Al-Li 合金时效过程中纳米相的析出行为分析

冯 柳

（山东理工大学分析测试中心，山东 淄博 255000）

近年来，随着我国科技与工业的发展，环境与能源问题日益突出。我国的汽车和航空领域发展的关键旨在消耗更少的能源，减少对环境的的影响，而节约能源比较有效的方式就是选用轻质合金，以降低所用设备自身的重量，Al 合金因具密度仅有2.7g/cm3，而备受青睐。但是在应用过程中，对Al 合金的强度、使用寿命、焊接性能、耐腐蚀性能等也有更高的要求。所以，研发出轻质高强度且性能优异的的Al 合金一项必要且紧迫的任务。当前，添加密度更低的金属Li 元素而形成的Al-Li 合金是最近十几年来汽车及航空材料当中关注的热点，并且有着极大的发展前景[1-4]。所以，Al-Li 合金材料的制备、性能的相关研究也成为了当前在新材料中的一个研究重点领域。在制备过程中，纳米相的析出行为及结构是决定Al-Li 合金性能的重要因素，而纳米相的析出行为主要由Al-Li 合金的合金元素成分和制备工艺决定的[5-8]。所以，本文从合金元素和热处理工艺两方面分析了纳米相的析出行为。

1 Al-Li合金中的合金元素对纳米析出相的结构影响

1.1 Cu 元素对Al-Li 合金的纳米析出相的影响

Al-Li 合金在时效过程中，会析出Al3Li 相，但Al3Li 相导致共面滑移，材料强度降低，所以Li 元素的加入虽然能降低Al 合金的密度，但加入量不宜偏高。在第三代AI-Li 基合金中的所添加的Li 元素含量基本上都控制在1.5wt%以下[9]。在550℃时，Cu 元素在纯Al 金属中的溶解度是为5.5wt%左右，所以Cu 作为Al-Li 合金中的主要添加元素，在时效过程中是会有一定数量密度的含Cu 纳米相析出，所以Cu 为Al-Li 合金中的一种重要添加元素。由Al-Li-Cu 的三元相图可知，此合金中可形成6 种金属化合物，其中Al2CuLi 相（通常称为T1 相）为析出有效强化相，Al6CuLi3 相（通常称为T2 相）为改善韧性的相。析出相的类型和比例主要取决于Al-Li 合金的成分、Cu 与Li 的含量和比例[10]。研究表明，含Cu 纳米相的析出能否改善Al-Li 合金的性能，取决于所析出的含Cu 纳米析出相，这与Cu 元素的添加量密切相关。添加过少，纳米析出相数量密度偏低，合金的性能无明显改善；添加量过高，纳米析出相T1 的数量密度偏高，虽然强度偏高，但合金的韧性降低。Cu 元素添加的最佳添加量为1%～4%。在Al-Cu-Li 合金中，Cu/Li 元素的添加比例不同，材料的微观结构也有差别，对时效析出行为也有影响。李劲风等[11，12]研究了Cu 和Li 的添加量及Cu/Li 比例对Al-（3.2 ～3.9）Cu-（0.8 ～1.4）Li 基合金在155℃时效过程中的时效析出行为的影响，研究结果表明，Cu/Li 比例对纳米析出相的演化过程有影响，随着时效时间的延长，Cu/Li 比例较低的合金中，θ'相的尺寸和数量减少；相反，Cu/Li 比例较高的合金中，θ'相的数量和尺寸会随之增加。

1.2 Zn元素对Al-Li 合金的纳米析出相的影响

Zn 元素添加到Al-Li 合金中，不仅可起到固溶强化的作用，还可以形成MgZn2（η′）相析出。另外，添加Zn 元素可以分别促进T1 相、S′相及、δ′相的析出，并抑制T1 相、δ′相的长大速度，从而使合金的强度和塑性增加，改善力学性能。尹登峰等[13]研究表明：在Al-Li 的2195 系列合金中添加少量Zn 除能促进上述三相的析出外，还能生成新的球形含Zn 相，起到共同强化的作用从而使2195 系合金强度明显增加。魏修宇等[14]研究了Zn和Mg 同时加入对析出相的变化。结果表明，单独添加少量Zn元素，对GP 区的形成基本没有影响，对合金中的θ'相的析出也无太大变化，说明Zn，Mg 同时存在下，Zn 元素的添加在Al-Li合金中只起到促进的作用。此外，Zn 元素的添加使析出相的尺寸和分布发生改变，除改善合金的力学性能外，还可以改善合金的抗应力腐蚀性能。

图1 添加不同含量Zn 元素的Al-Li-Cu-Mg 合金在175℃时效64h 的高分辨透射电镜和电子衍射分析图。

1.3 其他微量元素对Al-Li 合金的纳米析出相的影响

为细化Al-Li 合金的晶粒尺寸，改善合金中纳米相的析出行为，提高合金的强度和韧性，通常会加入某种微量元素，如Zr、Er、Sc、Mn 等[16]。另外，研究者也对同时加入两种微量元素的纳米相的析出行为进行了探讨。徐安林等2099 系Al-Li 合金中加入了0.24%的Sc 元素，透射电镜分析表明，Al3（Sc，Zr）纳米相沿晶界和晶内弥散析出，提高了合金的再结晶温度。Dan-yang LIU等[17]研究了添加0.082%的Sc，导致富Cu 纳米相、富Sc 纳米相和W 相形成，其中Al3（ScZr）相可以从某种程度上抑制晶粒的重结晶和固溶处理过程中重结晶晶粒的长大。桑冯建等[18]研究了2297 系Al-Li 合金中添加微量Mn 后，主要以AlCuMn 棒状弥散相和Al（CuMnFe）较大相析出，与未添加Mn元素的合金相比，合金中Al（CuMnFe）相尺寸较小、分布更加均匀，因而提升了合金的抗拉强度。并且，添加Mn 并未影响Al3Zr 粒子的析出行为。李睿等[19]研究了Al-3.3Cu-1.1Li-0.4Mg-0.1Zr 合金中同时加入0.4%Zn 和0.4%Ag 后，热处理状态下的微观结构，两种合金析出相均为大量T1 相（Al2CuLi）和部分θ'相（Al2Cu）。

2 AI-Li合金的热处理工艺对纳米析出相的结构影响

第三代Al-Li 合金铝锂合金相比前两代来讲，除了通过调节锂的含量、添加其他微量元素、调节主要合金元素比例以外，还从热处理工艺方面做了改善，主要包括前期的预变形处理、热处理工艺的改善[20]、分级时效处理等方法[21]，使合金微观结构更合理，晶粒尺寸更均匀，强度和韧性也得到很好地提高。所以，适当的热处理工艺以及时效制度是影响析出纳米相结构的重要影响因素，也决定了Al-Li 合金的强度和韧性。

2.1 Al-Li 合金的分级时效处理对纳米析出相的影响

合金的分级时效分为单级时效，双级时效以及三级时效等。不同的时效处理方式，纳米析出相的大小与分布也有区别，所表现出的宏观性能也不同。单级时效是Al-Li 合金先经过固溶处理，然后在某一温度下保温一段时间的时效处理。双级时效分为两次时效，第一次选择在较低的时效温度下对Al-Li 合金进行热处理，第二次在升到较高的温度，保温一定时间。三级时效处理分为三次时效，也称为回归再时效，先在T6 峰值所对应的温度时效，然后在高于T6 处理温度低于固然温度下时效后迅速冷却，最后在T6 热处理。在不同时效过程中，固溶温度、时效温度以及时效时间是决定纳米相结构的重要工艺参数。范洪涛等[22]研究了Al-Zn-Mg-Cu 系合金不同制度的热处理，单级时效处理后透射电镜分析可以观察到GP 区和细小的η′相，还观察到了A13Zr 相、Al12Mg2Cr 相或A17Cu2Fe 相；双级时效过程中，合金的析出相逐渐由由亚稳态过渡为稳定态，主要强化相η′相和η 相，且η′相开始长大，间距增加，强化相作用下降，基体软化，但可以阻碍裂纹的扩展；三级时效处理后，会有大量的η 相和η′相，但添加不同的合金元素，对析出相和GP 区的稳定性也有较大的影响。

2.2 Al-Li 合金的形变时效处理对纳米析出相的影响

Al-Li 合金的形变时效处理是将预变形和热时效处理结合起来的一种工艺，这两种工艺的有效结合，可以实现细晶强化和时效强化共同提升合金的力学性能。预变形的方式有冷轧、热轧、高压扭转等。通过上述大塑性变形的方式使合金中的晶粒尺寸细化至微米或纳米级。预变形工艺使合金中引入大量的位错，为下一步时效过程中T1 相的析出提供了更多的形核质点，促进T1强化相的快速析出，合金的强度也随之大幅提高；另外，预变形引入的高密度的位错，阻碍析出相的运动，同样可以使合金的强度得以提高。叶凌英等[23]研究了2050Al-Li 合金经热轧预变形后，再高温时效，发现晶粒内部形成大量亚晶，所产生的大量亚晶界促进了T B相的析出，增加了长大速率，使TB相的尺寸明显增大。于娟等[24]研究了2A97 铝锂合金经1%、3%、5%的预拉伸变形，再120℃/22h+155℃/15h 的双级时效后，T1 相的晶内析出速度增加，降低了合金晶间腐蚀和剥落腐蚀的敏感性，改善了合金的耐腐蚀性能。

图2 400℃/48h 高温过时效处理后2050Al-Li 合金板材扫描透射电镜照片（a）未预变形；（b）40%预变形[23]

3 结语

Al-Li合金的性能与纳米相的析出行为密切相关。通过添加不同种类、不同含量的合金元素、调节双金属的不同比例，可获得有效地强化相；通过调节合适的热处理工艺制度，优化合理的时效处理参数，亦可获得有益的纳米相。本文从合金元素和热处理工艺两方面概述了A1-Li 合金中纳米相的析出行为，为相关的实际设计以及实验提供参考，以研发更轻质且性能更优的Al-Li 合金，使其在航空航天以及交通领域中得到更广泛的应用。