铝锂合金无损检测技术方法

较之典型的结构铝合金，Al-Li合金具有高强度、高模量和低密度的组合等优点。性能的这种组合可降低飞机重量约10%而无损于结构完整性。而为了获得有利的力学性能，铝合金必须按照严谨的规范进行处理，这包括特定的热处理工序以得到所希望的微观组织形态：①在作完全的均匀化之后，合金将在升高的温度下进行时效，以提供合金化组元扩散所需的驱动力。时效过程包括涉及亚稳态的球形和共格的δ′（Al₃Li）金属间相的脱溶，这是Al-Li合金的主要强化相。②尺寸细小的锂原子在时效过程中要求小心控制，时效过程的细微偏差就可对锂原子提供足够的热能，使之扩散出溶体移至试件的表面。在这里，它与氧的高反应能力可在试件表面产生局部的贫锂区和形成无脱溶区。近表面的锂贫化可显著地改变Al-Li合金的力学性能；而无脱溶区的出现，已经发现对Al-Li合金的力学性能、断裂行为和抗应力腐蚀开裂有不利的影响，这些是需加关注的。

1.关于脱溶的无损表征

（1）电学方法：通常，在金属中的电导率随电子的平均自由径的增大而增大，因为脱溶影响电子散射体的数目和分布，转而就会改变电导率。脱溶的增加，减小了固溶体中电子散射体的数目，径而增高了电导率，这就为检查时效引起的变化提供了一项有用的技术。

试验所用试样有两种：①Al2090（成分质量百分率：Al-2.2Li-2.7Cu-0.12Zr-0.08Si-0.12Fe）；②二元合金Al-2.2Li，固溶处理分别在430℃和540℃进行，随之水淬或空冷，热时效安排在150℃、164℃、125℃或200℃进行，时间可为3h、6h、9h、12h、24h或33h。

直流电导率是用4点法测得的（参阅本手册第4篇第2章2.2节）；涡流响应是用5kHz频率测量，此时涡流的透入深度均为5mm，用探头在空气中和与试样接触时分别测得的复阻抗总变化之差（δ₂）给出。图10.2-10表示在直流电导率和涡流响应之间有相当好的线性关系。对于水淬试样，图10.2-11表明，在时效过程的最先12h，电导率的增大很快而后变平，这可能是脱溶的变化引起的；按时效的进程，锂脱落形成δ′（Al₃Li），增大了电导率，而大部分的脱溶是在最先的12h内完成的，进一步的时效并不能使脱溶或电导率明显增大。而图10.2-11中Al2090合金在200℃水淬的情况与其他温度的水淬情况不一样，这可能与铜相的脱溶物θ′和T₁有关。

图10.2-12为两试样在不同时效的情况下，涡流与维氏硬度的关系。可以看出，Al2090合金在固溶处理后水淬（WQ）或空冷（AQ），而后再在200℃下时效，在维氏硬度与涡流响应之间可得到非线性关系。Al2090合金不同时效处理的透射电镜观测如表10.2-1所示。可注意到：在200℃下时效33h后有T₁相（成分为Al₂CuLi）出现，而在175℃下处理时则不出现，这说明T₁相是电导率或涡流响应与维氏硬度值（HV）不成线性关系的原因。虽然T₁相已发现可提高强度，但对疲劳性能有不好影响，是一种需避免出现的相。指示T₁相出现的无损检测方法则是将涡流响应或直流电导率与维氏硬度一并测量。

图10.2-10 对于水淬合金，直流电导率与涡流响应之间的关系

注：实线为回归线，虚线为68%置信度

图10.2-11 Al2090和二元合金Al-2.2Li的电导率与时效时间的关系

图10.2-12 Al2090和Al-2.2Li在水淬（WQ）和空冷（AQ）下，涡流与维氏硬度（DPH）的关系

表10.2-1 Al2090合金不同时效处理的透射电镜观测

（2）超声波法在A98090铝锂合金（化学成分质量百分比：Li-2.4，Cu-0.14，Mg-0.67，Zr-0.11，Zn-0.03，Fe-0.03，Si-0.03，Ti-0.02，Al-其余）的两组试样上，就温度上升微观组织的变化，通过超声波速度和衰减的测量进行了无损表征。试样A：回火T8771，试样B：固溶退火（899°F，1h），自然时效。而利用测得的超声纵波、横波速度和试样的密度，试件的纵向模量、切变模量、体积弹性模量、弹性模量和泊松比是可以算得的。

对于超声纵波，从图10.2-13可见，除在460～480K的温度范围内，随着温度的上升，声速下降、衰减上升；而在460K，声波有一突然的上升，在470K，速度有一峰值，而衰减有一低谷，接着速度急剧下降至480K；另一方面，衰减首先是在450K开始下降，直降至470K（相当于观察到的纵波声速达到峰值）而后上升。可以认为其原因是：在460K，试样A和B中δ′脱溶开始形成，在δ′脱溶形成期间，超声波速度开始上升而衰减下降，温度进一步上升，470K的速度最大和衰减的低谷原因是为了δ′的成核、铝和锂原子的聚集。在这一阶段，置换元素的迁移将改变模量，因而观察到速度的增大，而脱溶物一经成长，在脱溶物/基体界面处超声波的散射将引起其后衰减的增大。超过470K，引起基体中脱溶物的分解，与之相应是观察到了速度的下降和衰减的上升。温度的进一步增高，脱溶物完全分解，径而观察到由于温度效应，速度下降的原先趋向和衰减上升的原先趋向。当试样从500K冷却到303K期间，由于微观组织变化的折回，声速和衰减随温度的变化也可观察到是类似的现象。(www.xing528.com)

对于超声横波，速度随着温度而变化的情况与图10.2-13相似。由纵波、横波速度和密度值算的弹性模量和泊松比随温度而变化的情况如图10.2-14、图10.2-15所示。

图10.2-13 对试样A和B，纵波速度和衰减与温度的关系

图10.2-14 对试样A和B，弹性模量E与温度的关系

图10.2-15 对试样A和B，泊松比μ和温度的关系

在电学方法表征中所制作的Al2090试样上进行了超声波速度和衰减的测量，结果如图10.2-16所示。看来，对比试样，时效时间和超声波速度及超声波衰减之间并无有规律的关系。

图10.2-16 对于水淬的Al2090，超声波衰减和超声波速度与时间的关系

2.关于锂贫化的无损检测

为了检测锂的贫化，采用了超声瑞利波法。瑞利波是非频散波，即其在试件中的传播速度与声的频率无关。因此，瑞利波在试件中的波长是由其频率确定的。瑞利波在传播材料中的透入深度近乎为一个波长，这样，改变瑞利波的频率，在表面下不同深度范围中波的传播速度是可以测得的。

由于瑞利波在材料中的传播速度与材料的弹性模量有关，而锂的贫化直接影响到该部位的弹性，因此，速度变化的测量可用作获得贫化区部位和贫化程度信息的方法。如果瑞利波速度在不同的频率下测量，锂贫化和深入到试件深处的关系曲线是可以作出的，所给出的有价值的信息可用来修正热处理的作业。

表10.2-2是用5MHz的超声瑞利波在2090-T84铝锂合金试样上测得的结果，透入深度0.06cm，是用两个换能器（一发一收）测得的。

表10.2-2 沿不同方向进行的超声瑞利波速度测量