Al-Li 合金時效過程中納米相的析出行為分析

馮 柳

（山東理工大學(xué)分析測試中心，山東 淄博 255000）

近年來，隨著我國科技與工業(yè)的發(fā)展，環(huán)境與能源問題日益突出。我國的汽車和航空領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵旨在消耗更少的能源，減少對環(huán)境的的影響，而節(jié)約能源比較有效的方式就是選用輕質(zhì)合金，以降低所用設(shè)備自身的重量，Al 合金因具密度僅有2.7g/cm3，而備受青睞。但是在應(yīng)用過程中，對Al 合金的強(qiáng)度、使用壽命、焊接性能、耐腐蝕性能等也有更高的要求。所以，研發(fā)出輕質(zhì)高強(qiáng)度且性能優(yōu)異的的Al 合金一項必要且緊迫的任務(wù)。當(dāng)前，添加密度更低的金屬Li 元素而形成的Al-Li 合金是最近十幾年來汽車及航空材料當(dāng)中關(guān)注的熱點(diǎn)，并且有著極大的發(fā)展前景[1-4]。所以，Al-Li 合金材料的制備、性能的相關(guān)研究也成為了當(dāng)前在新材料中的一個研究重點(diǎn)領(lǐng)域。在制備過程中，納米相的析出行為及結(jié)構(gòu)是決定Al-Li 合金性能的重要因素，而納米相的析出行為主要由Al-Li 合金的合金元素成分和制備工藝決定的[5-8]。所以，本文從合金元素和熱處理工藝兩方面分析了納米相的析出行為。

1 Al-Li合金中的合金元素對納米析出相的結(jié)構(gòu)影響

1.1 Cu 元素對Al-Li 合金的納米析出相的影響

Al-Li 合金在時效過程中，會析出Al3Li 相，但Al3Li 相導(dǎo)致共面滑移，材料強(qiáng)度降低，所以Li 元素的加入雖然能降低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℃時，Cu 元素在純Al 金屬中的溶解度是為5.5wt%左右，所以Cu 作為Al-Li 合金中的主要添加元素，在時效過程中是會有一定數(shù)量密度的含Cu 納米相析出，所以Cu 為Al-Li 合金中的一種重要添加元素。由Al-Li-Cu 的三元相圖可知，此合金中可形成6 種金屬化合物，其中Al2CuLi 相（通常稱為T1 相）為析出有效強(qiáng)化相，Al6CuLi3 相（通常稱為T2 相）為改善韌性的相。析出相的類型和比例主要取決于Al-Li 合金的成分、Cu 與Li 的含量和比例[10]。研究表明，含Cu 納米相的析出能否改善Al-Li 合金的性能，取決于所析出的含Cu 納米析出相，這與Cu 元素的添加量密切相關(guān)。添加過少，納米析出相數(shù)量密度偏低，合金的性能無明顯改善；添加量過高，納米析出相T1 的數(shù)量密度偏高，雖然強(qiáng)度偏高，但合金的韌性降低。Cu 元素添加的最佳添加量為1%～4%。在Al-Cu-Li 合金中，Cu/Li 元素的添加比例不同，材料的微觀結(jié)構(gòu)也有差別，對時效析出行為也有影響。李勁風(fēng)等[11，12]研究了Cu 和Li 的添加量及Cu/Li 比例對Al-（3.2 ～3.9）Cu-（0.8 ～1.4）Li 基合金在155℃時效過程中的時效析出行為的影響，研究結(jié)果表明，Cu/Li 比例對納米析出相的演化過程有影響，隨著時效時間的延長，Cu/Li 比例較低的合金中，θ'相的尺寸和數(shù)量減少；相反，Cu/Li 比例較高的合金中，θ'相的數(shù)量和尺寸會隨之增加。

1.2 Zn元素對Al-Li 合金的納米析出相的影響

Zn 元素添加到Al-Li 合金中，不僅可起到固溶強(qiáng)化的作用，還可以形成MgZn2（η′）相析出。另外，添加Zn 元素可以分別促進(jìn)T1 相、S′相及、δ′相的析出，并抑制T1 相、δ′相的長大速度，從而使合金的強(qiáng)度和塑性增加，改善力學(xué)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 除能促進(jìn)上述三相的析出外，還能生成新的球形含Zn 相，起到共同強(qiáng)化的作用從而使2195 系合金強(qiáng)度明顯增加。魏修宇等[14]研究了Zn和Mg 同時加入對析出相的變化。結(jié)果表明，單獨(dú)添加少量Zn元素，對GP 區(qū)的形成基本沒有影響，對合金中的θ'相的析出也無太大變化，說明Zn，Mg 同時存在下，Zn 元素的添加在Al-Li合金中只起到促進(jìn)的作用。此外，Zn 元素的添加使析出相的尺寸和分布發(fā)生改變，除改善合金的力學(xué)性能外，還可以改善合金的抗應(yīng)力腐蝕性能。

圖1 添加不同含量Zn 元素的Al-Li-Cu-Mg 合金在175℃時效64h 的高分辨透射電鏡和電子衍射分析圖。

1.3 其他微量元素對Al-Li 合金的納米析出相的影響

為細(xì)化Al-Li 合金的晶粒尺寸，改善合金中納米相的析出行為，提高合金的強(qiáng)度和韌性，通常會加入某種微量元素，如Zr、Er、Sc、Mn 等[16]。另外，研究者也對同時加入兩種微量元素的納米相的析出行為進(jìn)行了探討。徐安林等2099 系A(chǔ)l-Li 合金中加入了0.24%的Sc 元素，透射電鏡分析表明，Al3（Sc，Zr）納米相沿晶界和晶內(nèi)彌散析出，提高了合金的再結(jié)晶溫度。Dan-yang LIU等[17]研究了添加0.082%的Sc，導(dǎo)致富Cu 納米相、富Sc 納米相和W 相形成，其中Al3（ScZr）相可以從某種程度上抑制晶粒的重結(jié)晶和固溶處理過程中重結(jié)晶晶粒的長大。桑馮建等[18]研究了2297 系A(chǔ)l-Li 合金中添加微量Mn 后，主要以AlCuMn 棒狀彌散相和Al（CuMnFe）較大相析出，與未添加Mn元素的合金相比，合金中Al（CuMnFe）相尺寸較小、分布更加均勻，因而提升了合金的抗拉強(qiáng)度。并且，添加Mn 并未影響Al3Zr 粒子的析出行為。李睿等[19]研究了Al-3.3Cu-1.1Li-0.4Mg-0.1Zr 合金中同時加入0.4%Zn 和0.4%Ag 后，熱處理狀態(tài)下的微觀結(jié)構(gòu)，兩種合金析出相均為大量T1 相（Al2CuLi）和部分θ'相（Al2Cu）。

2 AI-Li合金的熱處理工藝對納米析出相的結(jié)構(gòu)影響

第三代Al-Li 合金鋁鋰合金相比前兩代來講，除了通過調(diào)節(jié)鋰的含量、添加其他微量元素、調(diào)節(jié)主要合金元素比例以外，還從熱處理工藝方面做了改善，主要包括前期的預(yù)變形處理、熱處理工藝的改善[20]、分級時效處理等方法[21]，使合金微觀結(jié)構(gòu)更合理，晶粒尺寸更均勻，強(qiáng)度和韌性也得到很好地提高。所以，適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に囈约皶r效制度是影響析出納米相結(jié)構(gòu)的重要影響因素，也決定了Al-Li 合金的強(qiáng)度和韌性。

2.1 Al-Li 合金的分級時效處理對納米析出相的影響

合金的分級時效分為單級時效，雙級時效以及三級時效等。不同的時效處理方式，納米析出相的大小與分布也有區(qū)別，所表現(xiàn)出的宏觀性能也不同。單級時效是Al-Li 合金先經(jīng)過固溶處理，然后在某一溫度下保溫一段時間的時效處理。雙級時效分為兩次時效，第一次選擇在較低的時效溫度下對Al-Li 合金進(jìn)行熱處理，第二次在升到較高的溫度，保溫一定時間。三級時效處理分為三次時效，也稱為回歸再時效，先在T6 峰值所對應(yīng)的溫度時效，然后在高于T6 處理溫度低于固然溫度下時效后迅速冷卻，最后在T6 熱處理。在不同時效過程中，固溶溫度、時效溫度以及時效時間是決定納米相結(jié)構(gòu)的重要工藝參數(shù)。范洪濤等[22]研究了Al-Zn-Mg-Cu 系合金不同制度的熱處理，單級時效處理后透射電鏡分析可以觀察到GP 區(qū)和細(xì)小的η′相，還觀察到了A13Zr 相、Al12Mg2Cr 相或A17Cu2Fe 相；雙級時效過程中，合金的析出相逐漸由由亞穩(wěn)態(tài)過渡為穩(wěn)定態(tài)，主要強(qiáng)化相η′相和η 相，且η′相開始長大，間距增加，強(qiáng)化相作用下降，基體軟化，但可以阻礙裂紋的擴(kuò)展；三級時效處理后，會有大量的η 相和η′相，但添加不同的合金元素，對析出相和GP 區(qū)的穩(wěn)定性也有較大的影響。

2.2 Al-Li 合金的形變時效處理對納米析出相的影響

Al-Li 合金的形變時效處理是將預(yù)變形和熱時效處理結(jié)合起來的一種工藝，這兩種工藝的有效結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)細(xì)晶強(qiáng)化和時效強(qiáng)化共同提升合金的力學(xué)性能。預(yù)變形的方式有冷軋、熱軋、高壓扭轉(zhuǎn)等。通過上述大塑性變形的方式使合金中的晶粒尺寸細(xì)化至微米或納米級。預(yù)變形工藝使合金中引入大量的位錯，為下一步時效過程中T1 相的析出提供了更多的形核質(zhì)點(diǎn)，促進(jìn)T1強(qiáng)化相的快速析出，合金的強(qiáng)度也隨之大幅提高；另外，預(yù)變形引入的高密度的位錯，阻礙析出相的運(yùn)動，同樣可以使合金的強(qiáng)度得以提高。葉凌英等[23]研究了2050Al-Li 合金經(jīng)熱軋預(yù)變形后，再高溫時效，發(fā)現(xiàn)晶粒內(nèi)部形成大量亞晶，所產(chǎn)生的大量亞晶界促進(jìn)了T B相的析出，增加了長大速率，使TB相的尺寸明顯增大。于娟等[24]研究了2A97 鋁鋰合金經(jīng)1%、3%、5%的預(yù)拉伸變形，再120℃/22h+155℃/15h 的雙級時效后，T1 相的晶內(nèi)析出速度增加，降低了合金晶間腐蝕和剝落腐蝕的敏感性，改善了合金的耐腐蝕性能。

圖2 400℃/48h 高溫過時效處理后2050Al-Li 合金板材掃描透射電鏡照片（a）未預(yù)變形；（b）40%預(yù)變形[23]

3 結(jié)語

Al-Li合金的性能與納米相的析出行為密切相關(guān)。通過添加不同種類、不同含量的合金元素、調(diào)節(jié)雙金屬的不同比例，可獲得有效地強(qiáng)化相；通過調(diào)節(jié)合適的熱處理工藝制度，優(yōu)化合理的時效處理參數(shù)，亦可獲得有益的納米相。本文從合金元素和熱處理工藝兩方面概述了A1-Li 合金中納米相的析出行為，為相關(guān)的實(shí)際設(shè)計以及實(shí)驗(yàn)提供參考，以研發(fā)更輕質(zhì)且性能更優(yōu)的Al-Li 合金，使其在航空航天以及交通領(lǐng)域中得到更廣泛的應(yīng)用。