鋁鋰合金的合金化及作用

摘 要:鋁鋰合金中添加少量合金元素，可顯著提高或改善合金的性能，詳細(xì)闡述了鋁鋰合金中合金元素對(duì)結(jié)構(gòu)的影響及其作用機(jī)理。

關(guān)鍵詞:鋁鋰合金沉淀相合金化

中圖分類號(hào):TG111.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2011)08(c)-0088-01

1 前言

鋁鋰合金具有低密度、高彈性模量、高比強(qiáng)度和高比剛度等優(yōu)良性能，是宇航工業(yè)最具潛力的輕型高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)材料。但是目前鋁鋰合金仍存在塑韌性低，各向異性嚴(yán)重等問題[1]。研究表明采用合金化手段有助于改善合金的性能，本文闡述了鋁鋰合金中合金元素對(duì)組織結(jié)構(gòu)的影響及其作用機(jī)理。

2 鋁鋰合金的合金化元素

2.1 基本元素Li(鋰)

鋰是最輕的金屬元素，密度只有 0.536 g/cm3，在鋁中每加入1t% 的鋰，可使合金密度降低3%，彈性模量提高6%。鋰鋁合金時(shí)效時(shí)析出δ′(Al3Li)產(chǎn)生強(qiáng)化，其過程為:過飽和固溶體亞穩(wěn)相δ′平衡相δ(AlLi)

δ′呈球狀，具有LI2型結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)為0.4nm，是合金時(shí)效的主要強(qiáng)化相，界面能較低，為0.014J·m-2，故δ′的形核激活能低，析出非常快，即使急冷也不能抑制δ′的形成。δ′與基體錯(cuò)配度僅為0.08%，這種共格易產(chǎn)生共面滑移，使位錯(cuò)在滑移面與晶界的交界處塞積，引起應(yīng)力集中。δ相具有B32(NaTi)型金剛石結(jié)構(gòu)，過時(shí)效時(shí)，δ沿δ′晶界析出，導(dǎo)致晶界附近Li原子的貧乏，形成低強(qiáng)度的無沉淀區(qū)(PFZ)。合金發(fā)生塑性變形時(shí)PFZ將優(yōu)先產(chǎn)生裂紋，該區(qū)域也會(huì)降低合金耐腐蝕性，所以實(shí)際的生產(chǎn)中要抑制δ相的形成。影響鋁鋰合金強(qiáng)韌性的主要因素是δ′相形態(tài)與分布、共面滑移和晶界無沉淀區(qū)，微合金元素的加入以改善上述因素為目的。

2.2 過渡金屬元素

2.2.1 Cu(銅)

T1相是Al-Li-Cu系合金最重要的平衡相，呈盤狀或片狀，六方型結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)a=b=0.50nm，c=0.93nm。T1相阻礙位錯(cuò)切過，對(duì)位錯(cuò)有釘扎作用，強(qiáng)化效果比δ′相更有力。但是T1相密排面(0001)//(111)α、密排方向[1010]//[110]α，其對(duì)共面滑移的減弱作用不明顯，因此不能改善合金的塑性。T1相在位錯(cuò)、亞晶界等晶體缺陷處以堆垛層錯(cuò)的方式非均勻形核，臨界形核功較高，析出非常緩慢。適量的預(yù)變形可以增加合金位錯(cuò)密度，增加T1相的形核場(chǎng)所，使T1相均勻、細(xì)小、彌散析出，T1相的長(zhǎng)大受臺(tái)階機(jī)制控制。T1相與基體之間的錯(cuò)配度僅為0.12%，基體提供T1相長(zhǎng)大的臺(tái)階數(shù)量有限，所以T1相在一定的溫度下粗化傾向小，能保持合金力學(xué)性的穩(wěn)定。但是溫度升高至 200℃時(shí)δ′相溶解，Cu、Li原子向臺(tái)階遷移的速率加快，臺(tái)階形核阻力變小，臺(tái)階數(shù)量倍增，T1相顯著粗化，合金力學(xué)性能下降[2]。

2.2.2 Mg(鎂)

加入Mg使鋁鋰合金的溶解度曲線上移，減小Li的固溶度，增加δ′體積分?jǐn)?shù)，有效地提高合金的強(qiáng)度。一般認(rèn)為這是由于Mg與空位的結(jié)合造成的，Mg與空位的結(jié)合能較高，約為0.25eV，淬火過程中，過飽和的空位與Mg原子形成Mg-空位原子簇，這些原子簇為δ的形核提供核心。鋁鋰合金同時(shí)加入Cu、Mg，由于Mg與空位以及Cu原子之間的交互作用，合金在淬火后形成許多Cu-Mg-clusters，成為富Cu 的θ″相的形核位置，促使Cu原子不斷向形核區(qū)擴(kuò)散，形成亞穩(wěn)相S′。S′相呈板條狀，斜方結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)a=0.40nm，b=0.93nm，c=0.72nm，其慣習(xí)面與基體的密排面不平行，可使共面滑移趨于彌散，改善合金的強(qiáng)韌性。S?相優(yōu)先在位錯(cuò)等缺陷處呈不均勻析出，能減小或削除PFZ，由于S′相的形核能較高，時(shí)效過程中S′相形核的孕育期較長(zhǎng)，其析出也需要長(zhǎng)時(shí)間的時(shí)效保溫。

2.2.3 Mn(錳)

在鋁鋰合金中加入Mn形成Al6Mn粒子，可以改善各向異性。研究[3]認(rèn)為2197合金中彌散相Al6Mn的存在是降低各向異性的主要原因:一方面在加工過程中Al6Mn彌散質(zhì)點(diǎn)本身發(fā)生均勻滑移，使合金的變形由共面滑移轉(zhuǎn)變成均勻滑移，從而使鋁鋰合金組織分布更多地趨向一致;另一方面Al6Mn彌散質(zhì)點(diǎn)通過影響慣習(xí)面{111}的位錯(cuò)密度等使T1相在各{111}慣習(xí)面均勻形核，從而降低各向異性。

2.3 稀土元素

2.3.1 Zr(鋯)、Sc(鈧)

Zr與Al形成亞穩(wěn)相β′(Al3Zr)，呈棒狀，LI2結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)a=0.41nm。Zr原子-空位結(jié)合能高(0.24eV)，在合金凝固中易與空位結(jié)合，導(dǎo)致與鋰原子結(jié)合的空位減少，從而阻止δ′相析出，但是δ′相可以在β′相界面形核生長(zhǎng)，形成β′/δ′復(fù)合結(jié)構(gòu)相，增加與基體的錯(cuò)配度，而且β′/δ′相硬度高，位錯(cuò)很難切過，可以有效地抑制共面滑移，改善合金的塑性。Sc與Zr形成極細(xì)的三元共格相Al3(Sc1-x，Zrx)。通常Sc含量為0.07%～0.30%，Zr含量為0.07%～0.15%，兩者的比例保持為約1:1，其表示為Al3(Sc，Zr)。Al3(Sc，Zr)與δ′結(jié)構(gòu)相似，時(shí)效過程中作為δ′非均勻形核的核心，形成Al3Li/Al3(Sc，Zr)復(fù)合粒子。研究認(rèn)為[4]，Sc降低Zr在合金中的溶解度，促使Al3(Sc，Zr)相的形成，釋放出被Zr俘獲空位，促使δ′相的析出。

2.3.2 Ce(鈰)

在Al-Li合金中添加少量Ce抑制δ′生長(zhǎng)，原因在于Ce降低合金中空位濃度。Ce的原子半徑比Al原子半徑大有30%，固溶到Al中后易與空位結(jié)合降低空位濃度，減小點(diǎn)陣畸變，使空位遷移數(shù)量減少。δ′的長(zhǎng)大需要Li原子擴(kuò)散，原子的擴(kuò)散又要借助于空位遷移，所以加Ce之后抑制δ′生長(zhǎng)是Ce降低原子擴(kuò)散速率的結(jié)果。同樣，S′相主要在空位和位錯(cuò)等缺陷處非均勻形核，Ce的加入減少空位濃度，即減少了S′相的形核數(shù)量。另一方面，空位濃度的減少也不利于Cu、Mg原子的擴(kuò)散，因此添加Ce合金中S′相析出減少。

3 結(jié)束語

合金元素對(duì)鋁鋰合金的組織性能的影響主要表現(xiàn)為:①改善δ′形態(tài)與分布;②削弱或改變共面滑移;③減小晶界無沉淀區(qū)尺寸;④形成新的強(qiáng)化相。

參考文獻(xiàn)

[1]吳靜.鋁鋰合金的研究與發(fā)展[J].高能量密度物理，2007，12:171～174.

[2]衛(wèi)英慧等.Al-Li-Cu-Zr合金中T1相結(jié)構(gòu)、形核和長(zhǎng)大機(jī)制研究[J].稀有金屬材料與工程[J].2003，6:428～431.

[3]黃蘭萍等.2197鋁鋰合金的組織和性能[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2004，12:2066.

[4]王明星等.鈧對(duì)鋁鋰合金時(shí)效硬化行為的影響[J].材料熱處理學(xué)報(bào)，2005，4:61～64.