铝锂合金的微观组织结构及强韧化途径

李婷婷

（重庆大学材料科学与工程学院，重庆 400045）

铝锂合金是指在铝基体中加入含量为1wt%-4wt%的Li元素及其他合金元素所形成的多元合金，它是铝合金研究史上最悠久、最重要的合金之一。

铝锂合金具有低密度、高弹性模量、高比强度、高比模量及生产成本低等优良特点，因而在航空、航天及兵器工业等重要领域有着广阔的应用前景[1,2]。

1 铝锂合金的组织结构

铝锂合金依据不同的合金化元素及性能可以分为几个系列，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。

在这些不同系列的铝锂合金中，时效后形成的析出相能有效强化铝锂合金，这些析出相可大致分为两种。

（1）非 平 衡 亚 稳 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时效状态下，会析出不同的析出相来强化铝锂合金。

表1列出了铝锂合金中一些常见的析出相[8]。

2 Al-Li合金强韧化途径

Al-Li合金可以通过析出相强化、固溶强化、细晶强化[9]、薄带强化以及分层强化等方式来提高合金强度，还可通过减小共面滑移、窄化晶界无析出带及分层韧化等方式来提高合金韧性[10]。在常见的Al-Cu-Li系合金中，以析出强化作为其最主要的强化方式，T1相及θ"相能有效阻碍位错运动，从而提高铝锂合金强度。潘青林、苏勇等人系统地归纳了降低铝锂合金强韧性原因，主要有以下几点[9,11]：

（1）有序且共格的亚稳相δ"(Al3Li)易被位错切过，致使δ"相有效半径变小，利于后续位错通过，使合金产生共面滑移引起晶界处应变集中而导致合金开裂；

（2）在Al-Li合金峰时效及过时效阶段，δ"相将不断长大，晶界附近的Li原子的数量锐减，将导致晶界附近出现无析出带PFZ及δ相、T2相等平衡相，从而引起晶间断裂；

表1 铝锂合金中的主要析出相

（3）Na、K、Ga、S等杂质元素因未能有效固溶进基体中，将在晶界处偏聚而导致晶界脆化；

（4）Li的存在会使Al-Li合金产生大量析出氢，引起氢脆。且大量科研工作者提出了许多改善铝锂合金强韧性的方法，本文主要介绍以下4种措施。

2.1 形变热处理

形变热处理是一种结合形变强化与热处理的综合性强化方式，是对固溶淬火后的Al-Li合金在时效前进行一定冷变形。通过提高合金中位错等缺陷密度或形成位错缠结[12]，促进S"、T1等强化相非均匀形核，增加位错不能切过的沉淀相体积分数，最大可能减少共面滑移与晶界应力集中造成的强塑性降低[13]。此外，尹登峰等人还发现，时效前的冷变形能加速相均匀、细小的析出[14]，从而抑制晶界处平衡相的形成，减少晶间断裂的可能性。

2.2 微合金化

为改变铝锂合金的显微组织并改善其性能，可添加某些微量或痕量元素来促进或延缓析出过程以及形成新相。郑子樵等人[15]系统地总结了铝锂合金的微合金化元素及其作用机理，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合金中同时添加少量Ag和Mg元素可促进T1相、θ"相和S"相均匀、细小的析出，减小晶界附近PFZ的宽度。S"相很难被切过可产生交滑移，不仅能产生更大的时效强化，还能显著提高材料韧性[16]。

2.3 分级时效

相较于单级时效，分级时效主要通过改变析出相的析出过程来控制其数量和分布，从而改善铝锂合金性能，目前常用的分级时效制度有双级时效与多级时效等。

双级时效是指采用先低温后高温或者先高温后低温的时效方法。

研究表明[17]：先低温后高温的双级时效可促进强化相弥散、细小且均匀的形核，防止在晶界附近形成PFZ或生成粗大的平衡相。

2.4 纯净化

提高材料的纯洁度也可改善Al-Li合金的强韧性，污染源主要包括气体污染（氢含量）、元素污染（Na、K、S）、夹杂物和弥散质点等来源。

少量的氢即可导致Al-Li合金的韧性显著降低，一般采用真空纯化法，来使碱金属的含量降低到1ppm以下。运用真空纯化法制成的2090合金的断裂韧性显著高于碱金属含量大于5ppm的铝锂合金，且其在65℃下暴露1000h后韧性几乎没有降低[18]。

另外，采用纯度高的合金配料可避免以下情况影响合金性能[10]：

（1）Na、K、S等元素,这些元素不能固溶于基体中，易在晶界处偏聚并使晶界脆化，因其含量标准应小于5～10ppm；

（2）大于1μm的Al7Cu2Fe、Al12(FeMn)3Si等含Fe、Si的夹杂物也会显著降低材料塑性，故在制备合金时，Fe含量应当小于0.06%，Si含量应当小于0.02%；

（3）含Mn的Al6Mn、Al20Cu2Mn5等弥散质点也会损害合金性能。

因此，在制备Al-Li合金时，应当采用纯度大于99.9%高纯铝炼制，并且在熔炼时需要使用氩气或LiF：LiCl=2：8的混合熔剂作为保护氛围，做到精准除气。

3 结束语

目前，提高Al-Li合金的强韧性是改善铝锂合金综合性能的重中之重。未来，在科研者不断的探索下，铝锂合金性能将极大改善，继而拓宽新的应用领域。