航空航天新型材料—鋁鋰合金

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%，並可以保證合金在淬火和人工時效後硬化，鋁鋰合金的材料製備及零件製造工藝與(yu) 普通鋁合金沒有太大差別，隻是在保證金屬鋰不被空氣氧化方麵加以注意即可。一般情況下，可以沿用普通鋁合金的技術和設備，相對於(yu) 碳纖維複合材料來說，鋁鋰合金的成形、維修都比複合材料方便，成本也相對較低，因此，鋁鋰合金有明顯的價(jia) 格優(you) 勢和性能優(you) 勢，被認為(wei) 是21世紀航空航天工業(ye) 具競爭(zheng) 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、控製失效速度和順序、減小無沉澱析出帶寬度等很多因素為(wei) 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、減小無沉澱析出帶的寬度，但含量過高時會(hui) 產(chan) 生較多的中間相，這些中間相會(hui) 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澱析出帶寬度，故Al-Li合金中的Cu含量一般為(wei) 1%~4%。在Al-Cu-Li合金中呈細片狀析出的T1(Al2CuLi)相與(yu) δ'相一起作為(wei) 合金中的主要析出強化相，它們(men) 可以減弱共麵滑移，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後能減小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(ti) 積分數。另外，它還能形成T(Al2LiMg)穩定相，抑製δ相的生成。加入Mg能產(chan) 生固溶強化，強化無沉澱析出帶，減小其有害作用。當鋁鋰合金中同時加入Cu、Mg後能夠形成S'(Al2CuMg)相。S'相優(you) 先在位錯等缺陷附近呈不均勻析出，其密排麵與(yu) 基體(ti) α相的密排麵不平行，位錯很難切割條狀S'相，隻能繞過這種條狀相，並留下位錯環，故S'相能有效地防止共麵滑移，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(hui) 導致T相優(you) 先在晶界析出，增加脆性。Mg含量低於(yu) 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麵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(hui) 發揮協同效應講而產(chan) 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(hui) 提高它們(men) 的時效強化作用，且非常明顯，同時也會(hui) 改變AI-Li-Cu係合金的時效析出順序，促進T1相和Ω相的形核並以金屬間化合物形式析出，並使T1相均勻分布在合金中，同時也能夠使晶粒尺寸變為(wei) 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(ya) 晶界析出Al3Zr彌散質點，對晶界起釘紮作用，抑製再結晶並能夠細化晶粒，以此來改善合金的強度和韌性；另外，Al3Zr可作為(wei) 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(hui) 在晶界形成粗大的析出相，破壞晶界與(yu) 基體(ti) 的結合的牢固程度，這會(hui) 大大降低合金的各項性能。

下麵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，密度隻有0.536g/cm3。鋰鋁合金時效時由於(yu) 析出δ' (Al3Li）相而產(chan) 生強化作用，其過程可被描述為(wei) ：過飽和固溶體(ti) 亞(ya) 穩相δ'和δ相呈球狀，具有LI2型結構，晶格常數為(wei) 0.4nm，是合金時效的主要強化相，其界麵能比較低，大約為(wei) 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製δ'相的生成。δ'相與(yu) 基體(ti) 的錯配度僅(jin) 為(wei) 0.08％，這種共格易產(chan) 生共麵滑移，使位錯在滑移麵與(yu) 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原子減少並導致鋰貧乏，形成強度較低的無沉澱區(PFZ)。合金發生塑性變形時PFZ將優(you) 先產(chan) 生裂紋，該區域也會(hui) 降低合金耐腐蝕性，所以在實際的生產(chan) 中要盡量抑製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(yu) 分布。前麵提到，δ'相呈球狀對金屬的強化較佳

2、元素Mg（鎂）

加入Mg會(hui) 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(ti) 積分數，可以有效地提高合金的強度。一般認為(wei) 這是由於(yu) Mg與(yu) 空位的結合造成的，Mg與(yu) 空位的結合能較大，約為(wei) 0.25eV，淬火過程中，過飽和的空位與(yu) Mg原子形成Mg-空位原子簇，這些原子簇為(wei) δ相的結晶提供形核中心。鋁鋰合金同時加入Cu、Mg，由於(yu) Mg與(yu) 空位以及Cu原子之間的交互作用，合金在淬火後形成許多Cu-Mg團簇，成為(wei) 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(ya) 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(xi) 麵與(yu) 基體(ti) 的密排麵不平行，能夠使共麵滑移趨於(yu) 彌散，有效地改善合金的強韌性。S'相優(you) 先在位錯等缺陷處呈不均勻析出，能減小或消除無沉澱區（PFZ)，由於(yu) 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(hui) 析出T1相。T1相是Al-Li-Cu係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，同時對位錯也有釘紮作用，強化比δ'相更加明顯。但是T1相密排麵(0001)//(111)α、密排方向[1010]//[110]，不能明顯地減弱共麵滑移，因此對合金的塑性沒有明顯的改善。T1相在位錯、亞(ya) 晶界等晶體(ti) 缺陷處以堆垛層錯的方式非均勻形核，臨(lin) 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相的長大受台階機製控製。T1相與(yu) 基體(ti) 之間的錯配度僅(jin) 為(wei) 0.12%，基體(ti) 提供T1相長大的台階數量有限，所以T1相在一定的溫度下粗化傾(qing) 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原子向台階遷移的速率加快，台階形核阻力變小，台階數量倍增，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相並以粒子形式析出，Al6Mn相能有效地改善鋁鋰合金各向異性。一方麵在加工過程中Al6Mn彌散質點本身發生均勻滑移，使合金的變形由共麵滑移轉變成均勻滑移，從(cong) 而使鋁鋰合金組織分布更加趨向一致；另一方麵Al6Mn彌散質點通過影響麵的位錯密度等使T1相在麵能夠均勻形核，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(yu) Al能夠形成亞(ya) 穩相β'(Al3Zr)，呈棒狀，具有LI2結構，晶格常數a=0.41nm。Zr原子與(yu) 空位結合能較大(0.24eV)，在合金凝固中易與(yu) 空位結合，導致與(yu) 鋰原子結合的空位減少，從(cong) 而阻止δ'相析出，但是δ'相可以在β'相界麵形核生長，形成β'/δ'複合結構相，增加與(yu) 基體(ti) 的錯配度，而且β'/δ'相的硬度較大，位錯很難切過，可以有效地抑製共麵滑移，改善合金的塑性。Sc與(yu) Zr形成極細的三元共格相Al3(Sc1-xZrx )。通常Sc含量為(wei) 0.07%~0.03%，Zr含量為(wei) 0.07%~0.15%，兩(liang) 者的比例保持為(wei) 約1:1，其表示為(wei) Al3(Sc,Zr)。Al3(Sc,Zr)與(yu) δ'結構相似，時效過程中可成為(wei) δ'非均勻形核的核心，形成Al3Li/Al3(Sc,Zr)複合粒子。

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，並且具有減輕雜質的危害。鑒於(yu) 此，國內(nei) 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，並且能減小再結晶比例和細化再結晶晶粒尺寸，細化沉澱相並使之均勻化分布於(yu) 合金中，同時也能減弱鋁鋰合金中雜質元素的負麵影響。所以稀土元素對於(yu) 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(wei) 良好的作用。在這一點金屬鈧就是一個(ge) 突出的例證，尤其是與(yu) 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於(yu) 析出相強化和固溶強化。其主要析出相δ'是與(yu) α-Al基體(ti) 共格的亞(ya) 穩相，具有有序超點陣(LI2)結構。α/δ'的界麵畸變程度很小，僅(jin) 為(wei) 0.08%左右，δ'相在合金中以彌散質點形式均勻析出。金屬的強化來源於(yu) 其內(nei) 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(ti) 的內(nei) 摩擦應力τ0

② δ'相與(yu) 基體(ti) 界麵的點陣畸變阻滯應力τg

③ δ'相與(yu) 基體(ti) 的切變模量之差τ△G

④ δ'相中形成反相籌界而產(chan) 生的界麵能γ0

⑤ 被切割的δ'相與(yu) 基體(ti) 形成的新表麵所具有的表麵能γ0

⑥ δ'相的內(nei) 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(chan) 生的反相界麵能，它對合金強度的貢獻大約為(wei) 50％，其次是δ'相和基體(ti) 的內(nei) 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(hui) 明顯改變合金的強度。

2、韌化機理

①共麵滑移

在鋁鋰合金中，由於(yu) δ'相與(yu) α基體(ti) *共格，且其α/δ'相界麵應變小，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(ge) 晶麵上滑移而不產(chan) 生交滑移，形成所謂的共麵滑移帶。這種共麵滑移現象導致位錯在晶界的堆積而產(chan) 生局部的應力集中和屈服，最後導致晶界裂紋的萌生，這種共麵滑移使得合金的韌性得以提高。

②晶界無析出帶

在晶內(nei) 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)。由於(yu) PFZ比晶內(nei) 結構要軟，所以滑移所產(chan) 生的晶界位錯堆積和應力集中可使其產(chan) 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，並沿PFZ擴展而形成微裂紋，其結果會(hui) 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(yu) 再結晶

經軋製的Al-Li合金板材存在變形織構，其主要織構類型為(wei) (110)[112]織構。由於(yu) 織構的存在使晶粒間的取向差變小，僅(jin) 約3°，所以這時晶內(nei) 滑移帶能夠穿越晶界擴展。這是因為(wei) 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(chan) 生沿麵的穿晶切變型平麵滑移，直至材料被破壞。

織構與(yu) 再結晶是密切相關(guan) 的。*再結晶後，Al-Li合金的變形織構也隨之消除。Al-Li合金產(chan) 生再結晶後強度降低了，還伴隨著晶粒長大、亞(ya) 晶界消失，甚至還可能出現再結晶織構等一係列的結構變化。

④其他析出相的影響和作用

在Al-Cu-Li-Mg-Zr係合金中，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(wei) :