2010年第6期 导 弹 与 航 天 运 载 技 术 No.6 2010 总第310期 MISSILES AND SPACE VEHICLES Sum No.310
收稿日期：2009-06-09
作者简介：张宇玮（1973-），男，高级工程师，主要研究方向为有色金属材料工艺
文章编号：1004-7182(2010)06-0050-03
一年级三字经铝-镁-锂合金高温瞬态力学性能
张宇玮1，郝志平1，吴大方2，于永良1，范文利1
（1. 航天材料及工艺研究所，北京，100076；2. 北京航空航天大学，北京，100083）
摘要：采用红外辐射热冲击加热的瞬态气动加热系统对Al-Mg-Li 合金进行快速加热，研究快速加热对Al-Mg-Li 合金高温力学性能和组织的影响。结果表明：采用该加热系统40 s 可以达到温度场均匀，在150 ℃时Al-Mg-Li 合金的屈服强度和抗拉强度分别为300 MPa 、380 MPa ，是室温强度的80%以上，具有良好的高温性能；Al-Mg-Li 合金良好的高温强度不仅与δ′粒子重新回复有序结构有关，而且与高温下δ′粒子长大提高合金的时效强化有关。
关键词：铝-镁-锂合金；快速加热；高温性能 中图分类号：V252.2 文献标识码：A
Tensile Properties of Al-Mg-Li Alloy by Fast Heating
Zhang Yuwei 1，Hao Zhiping 1，Wu Dafang 2，Yu Yongliang 1，Fan Wenli 1
（1.Aerospace Rearch Institute of Material Technology ，Beijing ，100076； 2.Beijing University of Aeronautics and Astronautics ，Beijing ，100083）
Abstract ：The tensile properties of Al-Mg-Li alloy have been studied when it is fast heated by an infrared equipment. The results
show that the alloy reaches the temperature that is required for the experiment after 40 conds heating , and the tensile strength and yield strength at 150 ℃ is 380 MPa and 300 MPa, respectively, which attain 80% that of room temperature, the alloy exhibits good high temperature strength when temperature is up to 150 ℃. The high temperature strength of Al-Mg-Li alloy relate to restoration of order in the δ′ pha and growth of δ′ pha size in high temperature.
Key Words ：Al-Mg-Li alloy ；Fast heating ；Tensile property
0 前 言
在航天飞行器的研制中选用高比强度、比模量材料是设计人员首要考虑的目标，因此在火箭等航天器箭体结构中铝合金得到了广泛的应用。航天飞行器在上升段高速飞行时存在着严重的气动加热现象，为了确认飞行器选用材料是否能经得起高速飞行时所产生的高温热应力，必须对材料进行静态和动态的模拟气动试验和热强度实验。
铝锂合金由于其中每加入1wt%Li ，密度下降3%，弹性模量提高6%，广泛受到航空航天领域注意。各国相继开发了Al-Mg 系列、Al-Cu 系列等多个系列的铝锂合金，Al-Mg-Li 系中的1420、1421等合金具有密度低，比模量、比强度高，耐蚀性优良及可焊性好等一系列优点，目前已广泛地应用于航空航天工业[1~3]
。
国内对于Al-Mg-Li 合金在高温瞬态加热情况下其
力学性能和组织变化规律的研究较少，通过研究Al-Mg-Li 合金在高温瞬态加热情况下的力学性能和断口形貌的变化规律，将有助于Al-Mg-Li 合金在航天飞行器上应用。
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1 试 验
1.1 材 料
试验采用Al-Mg-Li 合金，热处理制度为460 ℃下加热230 min ，空冷时效为120 ℃下处理16 h 。锻件的化学成分见表1，力学性能试样尺寸为Φ5×70 mm 。
表1 Al-Mg-Li 合金化学成分
元素 Li Mg Zr Al Al-Mg-Li 2.12% 5.54% 0.14% 余量
张宇玮等铝-镁-锂合金高温瞬态力学性能51第6期
1.2 设备
采用计算机瞬态气动模拟加热测控系统，该加热系统采用红外辐射热冲击加热，用来模拟飞行器飞行时快速连续变化的非线性加热过程。
1.3 试验内容
测试材料力学性能之前，在试样内部和外部分别放置温度传感元件，测试在加热过程中试样内外温度的变化。Al-Mg-Li合金试样在测试系统中加温1 min 后进行力学性能测试，试样的加热温度分别为100 ℃、150 ℃、200 ℃、250 ℃和300 ℃。
2 结果与讨论
2.1 试样的温度场均匀性
对不同温度下试样内外温度变化进行检测，图1为250 ℃下实际加热及保温过程中试样内外温度均匀性测试曲线。
图1 试样加热过程中内外温度变化情况
从图1中可以看出，在高速热冲击段，由于热传导需要一定时间，试件内部中心处温度上升速率低于表面温度上升速率，热冲击段转入温度保持段后试样内外温差逐渐减少，在加热40 s后试样内外温度达到一致。选择加热1 min后进行力学性能测试时，试样内外温度达到一致，保证了试验的可靠性。
2.2 Al-Mg-Li合金高温瞬态力学性能
图2为Al-Mg-Li合金在不同温度快速加热后力学性能测试结果。
从图2可以看出随着温度的增加，Al-Mg-Li合金的抗拉强度逐渐降低；延伸率逐渐升高，与8090和CP276合金类似[4]，在250 ℃时延伸率出现一个塑性低谷；屈服强度先随试验温度上升而上升，在100 ℃达到峰值后逐渐降低。在150 ℃时Al-Mg-Li合金的屈服强度和抗拉强度分别为300 MPa和380 MPa，达到室温屈服强度和抗拉强度80%以上，这说明Al-Mg-Li 合金具有良好的高温瞬态力学性能[5]。
雷锋精神心得体会图2 Al-Mg-Li合金力学性能随温度变化曲线
2.3 组织分析
随着温度的升高，Al-Mg-Li合金断口宏观形貌发生较大变化，从室温无颈缩到150 ℃出现明显颈缩至300 ℃试样断口呈锥状。
室温150℃
300℃
图3 不同温度下Al-Mg-Li合金宏观断口形貌
图4中SEM韧窝和微孔形貌表明：在室温拉伸时，断口以沿晶断裂特征为主，随着温度的升高，断口逐渐以穿晶断裂为主；在150 ℃和300 ℃断口上可以观察到大量细小的韧窝。原因是高温变形时位错的交滑移和攀移过程使晶界处应力集中得到缓解，变形趋于均匀，晶粒在高温下也发生变形，所以断裂模式和形貌发生变化。
室温 100×150℃ 100× 300℃ 100×
图4 Al-Mg-Li合金SME韧窝和微孔形貌
Al-Mg-Li合金中δ′相为主要的强化相，δ′相与基
导弹与航天运载技术 2010年52
体是共格的，δ′质点的短程有序强化对强度的贡献最大[6]。
位错与δ′相交互作用主要取决于δ′粒子的体积分数和尺寸，当δ′粒子尺寸小于临界尺寸时，位错成对运动，δ′粒子被位错对剪切。随着时效过程的进行，δ′粒子逐渐长大，位错变成波状。在欠时效和近峰值时效状态，第2个位错破坏有序结构并且在δ′粒子中形成反相畴界；第3个位错可以消除由第1个位错所产生的无序结构。在过时效状态，δ′粒子尺寸大于临界尺寸，单根位错以奥罗万（Orowan）机制绕过δ′粒子形成的位错环。文献[5]认为铝锂合金的良好高温强度与高温变形因热激活作用而导致的δ′粒子重新有序化和在δ′粒子内形成交滑移障碍有关。如果第2个位错通过δ′粒子后被破坏的有序结构回复，后续位错需在更大的应力下才能运动，表现为强度更高。
本实验中Al-Mg-Li合金为欠时效状态，Al-Mg-Li 合金在小于200 ℃的高温时屈服强度不低于甚至高于室温屈服强度，与常规高温力学性能测试方法相比，采用该加热装置测试的Al-Mg-Li合金试样屈服强度高约30 MPa，而合金的屈服强度取决于位错在晶体中运动所受到的阻力，这说明造成Al-Mg-Li合金的良好的高温强度不仅与δ′粒子重新回复有序结构有关，而且与Al-Mg-Li合金在高温下δ′粒子长大提高合金的时效强化有关。3 结论
a）采用瞬态气动力模拟加热测控系统可以实现试样快速加热及内外温度一致。
b）Al-Mg-Li合金在150 ℃拉伸时屈服强度为室温屈服强度的80%，显示良好的高温瞬态力学性能。
c）通过组织分析，Al-Mg-Li合金的良好的高温强度不仅与δ′粒子重新回复有序结构有关，而且与Al-Mg-Li合金在高温下δ′粒子长大提高合金的时效强化有关。
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