航空航天新型材料—铝锂合金

铝锂合金介绍

铝锂合金是一类密度小、弹性模量高、比强度和比刚度高的新型铝合金，在航空航天领域有广泛的应用前景。在铝合金中添加金属锂元素，每添加1％的金属锂，其密度降低3％，而弹性模量可提高5%~6%，并可以保证合金在淬火和人工时效后硬化，铝锂合金的材料制备及零件制造工艺与普通铝合金没有太大差别，只是在保证金属锂不被空气氧化方面加以注意即可。一般情况下，可以沿用普通铝合金的技术和设备，相对于碳纤维复合材料来说，铝锂合金的成形、维修都比复合材料方便，成本也相对较低，因此，铝锂合金有明显的价格优势和性能优势，被认为是21世纪航空航天工业具竞争力的轻质高强结构材料之一。

铝锂合金的合金化

一般情况下，微合金化元素的加入大多以改善细化晶粒、析出强化相、控制失效速度和顺序、减小无沉淀析出带宽度等很多因素为主要目的。

目前，在铝锂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合金的强度和韧性、减小无沉淀析出带的宽度，但含量过高时会产生较多的中间相，这些中间相会造成铝锂合金的韧性下降和密度增大，Cu含量过低不能减弱局部应变和减小无沉淀析出带宽度，故Al-Li合金中的Cu含量一般为1%~4%。在Al-Cu-Li合金中呈细片状析出的T1(Al2CuLi)相与δ'相一起作为合金中的主要析出强化相，它们可以减弱共面滑移，使合金的强度指标得到明显提高。

Mg在Al中有较大的固溶度，加入Mg后能减小Li在Al中的固溶度。因此，在含Li量一定的情况下它能增加δ'相的体积分数。另外，它还能形成T(Al2LiMg)稳定相，抑制δ相的生成。加入Mg能产生固溶强化，强化无沉淀析出带，减小其有害作用。当铝锂合金中同时加入Cu、Mg后能够形成S'(Al2CuMg)相。S'相优先在位错等缺陷附近呈不均匀析出，其密排面与基体α相的密排面不平行，位错很难切割条状S'相，只能绕过这种条状相，并留下位错环，故S'相能有效地防止共面滑移，对改善合金的强度和韧性有一定的积极作用。但Mg含量过高时也会导致T相优先在晶界析出，增加脆性。Mg含量低于0.5％时，S'相很少，合金强度降低，适宜的Mg含量在改善铝锂合金的高温性能方面却有一定的良好作用。

Ag对铝锂合金有固溶强化和时效强化作用．但不是十分明显。Ag、Mg同时加入会发挥协同效应讲而产生**的强化，能够使得铝锂合金的时效速率大大加快。在Cu/Mg比例较高的铝锂合金中加入少量Ag，会提高它们的时效强化作用，且非常明显，同时也会改变AI-Li-Cu系合金的时效析出顺序，促进T1相和Ω相的形核并以金属间化合物形式析出，并使T1相均匀分布在合金中，同时也能够使晶粒尺寸变为细小。

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就能在晶界或亚晶界析出Al3Zr弥散质点，对晶界起钉扎作用，抑制再结晶并能够细化晶粒，以此来改善合金的强度和韧性；另外，Al3Zr可作为δ'相的形核中心，使时效析出的进程加速。但Zr含量过高时会在晶界形成粗大的析出相，破坏晶界与基体的结合的牢固程度，这会大大降低合金的各项性能。

下面介绍几种常见的合金元素在铝锂合金中的作用。

1、元素Li（锂）

锂是最轻的金属元素，密度只有0.536g/cm3。锂铝合金时效时由于析出δ' (Al3Li）相而产生强化作用，其过程可被描述为：过饱和固溶体亚稳相δ'和δ相呈球状，具有LI2型结构，晶格常数为0.4nm，是合金时效的主要强化相，其界面能比较低，大约为0.014J/m2，故δ'相的形核激活能较小，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'相与基体的错配度仅为0.08％，这种共格易产生共面滑移，使位错在滑移面与晶界的交界处堆积，引起应力集中。δ相具有B32(NaTi)型类金刚石结构，当进行过时效时，δ相沿扩相的晶界析出，可导致晶界附近Li原子减少并导致锂贫乏，形成强度较低的无沉淀区(PFZ)。合金发生塑性变形时PFZ将优先产生裂纹，该区域也会降低合金耐腐蚀性，所以在实际的生产中要尽量抑制δ相的形成。影响铝锂合金强韧性的主要因素是合金中δ'相形态与分布。前面提到，δ'相呈球状对金属的强化较佳

2、元素Mg（镁）

加入Mg会使铝锂合金的溶解度曲线上移，减小Li的固溶度，增加δ'相的体积分数，可以有效地提高合金的强度。一般认为这是由于Mg与空位的结合造成的，Mg与空位的结合能较大，约为0.25eV，淬火过程中，过饱和的空位与Mg原子形成Mg-空位原子簇，这些原子簇为δ相的结晶提供形核中心。铝锂合金同时加入Cu、Mg，由于Mg与空位以及Cu原子之间的交互作用，合金在淬火后形成许多Cu-Mg团簇，成为富Cu(q'')相的形核部位，促使Cu原子不断向形核区进行扩散，形成亚稳相S'。S'相呈板条状，斜方结构，晶格常数a=0.40nm，b=0.93nm，c=0.72nm，其惯习面与基体的密排面不平行，能够使共面滑移趋于弥散，有效地改善合金的强韧性。S'相优先在位错等缺陷处呈不均匀析出，能减小或消除无沉淀区（PFZ)，由于S'相的形核能较大，时效过程中S'相形核的孕育期较长，其析出也需要长时间的保温时效才能实现。

3、过渡族金属元素

3.1、Cu

铜加入到铝锂合金中会析出T1相。T1相是Al-Li-Cu系合金最重要的平衡相，呈盘状或片状，六方形结构，晶格常数a=b=0.50nm，c=0.93nm。T1相阻碍位错扩展，同时对位错也有钉扎作用，强化比δ'相更加明显。但是T1相密排面(0001)//(111)α、密排方向[1010]//[110]，不能明显地减弱共面滑移，因此对合金的塑性没有明显的改善。T1相在位错、亚晶界等晶体缺陷处以堆垛层错的方式非均匀形核，临界形核功较大，析出非常缓慢。适量的预变形能够使T1相均匀、细小、弥散析出，可以起到增加合金位错密度和增大T1相的形核场所的作用。经研究发现，T1相的长大受台阶机制控制。T1相与基体之间的错配度仅为0.12%，基体提供T1相长大的台阶数量有限，所以T1相在一定的温度下粗化倾向较小，能保持合金力学性能的稳定。但是温度升高至200℃时δ'相溶解，Cu、Li原子向台阶迁移的速率加快，台阶形核阻力变小，台阶数量倍增，T1相粗化，导致合金力学性能下降。

3.2、Mn

在铝锂合金中加入Mn能够形成Al6Mn相并以粒子形式析出，Al6Mn相能有效地改善铝锂合金各向异性。一方面在加工过程中Al6Mn弥散质点本身发生均匀滑移，使合金的变形由共面滑移转变成均匀滑移，从而使铝锂合金组织分布更加趋向一致；另一方面Al6Mn弥散质点通过影响面的位错密度等使T1相在面能够均匀形核，利用这一特点可有效地降低和改善合金的各向异性。

3.3、Zr

Zr加入到铝锂合金中，Zr与Al能够形成亚稳相β'(Al3Zr)，呈棒状，具有LI2结构，晶格常数a=0.41nm。Zr原子与空位结合能较大(0.24eV)，在合金凝固中易与空位结合，导致与锂原子结合的空位减少，从而阻止δ'相析出，但是δ'相可以在β'相界面形核生长，形成β'/δ'复合结构相，增加与基体的错配度，而且β'/δ'相的硬度较大，位错很难切过，可以有效地抑制共面滑移，改善合金的塑性。Sc与Zr形成极细的三元共格相Al3(Sc1-xZrx )。通常Sc含量为0.07%~0.03%，Zr含量为0.07%~0.15%，两者的比例保持为约1:1，其表示为Al3(Sc,Zr)。Al3(Sc,Zr)与δ'结构相似，时效过程中可成为δ'非均匀形核的核心，形成Al3Li/Al3(Sc,Zr)复合粒子。

3.4、稀土元素

稀土元素在普通铝合金的熔炼、凝固等过程中均显示出有益作用，包括稀土的除气、除杂和晶粒细化等作用。稀土元素的添加可以改善普通铝合金超塑性、热变形性、腐蚀抗力、焊接性等，并且具有减轻杂质的危害。鉴于此，国内外学者开展了在铝锂合金中添加微量Ce(铈)、Y(钇)、La(镧)等稀土元素的研究工作，研究结果显示，所有稀土元素都能够不同程度地改善铝锂合金的组织和性能。

稀土元素Ce、Y、La、Sc等均能延缓铝锂合金的再结晶过程，并且能减小再结晶比例和细化再结晶晶粒尺寸，细化沉淀相并使之均匀化分布于合金中，同时也能减弱铝锂合金中杂质元素的负面影响。所以稀土元素对于铝锂合金来说是一类有益的添加元素，即使是在添加微量的情况下就能够明显起到较为良好的作用。在这一点金属钪就是一个突出的例证，尤其是与金属锆同时加入可以使铝合金以及镁合金都有明显的作用。

铝锂合金的强韧化机理

1、铝锂合金强韧化机理

1、强化机理

铝锂合金的强化作用主要来源于析出相强化和固溶强化。其主要析出相δ'是与α-Al基体共格的亚稳相，具有有序超点阵(LI2)结构。α/δ'的界面畸变程度很小，仅为0.08%左右，δ'相在合金中以弥散质点形式均匀析出。金属的强化来源于其内部结构对滑移位错的阻碍作用。在Al-Li合金中阻碍位错运动的主要因素是合金中有δ'析出相，而影响位错切割δ'颗粒的因素有：

① 基体的内摩擦应力τ0

② δ'相与基体界面的点阵畸变阻滞应力τg

③ δ'相与基体的切变模量之差τ△G

④ δ'相中形成反相筹界而产生的界面能γ0

⑤ 被切割的δ'相与基体形成的新表面所具有的表面能γ0

⑥ δ'相的内摩擦应力τp

实验和计算表明，对合金强度起主要作用的是位错切割δ'相时所产生的反相界面能，它对合金强度的贡献大约为50％，其次是δ'相和基体的内摩擦应力τp和τ0，其他三项各有5％左右。另外，δ'相有序度的变化也会明显改变合金的强度。

2、韧化机理

①共面滑移

在铝锂合金中，由于δ'相与α基体*共格，且其α/δ'相界面应变小，所以滑移位错较易切割δ'相颗粒。被切割的δ'相颗粒可以提供一条滑移更容易进行的通道，因此大量的滑移位错常在同一个晶面上滑移而不产生交滑移，形成所谓的共面滑移带。这种共面滑移现象导致位错在晶界的堆积而产生局部的应力集中和屈服，最后导致晶界裂纹的萌生，这种共面滑移使得合金的韧性得以提高。

②晶界无析出带

在晶内δ'相是均匀的，但在晶界附近则出现所谓δ'相的无析出带(PFZ)。由于PFZ比晶内结构要软，所以滑移所产生的晶界位错堆积和应力集中可使其产生早期的屈服而发生塑性变形，导致微孔在晶界粗大析出物和三相交叉点附近形核，并沿PFZ扩展而形成微裂纹，其结果会使合金在拉伸过程中发生晶间断裂现象而恶化合金的性能。

③织构与再结晶

经轧制的Al-Li合金板材存在变形织构，其主要织构类型为(110)[112]织构。由于织构的存在使晶粒间的取向差变小，仅约3°，所以这时晶内滑移带能够穿越晶界扩展。这是因为小角晶界对位错的阻挡作用较小，所以一旦位错穿过晶界，即产生沿面的穿晶切变型平面滑移，直至材料被破坏。

织构与再结晶是密切相关的。*再结晶后，Al-Li合金的变形织构也随之消除。Al-Li合金产生再结晶后强度降低了，还伴随着晶粒长大、亚晶界消失，甚至还可能出现再结晶织构等一系列的结构变化。

④其他析出相的影响和作用

在Al-Cu-Li-Mg-Zr系合金中，除δ'相外，还存在其他二元或三元析出相。其基本析出过程为: