李家印 常迎来 闵光辉②

（①昌吉学院 昌吉 831100 ②山东大学材料学院 济南 250014）

铝锂合金具有密度低、比弹性模量高、耐热性和抗应力好、可进行热处理强化等优点，能够满足飞机与航天器的减重设计和结构设计等要求，被广泛应用在航空航天工业领域中。2297铝合金是上世纪末由美国雷诺公司研制的第三代铝锂合金，具有低密度、中等强度和良好的抗应力腐蚀性，是飞机首选的结构材料，成功地应用在F-16机身舱壁。作为新一代航空航天用轻质铝合金，目前关于其研究主要集中在熔炼与铸造、析出相强化机理等方面，缺少对2297铝合金挤压成形与电学性能方面的研究。

热挤压是一种较为常见的加工成型方式，能够较大程度上改变材料的组织特征，进而提高铝合金塑性和综合力学性能，是铝合金加工过程中的一个重要环节。研究表明，挤压比对于挤压后合金的微观组织与性能发生较大的影响。周天国等对6201铝合金线材研究发现，随着挤压比的增大,合金线材的抗拉强度，延伸率和电阻率增大，其增大的趋势随着挤压比的进一步增加而逐渐减小；陈胜迁等对Al-7.0Si-1.2Fe-0.3Mg合金研究发现，挤压比对富铁相破碎和晶粒细化有显著效果；易丹青等对AA8030铝合金研究发现，合金在挤压过程中发生动态再结晶，晶粒细化，退火后的电导率随着挤压比（6～28）的增大呈先上升后下降的趋势。

此外，Al-Cu-Li合金属于可热处理强化变形铝合金，其最终使用状态通常为固溶时效态，固溶处理要达到Cu、Li和Mg等有强化作用的溶质原子充分回溶至铝合金基中的目的，通过高温下固溶后立即淬火处理，以便获得过饱和固溶体，再进行后续的时效处理来获得强化析出相，再通过调整合金阶段析出相的数量和种类等因素，使合金的性能得到提高。综上所述，热挤压加工对铝合金的组织性能有重要影响，但目前研究未涉及热挤压对2297铝合金组织演变的作用，特别是挤压工艺参数对其力学性能和电学性能的影响鲜有见到。因此，本文对2297铝合金进行热挤压实验，研究挤压比对2297铝合金不同状态（挤压态和时效态）力学性能与电学性能的影响，进而为通过调整挤压工艺而实现对产品性能的调控提供参考，为制定合理的热加工工艺提供技术支持。

1 实验

2297实验合金主要化学成分(质量分数，%)为Cu2.30，Li1.47，Mg0.08，Mn0.36，Zr0.08，Ti0.06，Al余量。采用电阻炉熔炼，LiF与LiCl(1∶4)混合覆盖剂保护，石墨铸型浇注成型；铸锭经520℃不同时间的均匀化热处理，然后表层车皮成Φ125mm×150mm的圆棒铸锭；采用800t挤压机进行挤压处理，挤压筒直径为Φ125mm，坯料的挤压温度设为420℃，挤压筒和模具的温度比坯料的温度低20℃，挤压成型的圆棒直径分别为Φ44mm、Φ23mm和Φ16mm，对应的挤压比分别为8、30和61；对挤压后的试件在高温箱式电阻炉内进行固溶处理，固溶温度设520℃，固溶时间设为1.5h，固溶后立刻室温水淬。对固溶处理后的试样在真空干燥箱内进行时效处理。时效温度设为190℃，时效时间设为24h，采用空冷。

对不同状态下金相组织进行观察，试样经粗麿、细麿、绒布抛光后，用Keller’s试剂（2mLHF+3mL HCl+5mLHNO3+190mLH2O）进行腐蚀，腐蚀时间依据合金状态而定，使用NikonDS-U3Nikon光学电子显微镜(OM)观察合金金相组织的晶粒大小、形貌和

再结晶的情况；采用ZEISSSUPRA55-VP型扫描电子显微镜观察合金中第二相的形貌、大小和分布情况；采用HV-1000型显微硬度计测试合金的显微硬度；加载载荷为2.94N，加载时间为10s；按照GB/T 228.1-2010《金属材料拉伸试验方法》的有关规定，对不同状态的合金进行抗拉强度、屈服强度和延伸率测定，不同试样的室温力学性能测试在钢研纳克GNT100电子万能拉伸压缩试验机上进行拉伸性能测试，拉伸速率为2mm/min，每组3个试样，数据取平均值；本文采用日本ULVAC公司生产ZEM-3See⁃beck系数/电导率测试系统对电阻率ρ参数进行测量，在20℃下，退火铜线的电阻系数为0.017241×10-6Ω·m，电导率为58.0MS/m时确定为100%IACS，其他任何材料的导电率（%IACS）可用公式计算，导电率（%IACS）=0.017241/ρ×100%。

2 结果与分析

2.1 合金铸态与均匀化态显微组织性能分析

从图1(a)可以看出，铸态主要由较大晶粒的等轴枝晶亚组织组成，在晶界附近存在大量未回溶的连续分布的非平衡共晶组织，枝晶偏析明显。其原因是浇铸时冷却较快，液相在一定温度下的扩散过程尚未完全进行充分时温度就已连续下降，致使液相尤其是靠近固相侧溶质原子富集，造成各相内成分不均匀并保留在最终的凝固组织中形成偏析。图1(b)所示为合金520℃×24h均匀化处理的显微组织，经过均匀化处理后，枝晶偏析得到有效改善，晶界处大部分非平衡相溶入基体中；晶界变得断断续续且不清晰，残余难溶的第二相粒子呈形状规则的细小点状或不规则状并沿晶界不连续分布以上观察说明，合金在520℃×24h均匀化可以使铸锭中绝大部分可溶性共晶相回溶到基体。

图1（c）是实验合金在520℃的温度下，不同时间的显微硬度与拉伸延伸率。随着均匀化开始到18h，显微硬度迅速下降，从86.3HV降到70.7HV；随着均匀化时间的继续延长，显微硬度又开始缓慢上升，36 h后硬度升到73.7HV。同时随着均匀化时间的延长，延伸率逐渐上升。合金性能的提升，与其微观组织的演变有着密切的联系。不同时间的520℃均匀化处理后，铸锭中溶质原子团簇在高温下回溶进基体，导致均匀化初期硬度下降，但随着均匀化时间延长，非平衡相中的大量合金元素回溶进铝基体中，起到固溶强化的作，导致硬度上升；同时树枝晶间的偏析减少或消除，使组织更加均匀，有利于合金在塑性变形过程中的均匀变形，获得较为理想的强度和塑性的配合。综合考虑，均匀化制度定为520℃×24h，有利于后续的热挤压工艺。

图1

2.2 合金挤压态显微组织性能分析

图2 （a-c）为不同挤压比棒材挤压态金相组织图，从图2（a）可知，以较小的挤压比（8∶1）时，合金原始组织在挤压力的作用下被拉长，沿变形方向呈流线形分布，晶粒长宽比较小，第二相粒子大而稀疏，晶粒以动态回复为主；当挤压比变成30∶1时，变形晶粒成纤维状分布，晶界处粗大的第二相颗粒沿变形方向分布，晶界出现锯齿状，具有动态回复和再结晶的特征，而再结晶较少，如图2（b）所示；当挤压比是61∶1时，成纤维状晶粒的长宽比增大，沿纤维状晶界分布的第二相颗粒细小而均匀，在部分晶界附近出现了再结晶晶粒，如图2（c）所示。

通常认为，铝合金由于层错能高，位错易于攀移和交滑移，所以在变形过程中只发生动态回复而不易发生动态再结晶。根据文献可知，挤压变形过程中，在较大的剪切应变作用下，粗大的原始晶粒首先沿剪切变形方向被拉成长条状，晶内出现大量的位错和转动的亚晶，位错形成位错缠结，而亚晶通过亚合并机制形成大角度亚晶和亚晶界；随着挤压比的增大，大量的塑性变形造成合金晶体结构严重畸变和位错大幅度增加，在晶界处聚集了大量缺陷，能量较高，形核发生再结晶的驱动力增大，在严重畸变的区域产生大量新的晶核，晶界通过迁移吸收位错，亚晶以亚晶吞并方式而长大。另外，挤压过程中金属坯料和挤压模具之间的摩擦以及金属塑性变形产生了大量的热量也对晶粒的动态回复再结晶有加剧作用。

图3（a）是不同挤压比的合金挤压态显微硬度与导电率的比较。从图中可以看出，显微硬度随着挤压比的增加呈逐渐上升的趋势，但增加幅度较小，合金在挤压比为61时是77.1HV，挤压比为8时是73.5 HV；而导电率随着挤压比的增加逐渐下降，2297合金在挤压比为61时是24.82%IACS，当挤压比为8时是26.0%IACS。

合金热变形实质上就是加工硬化与动态软化这两个矛盾的因素相互此起彼伏共同作用于合金，最终影响合金组织性能的过程。由图3（a）可以看出，在挤压后合金硬度随挤压比的增加而增大，说明此时由变形产生的加工硬化起主导作用，挤压比越大，加工硬化越明显，纤维状组织更加明显。有研究认为，在较大塑性变形的情况下，虽然由于高密度位错的作用产生动态再结晶，从而产生大量的近纳米级晶粒，但这些近纳米级亚晶粒内部同样会产生位错，从而使硬度值升高。

合金电学性能主要受到晶界、位错、固溶原子及第二相对电子散射的综合影响。合金经过热挤压变形后发生动态再结晶，随着挤压比的增大，再结晶晶粒增多且晶界变多，导致晶界对电子的散射作用增强，会降低合金导电率；同时合金的导电率与合金组织中存在的位错密切相关，位错能够造成晶格的严重畸变，从而阻碍自由电子的运动，因此在挤压变形过程中，随着挤压比的增大，变形引入的位错难以及时消除，从而使合金样品中残留有位错等缺陷，且随着挤压比的增大，位错密度有所增加。从图2中也可以看出，即使在较大的挤压比下，合金组织依然以变形纤维组织为主，导致导电率降低。

2.3 合金时效态组织性能分析

图2（d-f）为不同挤压比棒材时效态金相组织图，棒材发生了明显的静态再结晶及晶粒的长大现象，在较小的挤压比的情况下，合金中含有大量细小亚晶组织的非再结晶晶粒较多，呈亮白色的再结晶晶粒较少；当挤压比增加到61时，再结晶晶粒增多，并发现晶粒有长大的现象。

固溶处理的目的是合金在不过烧的情况下，使铝基体中尽可能溶进第二相粒子，溶质原子在基体中的固溶度得到提高，时效过程中强化相的相变驱动力得到增加，导致时效过程中的第二相尽可能多析出，从而达到合金强化目的。挤压比越大，挤压态的位错密度就越大，第二相粒子被挤碎的更小，固溶时就越容易回溶到基体里。随着挤压比的增大，挤压棒材中具有较高的位错密度，即积累较多变形储能，为固溶时效热处理过程中的静态再结晶提供驱动力。

图2 合金不同挤压比的金相组织

2297铝合金经不同挤压比的棒材固溶时效处理后的力学性能和电学性能与挤压比的关系如图3（bc）所示，随着挤压比的增加，时效态棒材的显微硬度呈上升的趋势，而导电率逐渐下降。当挤压比为8时，时效态棒材的显微硬度为108.92HV，导电率为33.6%IACS；当挤压比为61，时效态棒材的显微硬度为126.6HV，导电率为28.73%IACS。图（c）为不同挤压比的挤压态棒材力学性能强度，随着挤压比的增加，抗拉强度和屈服强度呈逐渐上升的趋势，而延伸率逐渐呈逐渐下降的趋势，在挤压比为61时，时效态棒材的抗拉强度为332MPa，屈服强度为240MPa，延伸率为10.11%。

Al-Cu-Li合金的主要强化机制是时效强化，通过淬火获得的过饱和固溶体时效析出的第二相粒子，产生时效强化作用，提高合金综合性能。挤压比大的棒材中具有更高的位错密度，为非均质形核提供更多有利形核位置，加快了析出相的形核速率，引起后续时效过程析出相析出数量和密度的增加，大幅度提高合金力学性能；另一方面能引入加工硬化效果，提高合金强度。此外，由于合金中位错的移动减少，滑移变形量的减少，同样影响合金塑性力学性能。

在时效过程中，过饱和固溶体逐渐分解，使基体中的过饱和程度出现降低，导致合金的导电率上升；但随着挤压比的增加，时效析出相的数量增多，析出相的尺寸变大，析出相的分布更弥散，从而导致合金的导电率将变低。

图3 合金不同挤压比的力学性能与电学性能分析（a）挤压态；（b、c）时效态

3 结论

⑴随着挤压比的增大，塑性变形量也逐渐增大，合金棒材原始粗大的晶粒沿着挤压的方向逐渐拉长变细成纤维状晶粒，在挤压比为61时，出现了部分再结晶小晶粒；挤压态合金显微硬度随着挤压比的增大呈逐渐上升的趋势，而导电率随着挤压比的增大逐渐下降。

⑵合金棒材经固溶时效热处理后，棒材发生了明显的静态再结晶及晶粒的长大现象；随着挤压比的增加，时效态棒材的显微硬度、抗拉强度和屈服强度呈逐渐上升的趋势，而导电率和延伸率呈逐渐下降的趋势；挤压比为61时，时效态棒材的抗拉强度为332MPa，屈服强度为240MPa，延伸率为10.11%，显微硬度为126.6HV，导电率为28.73%IACS。