鋁鋰合金熱機械處理研究進展

吳秀亮,　劉　銘,　李國愛,　汝繼剛,　陳軍洲,　陸　政

(北京航空材料研究院 北京市先進鋁合金材料及應用工程技術研究中心， 北京 100095)

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鋁鋰合金熱機械處理研究進展

吳秀亮,劉銘,李國愛,汝繼剛,陳軍洲,陸政

(北京航空材料研究院 北京市先進鋁合金材料及應用工程技術研究中心， 北京 100095)

綜述了熱機械處理對新型鋁鋰合金強韌化機制影響的研究，深入分析討論了熱機械處理對鋁鋰合金晶粒結(jié)構和沉淀相等顯微組織演變規(guī)律的影響。通過熱機械處理改變主要沉淀相的析出順序和析出行為，促進基體形成細小、彌散和均勻分布的以δ′，θ″/θ′，T1，S″S′相為主的聯(lián)合強化組織，抑制晶界沉淀相的析出和長大以及晶界無析出帶的寬化，能夠顯著改善鋁鋰合金的強度和塑韌性匹配。經(jīng)過固溶處理基體溶質(zhì)原子和空位密度顯著上升，淬火后形成這些缺陷過飽和固溶體為隨后時效析出提供了動力。預變形和預時效促進了基體細小彌散的沉淀相δ′相或G.P.區(qū)均勻形核析出，在高溫時效調(diào)節(jié)和穩(wěn)定沉淀相尺寸和體積分數(shù)，獲得T1、θ″/θ′和δ′相混合組織。新型和特殊熱機械處理調(diào)控主要強化相δ′，θ″/θ′，T1相析出比例、尺寸和取向，細化晶粒和優(yōu)化晶粒結(jié)構。最后指出應開發(fā)大規(guī)格軋制板材和熱鍛件的應力時效等新型熱機械處理工藝，以滿足大型航空飛機和重型運載火箭對輕質(zhì)高性能鋁鋰合金需求。

鋁鋰合金；熱機械處理；時效；預變形

鋁鋰合金具有低密度、高比強度、高塑性、高斷裂韌度和高比剛度等特點，因此是航空航天領域廣泛應用的結(jié)構材料[1-2]。我國的鋁鋰合金研究取得了突破性進展，在發(fā)展第三代鋁鋰合金2A97的基礎上，正在開發(fā)具有第四代典型特征的新型鋁鋰合金-X2A66。我國自主開發(fā)的2A97鋁鋰合金是Al-Cu-Li 系脫溶強化型合金，具有低各向異性和高強、可焊性，以及高疲勞裂紋擴展抗力，具有較好的綜合性能。法國空客A380廣泛使用2099鋁鋰合金，美國F16戰(zhàn)斗機大量使用2197鋁鋰合金，以及我國的C919大飛機大量使用鋁鋰合金，極大地促進我國鋁鋰合金的開發(fā)和應用[3-6]。然而，我國需要不斷改善和加強大規(guī)格鋁鋰合金板材和鍛件的制備加工技術，提高和優(yōu)化鋁鋰合金制品的塑性、強度和斷裂韌度的匹配，以加快鋁鋰合金的工程應用。熱機械處理和合金成分優(yōu)化控制著顯微組織特征，包括沉淀相、彌散相、再結(jié)晶程度、晶粒尺寸和結(jié)構、晶體織構和雜質(zhì)相等，是進一步改善鋁鋰合金強度和斷裂韌度的有效手段。常見的熱機械處理工藝包括固溶淬火、時效、變形時效、新型熱處理和特殊熱機械處理等，其強化機制是控制顯微組織晶粒尺寸和結(jié)構以及內(nèi)部沉淀相(包括位錯等缺陷)等第二相的種類、尺寸、數(shù)量和分布形態(tài)等[1,7-11]。本文重點分析討論各種熱機械處理工藝對鋁鋰合金強韌化機制的影響，為開發(fā)新型鋁鋰合金提供理論參考。

1　固溶淬火

新型鋁鋰合金的發(fā)展方向，不單純追求減重，而是尋求綜合性能或某些特殊優(yōu)勢性能的提高。因此添加合金化元素Cu,Mg,Zr,Zn,Ag等含量顯著增加，而Li含量則有所降低[5]。在鋁合金中添加Cu有利于基體析出片狀沉淀相T1(Al2CuLi)相，T1相被看做是鋁鋰合金中最有潛力的強化沉淀相，可以有效抑制δ′(Al3Li)相共面滑移引起性能各向異性。當Cu含量或Cu/Li不同時，可以顯著改變析出沉淀相的種類和析出順序[12]。在鋁合金中添加Cu的基礎上進一步添加Mg或Ag，有利于固溶強化，同時有利于時效析出沉淀相S″相和S′(Al2CuMg)相、θ′相(Al2Cu)以及T1相，抑制δ′相粗化，改變基體和晶界中沉淀相析出特征及其種類和狀態(tài)[1]。Zn等也被作為添加元素，結(jié)合Mg和Ag等，促進基體δ′相、S′相和G.P.區(qū)析出，或者促進基體η′(Mg2Zn)相析出，用于改善合金的綜合性能[4]。由于大量合金化元素的添加，在固溶淬火后得到高過飽和固溶體，為后續(xù)沉淀相析出做組織準備。這些合金化元素的加入，有利于基體固溶強化，同時，固溶原子在基體密排面聚集降低了層錯能，促進后續(xù)時效新的沉淀相在這些位置優(yōu)先形核析出。固溶形成的新彌散相與基體形成的共格界面促進了后續(xù)時效強化沉淀相的析出，但是在合金基體中形成粗大的彌散相和殘留相往往降低合金的塑性和斷裂韌度。固溶可以使粗大的可溶第二相重新溶解到基體，因此，固溶和淬火對后續(xù)熱機械處理效果產(chǎn)生較大的影響[13-14]。

固溶處理將殘留相重新固溶到基體中，在淬火后得到高過飽和固溶體，為時效沉淀相析出提供較高的驅(qū)動力。鋁鋰合金在高溫固溶或強化固溶時，基體空位濃度升高，基體過剩相中脫溶溶質(zhì)原子Li和Mg等溶解并釋放出大量空位，使基體溶質(zhì)原子濃度和空位濃度升高，在固溶淬火后形成空位和溶質(zhì)原子的過飽和體，這些有利于時效過程基體析出均勻分布的細小沉淀相。在固溶時會發(fā)生再結(jié)晶，使晶粒長大和粗化，反而對某些力學性能有害。通過優(yōu)化固溶溫度和時間，可以使合金化元素的固溶度、顯微組織的再結(jié)晶程度及晶粒尺寸得到優(yōu)化，對后續(xù)時效行為產(chǎn)生積極的影響，從而影響合金最終的綜合性能。固溶溫度和時間對時效合金基體和晶界沉淀相的尺寸和數(shù)量的影響，是通過影響基體殘留過剩相數(shù)量和尺寸，改變基體和晶界附近的溶質(zhì)原子和空位濃度實現(xiàn)的[15-17]。

均勻化處理能有效消除鋁鋰合金鑄錠中的枝晶狀成分偏析和未溶第二相θ(Al2Cu)相以及低熔點相，使基體和晶界處的含Cu,Mg,Fe,Si和Mn的第二相溶解，并使其溶質(zhì)原子分布更均勻，或者形成新的第二相如β′(Al3Zr)相等彌散相，有利于后續(xù)加工、固溶及最終時效過程晶粒細化和沉淀相的析出。均勻化溫度和時間影響固溶度、雜質(zhì)相的重組和彌散相的析出。2099鋁鋰合金使用雙級均勻化處理后，鑄錠組織枝晶處含有Zn，Mn和Fe的第二相和θ相大部分重新溶解到基體中，剩余少量的殘留相AlCuMn和AlCuFeMn等。這些殘留相和第二相在后續(xù)變形加工和固溶過程進一步破碎和部分溶解，為后續(xù)時效提供沉淀相形核位置和溶質(zhì)原子及空位，以及促進再結(jié)晶形核和抑制再結(jié)晶晶粒長大[9,19-21]。

2　時效工藝

鋁鋰合金在時效過程析出沉淀相的種類、尺寸、數(shù)量和分布形態(tài)發(fā)生顯著變化，這對合金的綜合性能產(chǎn)生較大的影響[1，22-24]。通常，鋁鋰合金時效析出的沉淀相包括δ′相、T1相、S″/S′相、θ″相/θ′相等，典型鋁鋰合金的沉淀相如表1所示[3,9,10,20,23-24]。在時效過程這些沉淀相析出和長大，晶界沉淀相和無析出帶出現(xiàn)和粗化。時效溫度和時間影響沉淀相析出順序和種類，固溶淬火后形成的空位和溶質(zhì)原子數(shù)量影響沉淀相的形核數(shù)量、長大速度和尺寸。鋁鋰合金沉淀相析出特征受化學成分影響顯著，如(Cu+Li)總量、Cu/Li比例和合金化元素含量等，各種沉淀相析出動力學及強化效果受時效溫度和時間影響[25]。

表1　典型鋁鋰合金沉淀相

鋁鋰合金在淬火和自然時效狀態(tài)，在基體析出大量球形δ′相和塊狀Al2CuMn相以及β′相等，這些第二相影響后續(xù)沉淀相析出。鋁鋰合金在固溶淬火過程，δ′相會快速析出，均勻分布于基體，因此自然時效和低溫預時效以及預變形對δ′相析出影響較小，其長大過程受時效溫度和時間影響較大。Al-Cu-Li系鋁鋰合金在低溫時效時，在時效初期，由于δ′相的生長消耗了基體中Li原子和大量空位，因此，抑制了Cu擴散，不利于G.P.區(qū)和T1相形核和長大。在時效后期，由于δ′相長大釋放出的空位則有利于Cu擴散，有利于基體G.P.區(qū)和θ″/θ′相形成，因此在低溫時效易形成δ′相、β′相和θ″/θ′相為主的顯微組織。T1相主要在晶界和亞晶界分布，尺寸小，晶界無析出帶窄。在高溫時效時，由于δ′相長大釋放出的空位有利于Cu擴散，因此有利于基體G.P.區(qū)和和θ″/θ′相形成，易形成β′相、T1相、θ″/θ′相和δ′相為主的顯微組織?；wT1相數(shù)量多，尺寸大。在此狀態(tài)下，形成T1相、θ″/θ′相和δ′相聯(lián)合強化的效果，其強化程度介于T6狀態(tài)和T8狀態(tài)。在時效狀態(tài)，T1相優(yōu)先在基體與β′相界面、G.P.區(qū)、殘留位錯及晶界和亞晶界等缺陷處形核析出。基體均勻分布的G.P.區(qū)在向θ″/θ′相轉(zhuǎn)變過程，在基體形成的缺陷和位錯環(huán)促進了T1相的形成。在更高溫度時效時，由于基體過飽和空位不易于形成空位團或位錯環(huán)，因此不利于形成T1相。在δ′相溶解溫度附近時效，有利于δ′相的析出和長大，隨時效溫度進一步升高，δ′相和θ″/θ′相回溶到基體，形成粗大的平衡相，如T1相、T2相、δ(AlLi)相、Al2MgLi相和θ相等。這些粗大的平衡相在晶界和亞晶界非均勻析出，導致其周圍或晶界處形成無析出帶，引起合金的韌性降低[27-30]。

通過組合時效工藝可以優(yōu)化鋁鋰合金的組織和性能，如通過先低溫再高溫雙級時效工藝，在低溫時效使沉淀相δ′相或G.P.區(qū)均勻形核析出，在高溫時效調(diào)節(jié)和穩(wěn)定沉淀相尺寸和體積分數(shù)，獲得T1相、θ″/θ′相和δ′相混合組織，能夠優(yōu)化合金的強度和塑性匹配。分級時效的影響歸功于預時效階段細小彌散沉淀相的形核和長大[31-32]。

3　變形時效

變形時效是在固溶淬火后直接變形再時效，或固溶淬火后先預時效再變形和時效。引入變形的目的是在基體形成大量滑移位錯，促進T1相、θ′相和S′相均勻、細小和彌散形核析出[7，33]。預變形變形量增加，基體位錯數(shù)量、形核位置密度增加。預變形對于同時含Cu和Li元素的鋁鋰合金的時效動力學、析出相間的競爭析出行為有顯著影響。鋁鋰合金由于在固溶淬火后在室溫時效時塑性保持較高，強度變化不大，因此有利于在固溶淬火后有相對充足時間進行變形和時效組合優(yōu)化顯微組織和性能。

在固溶淬火后直接預變形然后再時效，通過變形引入位錯，促進T1相、θ′相和S′相的形核析出，是提高鋁鋰合金韌性的有效途徑。如2A97鋁鋰合金經(jīng)過預變形和低溫時效，獲得較高的斷裂韌度，如表2所示[34]。通過合適變形量的冷變形有利于引入高密度、分布均勻的位錯，從而有利于時效沉淀相均勻析出。過大變形量的變形會造成基體位錯纏結(jié)，從而造成基體沉淀相分布不均勻，反而會使合金的韌性下降。由于固溶淬火后在基體析出大量的δ′相，因此，通過預變形能夠促進細小均勻的T1相、θ′相和S′相的形核析出，從而增加基體析出的沉淀相種類。通過后續(xù)時效進一步優(yōu)化沉淀相的尺寸和分布，起到聯(lián)合強化的效果。相比于固溶淬火后的雙級時效，由于增加變形引入均勻分布位錯，因此，固溶淬火后的變形時效，形成的T1相、θ′相和S′相分布均勻，尺寸均勻，密度高，強化效果更高[11]。

表2　2A97鋁鋰合金經(jīng)過預變形時效處理后獲得斷裂韌度

Note:Testing direction，T-L。

在固溶淬火后直接預時效再變形，然后再時效，在預時效階段，由于基體存在過飽和空位和溶質(zhì)原子，有利于基體δ′相、T1相、θ′相和S′相在缺陷處彌散、細小和均勻的形核析出，基體過飽和空位和溶質(zhì)原子減少后，再利用預變形引入位錯，在隨后的時效中進一步促進T1相、θ′相和S′相均勻形核析出。在拉伸之前進行的預時效改變了變形對終時效沉淀相的競爭析出行為。這種處理工藝有利于強化基體或晶界的弱區(qū)，減少晶界無析出帶寬度，雖然強度有所下降，但是韌性提高。

鋁鋰合金依據(jù)化學成分不同，結(jié)合固溶淬火后不同變形和時效工藝組合，會發(fā)生從過飽和固溶體到各種沉淀相的不同時效析出序列，直接影響了合金的顯微組織。其中，變形工藝通過引入位錯，促進了基體T1相、θ′相和S′相的析出，最終時效改善沉淀相尺寸和分布，從而對最終性能產(chǎn)生較大影響。2A97鋁鋰合金在固溶淬火后立即變形，然后進行雙級時效，極大地促進基體細小沉淀相的均勻析出。預變形有利于在基體引入大量的位錯，為T1相和θ′相形核提供有利位置。先在低溫預時效，有利于與基體共格的θ″相和δ′相優(yōu)先析出，并且低溫預時效過程基體存在大量空位聚集和變形位錯運動形成大量的位錯環(huán)，為T1相提供有利的形核位置。在二級高溫時效時，則在基體形成均勻分布的T1相、θ′相和δ′相的混合組織。這種帶有預時效的變形時效工藝顯著改善了鋁鋰合金的強塑性匹配[35-36]。

4　新型熱處理工藝

圖1　2A97鋁鋰合金在220 ℃和240 ℃高溫回歸過程硬度變化[37]Fig.1　Variation in Brinell hardness of the 2A97 Al-Li alloy with retrogression time at 220 ℃ and 240 ℃[37]

新型熱處理工藝包括RRA回歸再時效和T6I6間歇時效等。RRA工藝即首先在低溫時效，然后在峰值時效(回歸時效)，最后在低溫再時效。在RRA工藝回歸過程基體共格δ′相溶解，在再時效過程重新析出，通過RRA工藝有利于在基體形成更多的位錯環(huán)和螺位錯，促進基體T1相和S′相生長和均勻分布[37]。2A97鋁鋰合金在高溫回歸過程，發(fā)生δ′相溶解和再析出，因此合金的硬度會發(fā)生顯著的變化，如圖1所示[37]。RRA工藝通過高溫短時或長時回復，促進可剪切沉淀相δ′相回溶和晶界析出相回溶，可以提高鋁鋰合金腐蝕性能和韌性。

還有一種新型時效是ORR工藝，即過時效-重固溶-再時效處理，用于提高合金的抗應力腐蝕性能和力學性能。ORR工藝克服了RRA工藝中間時效時間短的缺點。T6I6工藝用于改善鋁合金的強韌性和耐蝕性，鋁鋰合金經(jīng)過T6I6工藝處理后斷裂韌度有顯著改善。T6I6工藝在T6時效后在低溫時效促進基體更細小沉淀相δ′相二次析出，同時，基體溶質(zhì)原子團簇或G.P.區(qū)增加促進基體T1相形核，在第三階段時效有利于形成更多的δ′相和T1相。而RRA工藝在高溫時效促進δ′相回溶，由此形成大量空位團簇和位錯環(huán)促進基體形成T1相。在RRA工藝和T6I6工藝中引入變形過程，顯著促進基體時效進程和沉淀相T1相析出，進一步增強合金基體強度[38-42]。

5　特殊熱機械處理工藝

通過熱機械處理細化晶粒是實現(xiàn)鋁鋰合金超塑性的關鍵。熱機械處理利用過時效和大變形量變形過程形成的粗大沉淀相和其周圍的高能應變區(qū)實現(xiàn)再結(jié)晶細化晶粒。這種熱機械處理工藝通常包括固溶、時效、大變形量變形和再結(jié)晶退火工序。過時效生成的粗大第二相粒子及在隨后大變形量變形過程中在其周圍形成應變區(qū)，在隨后的再結(jié)晶退火過程中成為再結(jié)晶的形核位置，促進晶粒細化。鋁鋰合金需要適當?shù)能堉谱冃螠囟群驮俳Y(jié)晶溫度配合，再結(jié)晶溫度過高，再結(jié)晶退火將消耗軋制變形過程的存儲能，抑制超塑性變形過程的動態(tài)再結(jié)晶，影響獲得細小的等軸晶粒組織。在較低溫度再結(jié)晶退火能夠保留軋制過程的高密度位錯，為細小等軸晶粒形成提供足夠多的形核點和驅(qū)動力。如2A97鋁鋰合金在低溫中間再結(jié)晶退火獲得了較高的塑性[43-44]。

固溶淬火后的過時效過程形成第二相粒子的體積分數(shù)和粒子間距，對隨后軋制及再結(jié)晶晶粒細化和等軸化具有較大影響。在較低溫度過時效時，形成的平衡析出相T2相和δ相數(shù)量少，尺寸小，不利于后續(xù)變形在其周圍形成應變區(qū)促進再結(jié)晶形核，而且最終時效沉淀強化效果降低。在較高溫度過時效處理，有利于高溫終軋再結(jié)晶，獲得等軸的細晶粒組織，極大改善合金的各向異性。通過在過時效前增加預變形，可以顯著增加過時效過程形成第二相粒子的體積分數(shù)，獲得有利于再結(jié)晶形核的粒子尺寸和粒子間距，從而有利于晶粒細化和等軸化。如2195鋁鋰合金通過在固溶后采用預變形和雙級時效為超塑性變形提供了合適的細晶組織[3,8]。

6　熱機械處理發(fā)展趨勢

近年來，鋁鋰合金的熱機械處理工藝得到了較大的發(fā)展，先進的熱機械處理工藝研究越來越受到重視。如時效成型工藝，將鋁鋰合金機械成型和時效強化結(jié)合起來使加工流程大大縮短，提高了合金的強度和塑性以及耐腐蝕性能。通過優(yōu)化時效成型過程的蠕變溫度和施加應力，在時效成型過程應力抑制θ′相析出，促進T1相的析出和細化。應力取向效應對θ′相的析出產(chǎn)生明顯的影響，但是對T1相影響較弱。同時，時效成型抑制晶界沉淀相的析出和晶界無析出帶的寬化[45-48]。RRA工藝在厚板處理時，由于回歸時間較短難以實現(xiàn)厚板均勻時效，因此需要嚴格控制回歸再時效溫度、時間，加熱和冷卻速率。通過將RRA 工藝連續(xù)進行(積分時效) ，采用較低的回歸溫度，可以防止局部發(fā)生過時效[49]。振動時效可以代替低溫時效消除零件機加工、焊接和冷熱加工過程產(chǎn)生的應力和變形。振動時效過程材料內(nèi)部位錯運動和重組，在交變動應力與內(nèi)部殘余應力相互作用下, 使合金內(nèi)殘余應力以釋放和均衡。如5A90鋁鋰合金利用振動時效消除應力效果明顯優(yōu)于低溫時效。

7　新型鋁鋰合金的發(fā)展和應用

目前美國第三代鋁鋰合金，包括2197，2397，2099，2195，2196，2098，2198和2050等新型鋁鋰合金已經(jīng)發(fā)展成熟，并在航空航天領域廣泛應用。如F16戰(zhàn)機先后使用了2097，2197，2297和2397合金。波音787夢幻客機使用大量2099/2199合金。A380、A350雙引擎客機使用了大量2099合金結(jié)構件，并使用了2098，2195，2196，2050等新型鋁鋰合金。A330/340和波音777的垂尾和平尾使用了C155合金。美國戰(zhàn)神系列運載火箭使用了2195鋁鋰合金用作燃料貯箱，獵鷹9號運載火箭燃料貯箱使用了2198-T8薄板和厚板。俄羅斯研制開發(fā)了一系列新型鋁鋰合金，包括1420，1424，1450，1460，1469等合金。其中1420鋁鋰合金在米格-29、米格-31、Su-27、Su-35、Su-37、A-124、雅克-36等軍機上大量使用。1460鋁鋰合金用于制造大型能源號運載火箭的超低溫燃料貯箱，箱體直徑8 m，分箱體長度分別為40 m和20 m。我國先后開發(fā)了國產(chǎn)5A97，2A97，2A66等鋁鋰合金，并開展了部分工程化應用。2015年11月，我國自主研制的C919大型客機首架機正式下線，客機機身直部段使用了第三代鋁鋰合金，這是我國民航飛機首次應用鋁鋰合金。隨著C919等飛機的研制和轉(zhuǎn)包生產(chǎn)等，將引進2099，2199，2060等合金，將促進我國鋁鋰合金熱機械處理工藝等加工工藝升級和進步[2,4-6,9,19，20,48]。

8　結(jié)束語

先進熱機械處理工藝促進了我國鋁鋰合金的發(fā)展和應用，我國航空航天領域的快速發(fā)展急需先進鋁鋰合金的國產(chǎn)化，急需我國自主研發(fā)的第三代鋁鋰合金的工程化應用[50]。因此，急需成熟和完善大規(guī)格鋁合金及鋁鋰合金的熱機械處理工藝，開發(fā)出高性能的大規(guī)格軋制板材和熱鍛件。需要不斷地深入研究新型熱機械處理成形過程應力分布和殘余應力分布以及顯微組織演變規(guī)律和性能關系，深入研究熱機械處理過程顯微組織動態(tài)回復、再結(jié)晶和時效析出行為等對先進鋁合金及鋁鋰合金綜合性能的影響。

[1] VICNTEE A P, BAPITSTE G，F(xiàn)REDERIC G,etal. Microstructural evolution during ageing of Al-Cu-Li-Xalloys[J]. Acta Materialia，2014，66：199-208.

[2] 孫中剛，郭旋，劉紅兵，等.鋁鋰合金先進制造技術及其發(fā)展趨勢[J]. 航空制造技術，2012，5：60-63.

(SUN Z G,GUO X,LIU H B,etal. Development trend of advanced manufacturing technology for aluminum lithium alloy[J].Aeronautical Manufacturing Technology，2012，5：60-63.)

[3] 孫剛，王少華，張顯峰，等.固溶處理及預拉伸變形對2197鋁鋰合金組織與性能的影響[J].金屬熱處理，2011， 36(10)：75-78.

(SUN G,WANG S H,ZHANG X F,etal.Effect of solution treatment and prestretching deformation on microstructure and properties of 2197 Al-Li alloy[J].Heat Treatment of Metals，2011，36(10)：75-78.)

[4] 鄭子樵，李勁風，陳志國，等.鋁鋰合金的合金化與微觀組織演化[J].中國有色金屬學報，2011，21(10)：2337-2351.

(ZHENG Z Q,LI J F,CHENG Z G,etal. Alloying and microstructural evolution of AI-Li alloys[J].The Chinese Journal of Nonferrous Metals，2011，21(10)：2337-2351.)

[5] 楊守杰，盧健，馮朝輝.鋁鋰合金歷史回顧與在中國的研究發(fā)展[J].材料導報，2014，28(24)：430-435.

(YANG S J,LU J,FENG Z H,etal. The history of Al-Li alloys and the research development in China[J].Material Review ，2014，28(24)：430-435.)

[6] 翟彩華，馮朝輝，柴麗華，等.鋁鋰合金的發(fā)展及一種新型鋁鋰合金-X2A66[J].材料科學與工程學報，2015，33(2)：302-306.

(ZHAI C H,FENG Z H,CHAI L H,etal.Development of Al-Li alloy and a new type of Al-Li alloy X2A66[J].Journal of Materials Science and Engineering，2015，33(2)：302-306.

[7] GAO C, LUAN Y, YU J C，Effect of thermo-mechanical treatment process on microstructure and mechanical properties of 2A97 Al-Li alloy[J].Trans Nonferrous Met Soc. China，2014，24：2196-2202.

[8] 張新明，劉穎維，葉凌英，等.預變形和過時效對AA2195鋁鋰合金晶粒的細化[J].中國有色金屬學報，2009，19(4)：633-638.

(ZHANG X M,LIU Y W,YE L Y,etal.Grain refinement of AA2195 Al-Li alloy by pre-deformation and overaging[J].The Chinese Journal of Nonferrous Metals，2009，19(4)：633-638.)

[9] 林毅，鄭子樵，李世晨，等.2099鋁鋰合金微觀組織及性能的演變[J].中南大學學報(自然科學版)，2015，46(2)： 427-436.

(LIN Y,ZHENG Z Q,LI S C,etal.Microstructures and properties of 2099 Al-Li alloy[J].The Chinese Journal of Nonferrous Metals，2015，46(2)：427-436.)

[10] DORIN T, GEUERS F D, LEFEBVRE W,etal. Strengthening mechanisms of T1precipitates and their influence on the plasticity of an Al-Cu-Li alloy[J].Materials Science & Engineering A，2014(605)：119-126.

[11] YU X X, YIN D F, YU Z M,etal. Mechanism of enhanced fracture toughness in a novel Al-Cu-Li-Ce alloy[J].Rare Metal Materials and Engineering，2014，43：1061-1066.

[12] DECREUS B, DESCHAMSP A, GEUSERF D,etal. The influence of Cu/Li ratio on precipitation in Al-Cu-Li-X alloys[J]. Acta Materialia，2013， 61：2207-2218.

[13] 吳秀亮，袁志山，謝優(yōu)華，等.固溶對Al-Cu-Li-X合金組織和性能的影響[J].航空材料學報，2009，29(3)：1-6.

(WU X L,YUAN Z S，XIU Y H,etal.Effects of solution treatment on microstructures and properties of Al-Cu-Li-X alloy[J].Journal of Aeronautical Materials，2009，29(3)：1-6.)

[14] 李華冠，陶杰，孫中剛，等.固溶處理對新型鋁鋰合金組織和性能的影響[J].金屬熱處理，2013，38(3)：74-76.

(LI H G,TAO J,SUN Z G,etal.Effects of solution treatment on microstructure and properties of a aluminum-lithium alloy[J].Heat Treatment of Metals，2013，38(3)：74-76.)

[15] 宋濤，許曉靜，范真，等.強化固溶處理對含Sr 2099 型鋁鋰合金組織和位錯強化的影響[J].稀有金屬材料與工程，2012，41：373-376.

(SONG T,XU X J,FAN Z,etal.Effect of Enhanced solid solution treatment on microstrure and dislocation strengthening of Sr microalloyed 2099 type Al-Li alloy[J].Rare Metal Materials and Engineering,2012，41：373-376.)

[16] 吳瑤，許曉靜，張振強，等.含鍶鈧2099 鋁鋰合金的固溶處理[J].金屬熱處理，2013，38(4)：40-44.

(WU Y,XU X J,ZHANG Z Q,etal.Solution treatment of 2099 Al-Li alloy with Sr and Sc additives[J].Heat Treatment of Metals，2013，38(4)：40-44.)

[17] 張健，朱瑞華，李勁風，等.時效前處理對新型 Al-Cu-Li-X 合金力學性能和顯微組織的影響[J].中國有色金屬學報，2015，25(12)：3300-3308.

(ZHANG J,ZHU R H,LI J F,etal.Effect of heat treatment before aging on tensile properties and microstructures of new Al-Cu-Li-X alloy[J].The Chinese Journal of Nonferrous Metals，2015，25(12)：3300-3308.)

[18] LI H Y, SU X J, YIN H,etal. Microstructural evolution during homogenization of Al-Cu-Li-Mn-Zr-Ti alloy[J]. Trans Nonferrous Met Soc China，2013， 23：2543-2550.

[19] LIN Y, ZHENG Z Q, LI S C，Microstructures and properties of 2099 Al-Li alloy[J]. Materials Characterization，2013，88-99.

[20] JIA M, ZHENG Z Q, GONG Z，Microstructure evolution of the 1469 Al-Cu-Li-Sc alloy during homogenization[J]. Journal of Alloys and Compounds，2014，614：131-139.

[21] TSIVULOAS D, PRANGNELL P B，The effect of Mn and Zr dispersoid-forming additions on recrystallization resistance in Al-Cu-Li AA2198 sheet[J].Acta Materialia，2014，77 ：1-16.

[22] 潘毅，孫中剛，郭旋，等.時效工藝對Al-Li-Cu-Mg合金組織及力學性能的影響[J].金屬熱處理，2013，38(7)：21-26.

(PAN Y,SUN Z G,GUO X,etal.Effects of aging treatment on microstructure and properties of Al-Li-Cu-Mg alloy[J].Heat Treatment of Metals，2013，38(7)：21-26.)

[23] WANG X H, WANG J H, YUE X，etal. Effect of aging treatment on the exfoliation corrosion and stress corrosion cracking behaviors of 2195 Al-Li alloy[J].Materials and Design，2015，67：596-605.

[24] ZHANG S F, ZENG W D，YANG W H，etal. Ageing response of a Al-Cu-Li 2198 alloy[J].Materials and Design，2014，63：368-374.

[25] 李勁風，陳永來，張旭虎，等.Cu、Li含量對Mg、Ag、Zn復合微合金化鋁鋰合金力學性能及微觀組織的影響[J].宇航材料工藝，2015，2：24-28.

(LI J F,CHEN Y L,ZHANG X H,etal.Influence of Cu and Li contents on mechanical properties and microstructures of Mg Ag- and Zn-microalloyed AL-Li alloys[J].Aerospace Materials & Technology，2015，2：24-28.)

[26] 袁志山，吳秀亮，陸政，等.2A97 鋁鋰合金時效行為研究[J].稀有金屬材料與工程，2008，37(11)：1898-1902.

(YUAN Z S,WU X L,LU Z,etal.The Aging Behavior of Aluminum-Lithium Alloy 2A97[J].Rare Metal Materials and Engineering，2008，37(11)：1898-1902.)

[27] 高文理，閆豪，馮朝輝，等.時效制度對2A97鋁鋰合金組織和力學性能的影響[J].中國有色金屬學報，2014，24(5)：1206-1211.

(GAO W L,YAN H,FENG Z H,etal.Effect of aging treatment on microstructure and mechanical properties of 2A97 Al-Li alloy[J].The Chinese Journal of Nonferrous Metals，2014，24(5)：1206-1211.)

[28] OVRI H，JAGELE A，STARK A，Microstructural influences on strengthening in a naturally aged and overaged Al-Cu-Li-Mg based alloy [J]. Materials Science & Engineering A，2015(637)：162-169.

[29] CHEN Z W，ZHAO K，F(xiàn)AN L，Combinative hardening effects of precipitation in a commercial aged Al-Cu-Li-X alloy[J]. Materials Science & Engineering A，2013(588)：59-64.

[30] 付小強，馬超，鮑鵬里，等.時效處理對新型鋁鋰合金組織和力學性能的影響[J].金屬熱處理，2014，39(5)：70-73.

(FU X Q,MA C,BAO P L,etal.Aging treatment mechanical properties new-typealuminum-lithium alloy[J].Heat Treatment of Metals，2014，39(5)：70-73.)

[31] 袁志山，陸政，謝優(yōu)華，等.2A97鋁鋰合金雙級時效研究[J].稀有金屬材料與工程，2011，40(3)：443-447.

(YUAN Z S,LU Z,XIE Y H,etal.Study on double-aging of 2A97 aluminum-lithium alloy[J].Rare Metal Materials and Engineering，2011，40(3)：443-447.)

[32] 梁文杰，潘青林，何運斌.雙級時效對含Sc的Al-Cu-Li-Zr合金組織與性能的影響[J].中南大學學報(自然科學版)，2011，42(8)：2260-2265.

(LIANG W J,PAN Q L,HE Y B,etal.Effect of double-stage aging treatment on microstructure and mechanical properties of Al-Cu-Li-Zr alloy containing Sc[J].Journal of Central South University：Science and Technology，2011，42(8)：2260-2265.

[33] 毛柏平，閆曉東，沈健.2197 鋁鋰合金形變熱處理中T1相的析出行為[J].中國有色金屬學報，2015，25(9)：2366-2371.

(MAO B P,YAN X D,SHEN J,etal.Precipitation behavior of T1 phase during thermo-mechanical treatment of 2197 Al-Li alloy[J].The Chinese Journal of Nonferrous Metals，2015，25(9)：2366-2371.)

[34] YUAN Z S, LU Z，XIE Y H，etal. Mechanical properties of a novel high-strength aluminum-lithium alloy[J].Materials Science Forum，2011，689：385-389.

[35] 袁志山，陸政，謝優(yōu)華，等.高強Al-Cu-Li-X鋁鋰合金形變熱處理[J].材料熱處理學報，2006，27(6)：57-60.

(YUAN Z S,LU Z,XIE Y H,etal.thermomechanical treatment of high strength al-cu-li-x aluminum-lithium alloy[J].Journal of Material Heat Treatment，2006，27(6)：57-60.)

[36] 袁志山，陸政，戴圣龍，等.預時效對高強鋁鋰合金2A97 組織和性能的影響[J].東北大學學報(自然科學版)，2007，28(1)：53-56.

(YUAN Z S,LU Z,DAI S L,etal.effect of pre-aging on microstructure and properties of high-strength 2a97 al-cu-li-x alloys[J].Journal of Northeastern University：Natural Scinece，2007，28(1)：53-56.)

[37] YUAN Z S, LU Z，WU X L，etal. Retrogression characteristics of a novel Al-Cu-Li-X alloy[J].International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials，2010，17：624-628.

[38] 吳璐，董萬鵬，龔紅英.鋁合金的形變熱處理研究進展[J].熱加工工藝，2014，43(4)：27-31.

(WU L,DONG W P,GONG H Y,etal.Research and progress of thermomechanical treatment of Al alloy[J].HotWorking Technology，2014，43(4)：27-31.)

[39] 張紀帥，陳志國，任杰克，等.新型熱機械處理對Al-Zn-Mg-Cu合金顯微組織與性能的影響[J].中國有色金屬學報，2015，25(4)：910-917.

(ZHANG J S,CHEN Z G,REN J K,etal.Effect of new thermomechanical treatment on microstructure and properties of Al-Zn-Mg-Cu aluminum alloy[J].The Chinese Journal of Nonferrous Metals，2015，25(4)：910-917.

[40] 袁志山，陸政，謝優(yōu)華，等.高強Al-Cu-L i-X鋁鋰合金2A97三級時效工藝及性能研究[J].航空材料學報，2006，26(3)：79-82.

(YUAN Z S,LU Z,XIE Y H,etal.Study on triple aging and mechanical properties of high strength Al-Cu-Li-X aluminum Lithium Alloy-2A97[J].Journal of Aeronautical Materials，2006，26(3)：79-82.)

[41] YUAN Z S, LU Z，XIE Y H，etal. Effect of T6I6 and its modified processes on mechanical properties of novel high strength Al-Li alloy-2A97[J]. Trans Nonferrous Met China，2006，16：1476-1480.

[42] 于利軍，鄭子樵，李世晨，等.熱處理工藝T6I6對2195合金組織和性能的影響[J].材料熱處理學報，2006，27(5)：79-83.

(YU L J,ZHENG Z Q,LI S C,etal.Effects of T6I6 temper on microstructure and mechanical properties of 2195 Al-Li alloy[J].Journal of Material Heat Treatment，2006，27(5)：79-83.)

[43] 張振強，許曉靜，宋濤，等.熱機械加工對2099 鋁鋰合金擠壓材組織與抗腐蝕性能的影響[J].稀有金屬材料與工程，2013，42(12)：2619-2624.

(ZHANGZQ,XU X J,SONG T,etal.Effect of thermo-mechanical processing on microstructure and corrosion resistance of 2099 AI-Li alloy Extrusions[J].Rare Metal Materials and Engineering，2013，42(12)：2619-2624.)

[44] 劉麗，葉凌英，鄧運來，等.中間退火對 2A97 鋁鋰合金晶粒細化及超塑性的影響[J].中國有色金屬學報，2015，25(1)：36-42.

(LIU L,YE L Y,DENG Y L,etal.Effect of aging treatment on grain refinement and superplasticity of 2A97 aluminum-lithium alloy[J].The Chinese Journal of Nonferrous Metals，2015，25(1)：36-42.)

[45] ZHANG J, DENG Y L, LI S Y,etal. Creep age forming of 2124 aluminum alloy with single/double curvature[J]. Trans Nonferr Met Soc，2013，23：1922-1929.

[46] INFROZATO D J, COSTA P R, FEMADENZ F F,etal. Creep-age forming of AA7475 aluminum panels for aircraft lower wing skin application[J]. Mater Res，2012，15：596-602.

[47] LI H Y, KANG W, LUX C.Effect of age-forming on microstructure, mechanical and corrosion properties of a novel Al-Li alloy[J].Journal of Alloys and Compounds，2015，640：210-218.

[48] DURUNS T, SOUIST C.Recent developments in advanced aircraft aluminium alloys[J].Materials and Design，2014，56：862-871.

[49] 張新明，劉勝膽.航空鋁合金及其材料加工[J].中國材料進展，2013，32(1)：39-55.

(ZHANG X M,LIU S D,etal. Aerocraft aluminum alloys and their materials processing[J].Materials China，2013，32(1)：39-55. )

[50] 張新明，鄭運來，張勇.高強鋁合金的發(fā)展及其材料的制備加工技術[J].金屬學報，2015，51(3)：257-271.

(ZHANG X M,ZHENG Y L, ZHANG Y.Development of high strength aluminum alloys and processing techniques for the materials[J].Acta Metallurgica Sinica，2015，51(3)：257-271.)

(責任編輯：張崢)

Research and Progress of Thermomechanical Treatment of Al-Li Alloys

WU Xiuliang,LIU Ming,LI Guoai,RU Jigang，CHENG Junzhou,LU Zheng

(Beijing Engineering Research Center of Advanced Aluminum Alloys and Application, Beijing Institute of Aeronautical Materials, Beijing 100095, China)

The strengthening and toughening mechanism of aluminum lithium alloy treated by thermo-mechanical processing have been summarized, and the effect on the evolution of microstructures, grain structure and precipitation, were discussed and analysed deeply. The precipitation sequence and behavior of the main precipitation phase were modified by the thermo-mechanical processing, stimulating the forming of fine dispersion combined particles of δ′,θ″/θ′, T1, and S″/S′ phases, uniformly distributed in the matrix, which significantly improved the relationships of strength and the plastic toughness, with the inhibiting of broadening of precipitate free zones, and of the precipitation and coarsening of strengthening particles at the grain boundary.The density of solute atom and vacancies significantly raised up after solution treating, and retained as supersaturated solid solution after water quenching, which acted as the driving force for the precipitation during subsequent aging. Pre-deformation and pre-aging significantly increased the density of fine dispersion strengthening particles of δ′ and G.P. zones,which uniformly nucleated in the matrix, and the combined strengthening phases of δ′,θ″/θ′, and T1 were obtained after high temperature second aging, controlling the size and volume fraction of these particles.Refined grain and optimal grain structure were achieved by new and typical thermo-mechanical processing, and the proportion, size, and oriented relationship of main strengthening particles of δ′,θ″/θ′, and T1 phases were optimized.At last, the research direction of new thermo-mechanical treatment on the large scale rolled plates and hot worked forgings is pointed out, such as age forming, to meet the need of light high performance of new aluminum lithium alloys used for the large aircrafs and heavy lift launch vehicles.

aluminum lithium alloys; thermomechanical treatment (TMT); ageing; pre-deformation

2016-04-10；

2016-05-04

吳秀亮(1980—)，男，工程師，主要從事鋁合金的應用研究，(E-mail)wuxiuliang734@163.com。

10.11868/j.issn.1005-5053.2016.5.014

TG146

A

1005-5053(2016)05-0082-08