箭低温贮箱的常见使用状态三种铝合金的名义化学成分及实测值见表1，主合金元素均为Cu，其中2195 合金Cu含量实测值为3.8%，其他合金元素包括Li、Mg 等；2219合金Cu含量实测值为5.8%，还含有少量Mn、Fe等元素；2A14 合金铜含量为4.3%，还包括Mg、Si、Mn、Fe等元素。

表1 三种铝合金名义化学成分及实测值Tab.1 Nominal and actual chemical composition of three aluminum alloys%（w）1.2 高温金相系统高温金相系统包括5个不同的子系统，分别为成像系统、气体保护系统、真空系统、加热系统和冷却系统其中，成像系统包括光学显微镜、图像处理软件和图像录制软件；气体保护系统包括氩气气瓶、气体流量计；加热系统包括铑电阻丝、热电偶以及温度控制器；冷却系统包括循环水及其流经的管路，其核心部分如图1所示［19］图1 高温金相系统组成Fig.1 The experimental setup of the high temperature metallography in-situ observation system1.3 试验参数将三种铝合金材料加工成适合高温金相观察的小尺寸薄片状试样，将其水平放入陶瓷坩埚样品腔内设置控温程序从室温（RT，约25 ℃）上升，升温速度为50 K/min，逐渐升至材料发生软化和坍塌的温度（ZST，约660～700 ℃），随后降温，降温过程中采用循环水冷却，降至室温后停止试验，加热过程示意图如图2所示。

在加热过程中，实时观察三种铝合金材料表面组织和合金相组成的演变过程；材料软化坍塌后，由于试样表面较为粗糙且存在氧化膜，不再适合光学显微镜观察，因此后续采用扫描电镜进行表面观察与分析图2 三种铝合金加热过程示意图Fig.2 Illustration of the heating process for three aluminum alloys1.4 试验方法采用Quanta FEG 650场发射扫描电镜进行微观观察，加速电压为20 kV，采用牛津X-Max能谱仪进行成分分析采用ATM Saphir 560设备对试样进行自动研磨、抛光，采用凯勒试剂进行试样腐蚀，采用Leica DM 4000M光学显微镜对腐蚀后的试样进行金相组织观察采用岛津1600-5122VD维氏硬度计对金相试样进行显微硬度测试，加载载荷为200 g，加载时间为15 s2 试验结果2.1 金相组织2195、2219、2A14三种铝合金原状态（分别为T8态、T87态以及T6态）金相组织见图3从图中可以看到，三种铝合金组织均为α相+质点相参照GB/T 6394—2017，对三种铝合金组织晶粒度进行评定，2195合金晶粒尺寸最大，晶粒度为3级，2219合金晶粒度为4级，2A14合金晶粒度为6级。

上述晶粒度的区别与该合金经历的轧制过程有关除了晶粒之外，在三种铝合金内部还可以看到大量的未溶质点相，这些未溶质点相既有可能分布在晶界，也有可能分布在晶内，形状不规则，尺寸均在30 µm以下图3 三种铝合金显微组织Fig.3 Microstructure of three alloys2.2 合金相组成为了对上述三种合金相组成进行进一步分析，分别在背散射模式下进行观察，微观形貌见图4从图中可以看到，三种合金基体（A1、B1、C1）上均弥散分布大量质点相，按照形状划分，上述质点相包括2类：分别为圆形相（A2、B2、C2）和块状相（A3、B3、C3）分别对三种合金的基体和质点相进行成分分析和对比，并对其尺寸进行汇总，结果如表2所示从表2中可以发现：（1）基体中（A1、B1、C1处）Cu含量均低于实际Cu含量，这是由于大量的Cu进入到了未溶质点相之中所致；（2）三种合金均含有圆形Al-Cu相，虽然尺寸有区别，但Cu含量均较高（20%～40%），接近共晶成分（33%）；（3）三种合金中均含有块状相，且该相的组成差别很大，在2195合金当中为Al-Cu-Fe相，在2219合金中为Al-Cu-Fe-Mn相，在2A14合金中为Al-Cu-Fe-Mn-Si相，上述不规则块状相能起到的强化效果非常有限，并且易于形成疲劳裂纹和局部腐蚀失效的源区。

图4 三种铝合金背散射模式下的合金相组成Fig.4 Constituent phases of three aluminum alloys in backscattered electron detector mode表2 三种铝合金相组成能谱分析定量结果Tab.2 Quantitative EDS analysis results for constituent phases of three aluminum alloys%（w）2.3 高温金相实时观察图5显示了2195、2219、2A14三种合金高温组织实时观察，组织变化过程相同点如下：（1）三种材料均在高于其固相线的温度下发现了熔化现象上述现象主要是加热速率较快，在共晶温度（约548 ℃）下各相来不及达到平衡，因此固相线向相图的上方移动；（2）三种材料初始熔化位置均为圆形的未溶质点相附近，这种相既可能分布在晶内，也可能分布在晶界，由于该相中的Cu 含量较高，在该成分下的液相线温度较低，从而导致在圆形相附近首先发生熔化；（3）三种材料内部不规则的块状相熔点较高，在整个熔化过程中最后发生熔化，冷却后组织还存在少量残余，且大多分布于晶界处。

对三种合金熔化过程中的特点进行分析，2195合金在约650 ℃开始发生熔化，升温过程中随机出现“池塘状”熔体，同时表面颜色发生明显变化该变化与两方面原因有关：一是试样表面的氧化，二是试样温度升高发生的光学作用试样表面氧化严重，形成一层氧化膜，在加热过程中氧化膜不能约束熔体流动发生破裂，因此在组织中随机出现“池塘状”熔体，如图5（a）、（b）所示2219合金初始熔化位置位于Al-Cu相附近，且初始熔化温度最低，约为612 ℃，这与该合金中Cu元素含量最高，接近共晶成分的Al-Cu相熔点较低，在共晶温度（约548 ℃）下即可发生熔化有关值得注意的是，在50 K/min的加热速率下，系统处于不平衡状态，金相组织观察发现，直到612 ℃才发生明显的Al-Cu相的液化，如图5（c）、（d）所示对2A14合金而言，除圆形质点相周围出现熔体外，晶界上也可见明显的粗化上述晶界的粗化应与2A14溶质元素的含量、种类均较多，晶界熔点较低，因此在升温过程中优先发生熔化有关，如图5（e）、（f）所示图5 三种铝合金高温组织实时观察结果Fig.5 High temperature metallography in-situ observation results of three aluminum alloys2.4 合金相组成的变化连续加热至材料刚发生软化和坍塌的温度（660～700 ℃），并采用循环水冷却后，对三种铝合金材料的相组成进行分析，其背散射图像如图6所示。

从图中可以看到，三种铝合金晶界上存在大量的网状析出相，尽管在加热前三种铝合金的晶粒度存在明显差异，但是在凝固后，三种铝合金的晶粒尺寸较为相似，表明最终凝固组织的晶粒尺寸是由凝固过程参数（冷却速度）决定的图6 三种合金连续升温并冷却凝固后形成的组织Fig.6 Microstructure of three alloys after the continuous heating and cycled-water cooling process分别对重新凝固后三种铝合金基体（A1’、B1’、C1’）、晶界网状相（A2’、B2’、C2’）以及2A14合金块状相（C3’）进行成分分析，能谱定量分析结果见表3分析结果表明，三种铝合金基体中的Cu元素含量大大降低，远低于原始状态基体中的Cu含量；晶界网状相主要含有Cu元素，还含有Fe、Mn等元素，其中Cu元素的含量与共晶成分相近，表明该相是在先析α相形成后大部分Cu元素富集于晶界上所致；2A14合金中的块状相主要为Al-Cu-Fe-M。