鋁鋰合金介紹

鋁鋰合金是一類密度小、彈性模量高、比強度和比剛度高的新型鋁合金，在航空航天領域有廣泛的應用前景。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和設備，相對于碳纖維復合材料來說，鋁鋰合金的成形、維修都比復合材料方便，成本也相對較低，因此，鋁鋰合金有明顯的價格優勢和性能優勢，被認為是21世紀航空航天工業具競爭力的輕質高強結構材料之一。

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化晶粒、析出強化相、控制失效速度和順序、減小無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合金的強度和韌性、減小無沉淀析出帶的寬度，但含量過高時會產生較多的中間相，這些中間相會造成鋁鋰合金的韌性下降和密度增大，Cu含量過低不能減弱局部應變和減小無沉淀析出帶寬度，故Al-Li合金中的Cu含量一般為1%~4%。在Al-Cu-Li合金中呈細片狀析出的T1(Al2CuLi)相與δ'相一起作為合金中的主要析出強化相，它們可以減弱共面滑移，使合金的強度指標得到明顯提高。

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'相的體積分數。另外，它還能形成T(Al2LiMg)穩定相，抑制δ相的生成。加入Mg能產生固溶強化，強化無沉淀析出帶，減小其有害作用。當鋁鋰合金中同時加入Cu、Mg后能夠形成S'(Al2CuMg)相。S'相優先在位錯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，位錯很難切割條狀S'相，只能繞過這種條狀相，并留下位錯環，故S'相能有效地防止共面滑移，對改善合金的強度和韌性有一定的積極作用。但Mg含量過高時也會導致T相優先在晶界析出，增加脆性。Mg含量低于0.5％時，S'相很少，合金強度降低，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對鋁鋰合金有固溶強化和時效強化作用．但不是十分明顯。Ag、Mg同時加入會發揮協同效應講而產生**的強化，能夠使得鋁鋰合金的時效速率大大加快。在Cu/Mg比例較高的鋁鋰合金中加入少量Ag，會提高它們的時效強化作用，且非常明顯，同時也會改變AI-Li-Cu系合金的時效析出順序，促進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，同時也能夠使晶粒尺寸變為細小。

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彌散質點，對晶界起釘扎作用，抑制再結晶并能夠細化晶粒，以此來改善合金的強度和韌性；另外，Al3Zr可作為δ'相的形核中心，使時效析出的進程加速。但Zr含量過高時會在晶界形成粗大的析出相，破壞晶界與基體的結合的牢固程度，這會大大降低合金的各項性能。

下面介紹幾種常見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。鋰鋁合金時效時由于析出δ' (Al3Li）相而產生強化作用，其過程可被描述為：過飽和固溶體亞穩相δ'和δ相呈球狀，具有LI2型結構，晶格常數為0.4nm，是合金時效的主要強化相，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?？?，即使采用急冷的方式也不能有效抑制δ'相的生成。δ'相與基體的錯配度僅為0.08％，這種共格易產生共面滑移，使位錯在滑移面與晶界的交界處堆積，引起應力集中。δ相具有B32(NaTi)型類金剛石結構，當進行過時效時，δ相沿擴相的晶界析出，可導致晶界附近Li原子減少并導致鋰貧乏，形成強度較低的無沉淀區(PFZ)。合金發生塑性變形時PFZ將優先產生裂紋，該區域也會降低合金耐腐蝕性，所以在實際的生產中要盡量抑制δ相的形成。影響鋁鋰合金強韌性的主要因素是合金中δ'相形態與分布。前面提到，δ'相呈球狀對金屬的強化較佳

2、元素Mg（鎂）

加入Mg會使鋁鋰合金的溶解度曲線上移，減小Li的固溶度，增加δ'相的體積分數，可以有效地提高合金的強度。一般認為這是由于Mg與空位的結合造成的，Mg與空位的結合能較大，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相的結晶提供形核中心。鋁鋰合金同時加入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團簇，成為富Cu(q'')相的形核部位，促使Cu原子不斷向形核區進行擴散，形成亞穩相S'。S'相呈板條狀，斜方結構，晶格常數a=0.40nm，b=0.93nm，c=0.72nm，其慣習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韌性。S'相優先在位錯等缺陷處呈不均勻析出，能減小或消除無沉淀區（PFZ)，由于S'相的形核能較大，時效過程中S'相形核的孕育期較長，其析出也需要長時間的保溫時效才能實現。

3、過渡族金屬元素

3.1、Cu

銅加入到鋁鋰合金中會析出T1相。T1相是Al-Li-Cu系合金最重要的平衡相，呈盤狀或片狀，六方形結構，晶格常數a=b=0.50nm，c=0.93nm。T1相阻礙位錯擴展，同時對位錯也有釘扎作用，強化比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，因此對合金的塑性沒有明顯的改善。T1相在位錯、亞晶界等晶體缺陷處以堆垛層錯的方式非均勻形核，臨界形核功較大，析出非常緩慢。適量的預變形能夠使T1相均勻、細小、彌散析出，可以起到增加合金位錯密度和增大T1相的形核場所的作用。經研究發現，T1相的長大受臺階機制控制。T1相與基體之間的錯配度僅為0.12%，基體提供T1相長大的臺階數量有限，所以T1相在一定的溫度下粗化傾向較小，能保持合金力學性能的穩定。但是溫度升高至200℃時δ'相溶解，Cu、Li原子向臺階遷移的速率加快，臺階形核阻力變小，臺階數量倍增，T1相粗化，導致合金力學性能下降。

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。一方面在加工過程中Al6Mn彌散質點本身發生均勻滑移，使合金的變形由共面滑移轉變成均勻滑移，從而使鋁鋰合金組織分布更加趨向一致；另一方面Al6Mn彌散質點通過影響面的位錯密度等使T1相在面能夠均勻形核，利用這一特點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能夠形成亞穩相β'(Al3Zr)，呈棒狀，具有LI2結構，晶格常數a=0.41nm。Zr原子與空位結合能較大(0.24eV)，在合金凝固中易與空位結合，導致與鋰原子結合的空位減少，從而阻止δ'相析出，但是δ'相可以在β'相界面形核生長，形成β'/δ'復合結構相，增加與基體的錯配度，而且β'/δ'相的硬度較大，位錯很難切過，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'結構相似，時效過程中可成為δ'非均勻形核的核心，形成Al3Li/Al3(Sc,Zr)復合粒子。

3.4、稀土元素

稀土元素在普通鋁合金的熔煉、凝固等過程中均顯示出有益作用，包括稀土的除氣、除雜和晶粒細化等作用。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，并且具有減輕雜質的危害。鑒于此，國內外學者開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晶過程，并且能減小再結晶比例和細化再結晶晶粒尺寸，細化沉淀相并使之均勻化分布于合金中，同時也能減弱鋁鋰合金中雜質元素的負面影響。所以稀土元素對于鋁鋰合金來說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。在這一點金屬鈧就是一個突出的例證，尤其是與金屬鋯同時加入可以使鋁合金以及鎂合金都有明顯的作用。

鋁鋰合金的強韌化機理

1、鋁鋰合金強韌化機理

1、強化機理

鋁鋰合金的強化作用主要來源于析出相強化和固溶強化。其主要析出相δ'是與α-Al基體共格的亞穩相，具有有序超點陣(LI2)結構。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點形式均勻析出。金屬的強化來源于其內部結構對滑移位錯的阻礙作用。在Al-Li合金中阻礙位錯運動的主要因素是合金中有δ'析出相，而影響位錯切割δ'顆粒的因素有：

① 基體的內摩擦應力τ0

② δ'相與基體界面的點陣畸變阻滯應力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'相的內摩擦應力τp

實驗和計算表明，對合金強度起主要作用的是位錯切割δ'相時所產生的反相界面能，它對合金強度的貢獻大約為50％，其次是δ'相和基體的內摩擦應力τp和τ0，其他三項各有5％左右。另外，δ'相有序度的變化也會明顯改變合金的強度。

2、韌化機理

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'相界面應變小，所以滑移位錯較易切割δ'相顆粒。被切割的δ'相顆粒可以提供一條滑移更容易進行的通道，因此大量的滑移位錯常在同一個晶面上滑移而不產生交滑移，形成所謂的共面滑移帶。這種共面滑移現象導致位錯在晶界的堆積而產生局部的應力集中和屈服，最后導致晶界裂紋的萌生，這種共面滑移使得合金的韌性得以提高。

②晶界無析出帶

在晶內δ'相是均勻的，但在晶界附近則出現所謂δ'相的無析出帶(PFZ)。由于PFZ比晶內結構要軟，所以滑移所產生的晶界位錯堆積和應力集中可使其產生早期的屈服而發生塑性變形，導致微孔在晶界粗大析出物和三相交叉點附近形核，并沿PFZ擴展而形成微裂紋，其結果會使合金在拉伸過程中發生晶間斷裂現象而惡化合金的性能。

③織構與再結晶

經軋制的Al-Li合金板材存在變形織構，其主要織構類型為(110)[112]織構。由于織構的存在使晶粒間的取向差變小，僅約3°，所以這時晶內滑移帶能夠穿越晶界擴展。這是因為小角晶界對位錯的阻擋作用較小，所以一旦位錯穿過晶界，即產生沿面的穿晶切變型平面滑移，直至材料被破壞。

織構與再結晶是密切相關的。*再結晶后，Al-Li合金的變形織構也隨之消除。Al-Li合金產生再結晶后強度降低了，還伴隨著晶粒長大、亞晶界消失，甚至還可能出現再結晶織構等一系列的結構變化。

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。其基本析出過程為: