鋁鋰合金的微觀組織結(jié)構(gòu)及強(qiáng)韌化途徑

李婷婷

（重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400045）

鋁鋰合金是指在鋁基體中加入含量為1wt%-4wt%的Li元素及其他合金元素所形成的多元合金，它是鋁合金研究史上最悠久、最重要的合金之一。

鋁鋰合金具有低密度、高彈性模量、高比強(qiáng)度、高比模量及生產(chǎn)成本低等優(yōu)良特點(diǎn)，因而在航空、航天及兵器工業(yè)等重要領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景[1,2]。

1 鋁鋰合金的組織結(jié)構(gòu)

鋁鋰合金依據(jù)不同的合金化元素及性能可以分為幾個(gè)系列，包括Al-Li系、Al-Li-Zr系、Al-Li-Cu系、Al-Li-Mg系及Al-Li-Cu-Mg-Zr系等。

在這些不同系列的鋁鋰合金中，時(shí)效后形成的析出相能有效強(qiáng)化鋁鋰合金，這些析出相可大致分為兩種。

（1）非 平 衡 亞 穩(wěn) 相，主 要 包 括β"(Al3Zr)[3]、δ"(Al3Li)[4]、θ"(Al2Cu)[5]及 S"(Al2CuMg)等 ；

（2）平衡相，主要包括β(Al3Zr)、δ(AlLi)、T1(Al2CuLi)[6]及T(Al2MgLi)[7]等。在不同的合金系列及時(shí)效狀態(tài)下，會析出不同的析出相來強(qiáng)化鋁鋰合金。

表1列出了鋁鋰合金中一些常見的析出相[8]。

2 Al-Li合金強(qiáng)韌化途徑

Al-Li合金可以通過析出相強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化[9]、薄帶強(qiáng)化以及分層強(qiáng)化等方式來提高合金強(qiáng)度，還可通過減小共面滑移、窄化晶界無析出帶及分層韌化等方式來提高合金韌性[10]。在常見的Al-Cu-Li系合金中，以析出強(qiáng)化作為其最主要的強(qiáng)化方式，T1相及θ"相能有效阻礙位錯(cuò)運(yùn)動，從而提高鋁鋰合金強(qiáng)度。潘青林、蘇勇等人系統(tǒng)地歸納了降低鋁鋰合金強(qiáng)韌性原因，主要有以下幾點(diǎn)[9,11]：

（1）有序且共格的亞穩(wěn)相δ"(Al3Li)易被位錯(cuò)切過，致使δ"相有效半徑變小，利于后續(xù)位錯(cuò)通過，使合金產(chǎn)生共面滑移引起晶界處應(yīng)變集中而導(dǎo)致合金開裂；

（2）在Al-Li合金峰時(shí)效及過時(shí)效階段，δ"相將不斷長大，晶界附近的Li原子的數(shù)量銳減，將導(dǎo)致晶界附近出現(xiàn)無析出帶PFZ及δ相、T2相等平衡相，從而引起晶間斷裂；

表1 鋁鋰合金中的主要析出相

（3）Na、K、Ga、S等雜質(zhì)元素因未能有效固溶進(jìn)基體中，將在晶界處偏聚而導(dǎo)致晶界脆化；

（4）Li的存在會使Al-Li合金產(chǎn)生大量析出氫，引起氫脆。且大量科研工作者提出了許多改善鋁鋰合金強(qiáng)韌性的方法，本文主要介紹以下4種措施。

2.1 形變熱處理

形變熱處理是一種結(jié)合形變強(qiáng)化與熱處理的綜合性強(qiáng)化方式，是對固溶淬火后的Al-Li合金在時(shí)效前進(jìn)行一定冷變形。通過提高合金中位錯(cuò)等缺陷密度或形成位錯(cuò)纏結(jié)[12]，促進(jìn)S"、T1等強(qiáng)化相非均勻形核，增加位錯(cuò)不能切過的沉淀相體積分?jǐn)?shù)，最大可能減少共面滑移與晶界應(yīng)力集中造成的強(qiáng)塑性降低[13]。此外，尹登峰等人還發(fā)現(xiàn)，時(shí)效前的冷變形能加速相均勻、細(xì)小的析出[14]，從而抑制晶界處平衡相的形成，減少晶間斷裂的可能性。

2.2 微合金化

為改變鋁鋰合金的顯微組織并改善其性能，可添加某些微量或痕量元素來促進(jìn)或延緩析出過程以及形成新相。鄭子樵等人[15]系統(tǒng)地總結(jié)了鋁鋰合金的微合金化元素及其作用機(jī)理，包括常用的Ag、Mg、Zn、Zr元素，稀土元素Ce、Y、La、Sc以及Cd、In、Ge、Be、Mn、Ti等元素。

例如：在Al-Cu-Li合金中同時(shí)添加少量Ag和Mg元素可促進(jìn)T1相、θ"相和S"相均勻、細(xì)小的析出，減小晶界附近PFZ的寬度。S"相很難被切過可產(chǎn)生交滑移，不僅能產(chǎn)生更大的時(shí)效強(qiáng)化，還能顯著提高材料韌性[16]。

2.3 分級時(shí)效

相較于單級時(shí)效，分級時(shí)效主要通過改變析出相的析出過程來控制其數(shù)量和分布，從而改善鋁鋰合金性能，目前常用的分級時(shí)效制度有雙級時(shí)效與多級時(shí)效等。

雙級時(shí)效是指采用先低溫后高溫或者先高溫后低溫的時(shí)效方法。

研究表明[17]：先低溫后高溫的雙級時(shí)效可促進(jìn)強(qiáng)化相彌散、細(xì)小且均勻的形核，防止在晶界附近形成PFZ或生成粗大的平衡相。

2.4 純凈化

提高材料的純潔度也可改善Al-Li合金的強(qiáng)韌性，污染源主要包括氣體污染（氫含量）、元素污染（Na、K、S）、夾雜物和彌散質(zhì)點(diǎn)等來源。

少量的氫即可導(dǎo)致Al-Li合金的韌性顯著降低，一般采用真空純化法，來使堿金屬的含量降低到1ppm以下。運(yùn)用真空純化法制成的2090合金的斷裂韌性顯著高于堿金屬含量大于5ppm的鋁鋰合金，且其在65℃下暴露1000h后韌性幾乎沒有降低[18]。

另外，采用純度高的合金配料可避免以下情況影響合金性能[10]：

（1）Na、K、S等元素,這些元素不能固溶于基體中，易在晶界處偏聚并使晶界脆化，因其含量標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)小于5～10ppm；

（2）大于1μm的Al7Cu2Fe、Al12(FeMn)3Si等含F(xiàn)e、Si的夾雜物也會顯著降低材料塑性，故在制備合金時(shí)，F(xiàn)e含量應(yīng)當(dāng)小于0.06%，Si含量應(yīng)當(dāng)小于0.02%；

（3）含Mn的Al6Mn、Al20Cu2Mn5等彌散質(zhì)點(diǎn)也會損害合金性能。

因此，在制備Al-Li合金時(shí)，應(yīng)當(dāng)采用純度大于99.9%高純鋁煉制，并且在熔煉時(shí)需要使用氬氣或LiF：LiCl=2：8的混合熔劑作為保護(hù)氛圍，做到精準(zhǔn)除氣。

3 結(jié)束語

目前，提高Al-Li合金的強(qiáng)韌性是改善鋁鋰合金綜合性能的重中之重。未來，在科研者不斷的探索下，鋁鋰合金性能將極大改善，繼而拓寬新的應(yīng)用領(lǐng)域。