鋁鋰合金介紹

鋁鋰合金是一類密度小、彈性模量高、比強(qiáng)度和比剛度高的新型鋁合金，在航空航天領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。在鋁合金中添加金屬鋰元素，每添加1％的金屬鋰，其密度降低3％，而彈性模量可提高5%~6%，并可以保證合金在淬火和人工時(shí)效后硬化，鋁鋰合金的材料制備及零件制造工藝與普通鋁合金沒(méi)有太大差別，只是在保證金屬鋰不被空氣氧化方面加以注意即可。一般情況下，可以沿用普通鋁合金的技術(shù)和設(shè)備，相對(duì)于碳纖維復(fù)合材料來(lái)說(shuō)，鋁鋰合金的成形、維修都比復(fù)合材料方便，成本也相對(duì)較低，因此，鋁鋰合金有明顯的價(jià)格優(yōu)勢(shì)和性能優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是21世紀(jì)航空航天工業(yè)具競(jìng)爭(zhēng)力的輕質(zhì)高強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料之一。

鋁鋰合金的合金化

一般情況下，微合金化元素的加入大多以改善細(xì)化晶粒、析出強(qiáng)化相、控制失效速度和順序、減小無(wú)沉淀析出帶寬度等很多因素為主要目的。

目前，在鋁鋰合金中常用的添加元素包括主合金元素Cu、Mg和微量元素Ag、Ce、Y、La、Ti、Mn、Sc、Zr等。Cu能提高Al-Li合金的強(qiáng)度和韌性、減小無(wú)沉淀析出帶的寬度，但含量過(guò)高時(shí)會(huì)產(chǎn)生較多的中間相，這些中間相會(huì)造成鋁鋰合金的韌性下降和密度增大，Cu含量過(guò)低不能減弱局部應(yīng)變和減小無(wú)沉淀析出帶寬度，故Al-Li合金中的Cu含量一般為1%~4%。在Al-Cu-Li合金中呈細(xì)片狀析出的T1(Al2CuLi)相與δ'相一起作為合金中的主要析出強(qiáng)化相，它們可以減弱共面滑移，使合金的強(qiáng)度指標(biāo)得到明顯提高。

Mg在Al中有較大的固溶度，加入Mg后能減小Li在Al中的固溶度。因此，在含Li量一定的情況下它能增加δ'相的體積分?jǐn)?shù)。另外，它還能形成T(Al2LiMg)穩(wěn)定相，抑制δ相的生成。加入Mg能產(chǎn)生固溶強(qiáng)化，強(qiáng)化無(wú)沉淀析出帶，減小其有害作用。當(dāng)鋁鋰合金中同時(shí)加入Cu、Mg后能夠形成S'(Al2CuMg)相。S'相優(yōu)先在位錯(cuò)等缺陷附近呈不均勻析出，其密排面與基體α相的密排面不平行，位錯(cuò)很難切割條狀S'相，只能繞過(guò)這種條狀相，并留下位錯(cuò)環(huán)，故S'相能有效地防止共面滑移，對(duì)改善合金的強(qiáng)度和韌性有一定的積極作用。但Mg含量過(guò)高時(shí)也會(huì)導(dǎo)致T相優(yōu)先在晶界析出，增加脆性。Mg含量低于0.5％時(shí)，S'相很少，合金強(qiáng)度降低，適宜的Mg含量在改善鋁鋰合金的高溫性能方面卻有一定的良好作用。

Ag對(duì)鋁鋰合金有固溶強(qiáng)化和時(shí)效強(qiáng)化作用．但不是十分明顯。Ag、Mg同時(shí)加入會(huì)發(fā)揮協(xié)同效應(yīng)講而產(chǎn)生**的強(qiáng)化，能夠使得鋁鋰合金的時(shí)效速率大大加快。在Cu/Mg比例較高的鋁鋰合金中加入少量Ag，會(huì)提高它們的時(shí)效強(qiáng)化作用，且非常明顯，同時(shí)也會(huì)改變AI-Li-Cu系合金的時(shí)效析出順序，促進(jìn)T1相和Ω相的形核并以金屬間化合物形式析出，并使T1相均勻分布在合金中，同時(shí)也能夠使晶粒尺寸變?yōu)榧?xì)小。

Zr在Al合金中的固溶度很小。在Al-Li合金中加入0.1%~0.2％的Zr就能在晶界或亞晶界析出Al3Zr彌散質(zhì)點(diǎn)，對(duì)晶界起釘扎作用，抑制再結(jié)晶并能夠細(xì)化晶粒，以此來(lái)改善合金的強(qiáng)度和韌性；另外，Al3Zr可作為δ'相的形核中心，使時(shí)效析出的進(jìn)程加速。但Zr含量過(guò)高時(shí)會(huì)在晶界形成粗大的析出相，破壞晶界與基體的結(jié)合的牢固程度，這會(huì)大大降低合金的各項(xiàng)性能。

下面介紹幾種常見(jiàn)的合金元素在鋁鋰合金中的作用。

1、元素Li（鋰）

鋰是最輕的金屬元素，密度只有0.536g/cm3。鋰鋁合金時(shí)效時(shí)由于析出δ' (Al3Li）相而產(chǎn)生強(qiáng)化作用，其過(guò)程可被描述為：過(guò)飽和固溶體亞穩(wěn)相δ'和δ相呈球狀，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，其界面能比較低，大約為0.014J/m2，故δ'相的形核激活能較小，析出速度非常快，即使采用急冷的方式也不能有效抑制δ'相的生成。δ'相與基體的錯(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堆積，引起應(yīng)力集中。δ相具有B32(NaTi)型類金剛石結(jié)構(gòu)，當(dāng)進(jìn)行過(guò)時(shí)效時(shí)，δ相沿?cái)U(kuò)相的晶界析出，可導(dǎo)致晶界附近Li原子減少并導(dǎo)致鋰貧乏，形成強(qiáng)度較低的無(wú)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，所以在實(shí)際的生產(chǎn)中要盡量抑制δ相的形成。影響鋁鋰合金強(qiáng)韌性的主要因素是合金中δ'相形態(tài)與分布。前面提到，δ'相呈球狀對(duì)金屬的強(qiáng)化較佳

2、元素Mg（鎂）

加入Mg會(huì)使鋁鋰合金的溶解度曲線上移，減小Li的固溶度，增加δ'相的體積分?jǐn)?shù)，可以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)合能較大，約為0.25eV，淬火過(guò)程中，過(guò)飽和的空位與Mg原子形成Mg-空位原子簇，這些原子簇為δ相的結(jié)晶提供形核中心。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團(tuán)簇，成為富Cu(q'')相的形核部位，促使Cu原子不斷向形核區(qū)進(jìn)行擴(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，能夠使共面滑移趨于彌散，有效地改善合金的強(qiáng)韌性。S'相優(yōu)先在位錯(cuò)等缺陷處呈不均勻析出，能減小或消除無(wú)沉淀區(qū)（PFZ)，由于S'相的形核能較大，時(shí)效過(guò)程中S'相形核的孕育期較長(zhǎng)，其析出也需要長(zhǎng)時(shí)間的保溫時(shí)效才能實(shí)現(xiàn)。

3、過(guò)渡族金屬元素

3.1、Cu

銅加入到鋁鋰合金中會(huì)析出T1相。T1相是Al-Li-Cu系合金最重要的平衡相，呈盤狀或片狀，六方形結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)a=b=0.50nm，c=0.93nm。T1相阻礙位錯(cuò)擴(kuò)展，同時(shí)對(duì)位錯(cuò)也有釘扎作用，強(qiáng)化比δ'相更加明顯。但是T1相密排面(0001)//(111)α、密排方向[1010]//[110]，不能明顯地減弱共面滑移，因此對(duì)合金的塑性沒(méi)有明顯的改善。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，臨界形核功較大，析出非常緩慢。適量的預(yù)變形能夠使T1相均勻、細(xì)小、彌散析出，可以起到增加合金位錯(cuò)密度和增大T1相的形核場(chǎng)所的作用。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，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較小，能保持合金力學(xué)性能的穩(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相粗化，導(dǎo)致合金力學(xué)性能下降。

3.2、Mn

在鋁鋰合金中加入Mn能夠形成Al6Mn相并以粒子形式析出，Al6Mn相能有效地改善鋁鋰合金各向異性。一方面在加工過(guò)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加趨向一致；另一方面Al6Mn彌散質(zhì)點(diǎn)通過(guò)影響面的位錯(cuò)密度等使T1相在面能夠均勻形核，利用這一特點(diǎn)可有效地降低和改善合金的各向異性。

3.3、Zr

Zr加入到鋁鋰合金中，Zr與Al能夠形成亞穩(wěn)相β'(Al3Zr)，呈棒狀，具有LI2結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)a=0.41nm。Zr原子與空位結(jié)合能較大(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'相的硬度較大，位錯(cuò)很難切過(guò)，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-xZrx )。通常Sc含量為0.07%~0.03%，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(guò)程中可成為δ'非均勻形核的核心，形成Al3Li/Al3(Sc,Zr)復(fù)合粒子。

3.4、稀土元素

稀土元素在普通鋁合金的熔煉、凝固等過(guò)程中均顯示出有益作用，包括稀土的除氣、除雜和晶粒細(xì)化等作用。稀土元素的添加可以改善普通鋁合金超塑性、熱變形性、腐蝕抗力、焊接性等，并且具有減輕雜質(zhì)的危害。鑒于此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了在鋁鋰合金中添加微量Ce(鈰)、Y(釔)、La(鑭)等稀土元素的研究工作，研究結(jié)果顯示，所有稀土元素都能夠不同程度地改善鋁鋰合金的組織和性能。

稀土元素Ce、Y、La、Sc等均能延緩鋁鋰合金的再結(jié)晶過(guò)程，并且能減小再結(jié)晶比例和細(xì)化再結(jié)晶晶粒尺寸，細(xì)化沉淀相并使之均勻化分布于合金中，同時(shí)也能減弱鋁鋰合金中雜質(zhì)元素的負(fù)面影響。所以稀土元素對(duì)于鋁鋰合金來(lái)說(shuō)是一類有益的添加元素，即使是在添加微量的情況下就能夠明顯起到較為良好的作用。在這一點(diǎn)金屬鈧就是一個(gè)突出的例證，尤其是與金屬鋯同時(shí)加入可以使鋁合金以及鎂合金都有明顯的作用。

鋁鋰合金的強(qiáng)韌化機(jī)理

1、鋁鋰合金強(qiáng)韌化機(jī)理

1、強(qiáng)化機(jī)理

鋁鋰合金的強(qiáng)化作用主要來(lái)源于析出相強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化。其主要析出相δ'是與α-Al基體共格的亞穩(wěn)相，具有有序超點(diǎn)陣(LI2)結(jié)構(gòu)。α/δ'的界面畸變程度很小，僅為0.08%左右，δ'相在合金中以彌散質(zhì)點(diǎn)形式均勻析出。金屬的強(qiáng)化來(lái)源于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)滑移位錯(cuò)的阻礙作用。在Al-Li合金中阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的主要因素是合金中有δ'析出相，而影響位錯(cuò)切割δ'顆粒的因素有：

① 基體的內(nèi)摩擦應(yīng)力τ0

② δ'相與基體界面的點(diǎn)陣畸變阻滯應(yīng)力τg

③ δ'相與基體的切變模量之差τ△G

④ δ'相中形成反相籌界而產(chǎn)生的界面能γ0

⑤ 被切割的δ'相與基體形成的新表面所具有的表面能γ0

⑥ δ'相的內(nèi)摩擦應(yīng)力τp

實(shí)驗(yàn)和計(jì)算表明，對(duì)合金強(qiáng)度起主要作用的是位錯(cuò)切割δ'相時(shí)所產(chǎn)生的反相界面能，它對(duì)合金強(qiáng)度的貢獻(xiàn)大約為50％，其次是δ'相和基體的內(nèi)摩擦應(yīng)力τp和τ0，其他三項(xiàng)各有5％左右。另外，δ'相有序度的變化也會(huì)明顯改變合金的強(qiáng)度。

2、韌化機(jī)理

①共面滑移

在鋁鋰合金中，由于δ'相與α基體*共格，且其α/δ'相界面應(yīng)變小，所以滑移位錯(cuò)較易切割δ'相顆粒。被切割的δ'相顆粒可以提供一條滑移更容易進(jìn)行的通道，因此大量的滑移位錯(cuò)常在同一個(gè)晶面上滑移而不產(chǎn)生交滑移，形成所謂的共面滑移帶。這種共面滑移現(xiàn)象導(dǎo)致位錯(cuò)在晶界的堆積而產(chǎn)生局部的應(yīng)力集中和屈服，最后導(dǎo)致晶界裂紋的萌生，這種共面滑移使得合金的韌性得以提高。

②晶界無(wú)析出帶

在晶內(nèi)δ'相是均勻的，但在晶界附近則出現(xiàn)所謂δ'相的無(wú)析出帶(PFZ)。由于PFZ比晶內(nèi)結(jié)構(gòu)要軟，所以滑移所產(chǎn)生的晶界位錯(cuò)堆積和應(yīng)力集中可使其產(chǎn)生早期的屈服而發(fā)生塑性變形，導(dǎo)致微孔在晶界粗大析出物和三相交叉點(diǎn)附近形核，并沿PFZ擴(kuò)展而形成微裂紋，其結(jié)果會(huì)使合金在拉伸過(guò)程中發(fā)生晶間斷裂現(xiàn)象而惡化合金的性能。

③織構(gòu)與再結(jié)晶

經(jīng)軋制的Al-Li合金板材存在變形織構(gòu)，其主要織構(gòu)類型為(110)[112]織構(gòu)。由于織構(gòu)的存在使晶粒間的取向差變小，僅約3°，所以這時(shí)晶內(nèi)滑移帶能夠穿越晶界擴(kuò)展。這是因?yàn)樾〗蔷Ы鐚?duì)位錯(cuò)的阻擋作用較小，所以一旦位錯(cuò)穿過(guò)晶界，即產(chǎn)生沿面的穿晶切變型平面滑移，直至材料被破壞。

織構(gòu)與再結(jié)晶是密切相關(guān)的。*再結(jié)晶后，Al-Li合金的變形織構(gòu)也隨之消除。Al-Li合金產(chǎn)生再結(jié)晶后強(qiáng)度降低了，還伴隨著晶粒長(zhǎng)大、亞晶界消失，甚至還可能出現(xiàn)再結(jié)晶織構(gòu)等一系列的結(jié)構(gòu)變化。

④其他析出相的影響和作用

在Al-Cu-Li-Mg-Zr系合金中，除δ'相外，還存在其他二元或三元析出相。其基本析出過(guò)程為: