含锂超高强铝合金沉淀过程研究现状

含锂超高强铝合金沉淀过程研究现状

路丽英[1] 屈向前[2] 张建军[1] 苑彩平[1]

[1]内蒙古工业大学材料科学与工程学院，呼和浩特 （010051）

[2]北方重工业集团锻造公司，包头 （014033）

摘要： 近年来,含锂超高强铝合金的研究渐多，获得了一定的应用。重点回顾了含锂超高强铝合金沉淀过程的研究现状及锂元素的作用机理。

关键词： 锂元素 超高强铝合金 强化相

0前言

作为传统铝合金的重要分支之一，超高强铝合金的研究及发展一直引起人们的关注和浓厚的兴趣。超高强铝合金比重小、强度高、热加工性能良好，广泛应用于航空及民用工业等领域，特别在飞机制造业中，超高-强铝合金是重要的结构材料之一。近几十年来，通过调整成分、提高冶金质量、采用一系列新的热工艺和热处理制度，其综合性能有了明显的改进，有望与新型Al－Li合金及先进复合材料相媲美。

锂元素作为最轻的金属元素加入铝合金中可以降低合金的密度，提高合金的比强度和弹性模量[1]。Al-Zn-Mg-Cu合金中加入一定量的Li，可以减轻这种高强铝合金的密度。

Al-Zn-Mg-Cu-Li合金的沉淀过程研究比较少，但由于Al-Zn-Mg-Cu合金在实际应用中的重要性，今年来人们开始关注Al-Zn-Mg-Cu-Li合金的沉淀过程的研究。

1 国外 Al-Zn-Mg-Cu-Li合金的沉淀过程的研究现状

Huang[2,3]研究了Li在7075合金中的作用，当Li的含量为0.7％时,由于Li与空位高的结合能，使得Li－V积聚作为形核的位置，形成了空位富集的GP区，因为Li与空位的结合使Zn和Mg的传输受到限制，使得形成的GP区里缺少Zn和Mg，从而导致在7075合金中的富溶质GP区变为空位富集GP区，使得以后沉淀形状。尺寸分布、时效动力学、时效硬化速率发生变化，由原来在7075合金中的形核方式：富溶质GP区→η′相→η（MgZn2）相，转变为：

Τ′Τ

空位富集GP区→相→相

Dinsdale[4]也研究了两种含Li的Al-Zn-Mg-Cu合金，两种合金的基体上都分布着弥散的δ′相和位错形核的S相，在Li（2.6％）、Zn（2.22％）的合金中产生少量均匀分布的S相；而在Li（1.8％）、Zn（3.4％）的合金中产生大量分布的S相，增加的S相使得合金的韧性有所改善，而使强度有所下降，这与基体上δ′相的减少有关。

Sodergren[5]利用DSC和TEM研究了四种Al-Zn-Mg-Cu－Li合金，研究发现由于Li与空位间高的结合能，使得在合金集体上不能形成GP区和η′相，代替的是平衡相η（MgZn2）。当Li 含量低时（0.4％和0.9％），不能在基体上形成铝锂合金的强化相δ′，在基体上形成的是平衡相η（MgZn2），当Li含量增加时（2％），合金的基体形成Τ相，并且产生了δ′相。同时研究Zn含量低（3％）的Al-Zn-Mg-Cu－Li合金，发现合金基体上含有强化相δ′和细的板条状的、在晶界和位错处形核的相，通过STEM分析，发现该相含有Cu，进一步分析得出该相为Al2MgLi，在此合金中不存在有η（MgZn2）相。

Gregson[6]基于Zn和Mg可以减少Li在固溶体中固溶度这一事实，进而认为Zn和Mg可以增加强化相δ′的数量，使合金的强度得到进一步的增加，对 2.6％Li－2.2％Zn－1.76%Mg-0.75%Cu和2.1％Li－3.7％Zn－1.0％Mg－1.0％Cu两种合金进行研究发现，在晶界上存在着η（MgZn2）相和在基体广泛分布的S相，在此合金存在的S相，作者认为可能与相图有关，也可能与在低Zn的情况下，Li的加入使得S相相区的范围扩大有关，大量形成的S 相抑制了η（MgZn2）相的形成。而S相的均匀分布可能与δ′相的长大、释放出空位和空位的积聚有关，这可以为S相的均匀形成提供机会，当然在基体上也同时析出δ′相。

文献[7]介绍了在含Li量为2.1－2.6％的Al-Zn-Mg-Cu合金中，时效时η（MgZn2）相的析出被抑制，而代之析出了δ′、S、Τ1相，类似于Al－Li－Cu－Mg合金。

Wei[8]研究了三种含Li的Al-Zn-Mg-Cu合金，由于合金中Li含量较高（>1.80%wt），且其与空位具有高的结合能，合金中优先析出δ′相，但δ′相析出和长大缓慢，而Al-Zn-Mg-Cu 合金的强化相η′并没有在基体上析出。

2 国内 Al-Zn-Mg-Cu-Li合金的沉淀过程的研究现状

谷亦杰[9]对两种含Li（>2.1％wt）的Al-Zn-Mg-Cu合金沉淀析出与力学性能进行了研究。当含Li的Al-Zn-Mg-Cu合金在433K和473K时效过程中，除了在基体上沉淀析出δ′相外，还沉淀析出新的时效沉淀相－X相。通过研究发现，X相呈长条状，X相的长轴与基体的[110]Al方向一致，X－EDS分析表明该相含有Zn、Cu和Mg。X相具有准晶的晶体学结构。当含Li的Al-Zn-Mg-Cu合金经过时效后，除了在基体上沉淀析出δ′相外，在合金的基体上沉淀析出了Τ

相。当含Li的Al-Zn-Mg-Cu合金在513K时效时，除在合金的基体上沉淀析出X相外，还析

出S相。

白朴存[10]对含1％Li的Al-Zn-Mg-Cu合金的组织进行了研究，结果表明沉淀相长大缓慢，而且非常弥散，当经过120℃时效预处理后，再160℃时效，硬度达峰值时，沉淀相的尺寸只有5nm，且晶界无析出代较窄，约为30～40nm。将前者解释为Li束缚了大量的空位，减慢了Zn、Mg原子的扩散，使得先析出的η′相长大受阻，进而使η′相趋于弥散分布；后者解释为自由空位减少，扩散到晶界的几率也较小，使晶界无沉淀带较窄。

3 结束语

总之，锂元素是一种能显著改变铝合金沉淀析出过程和析出相进而改善铝合金各种性能的元素，对锂元素在铝合金中作用的研究意义重大。随着新的生产技术的涌现以及对锂元素作用机理认识的深入，锂元素在铝合金中的应用和发展将会有所突破，拓展到新的空间和领域。

参考文献：

[1] KADI-HANIFI M,TIRSATINE M,Influence of Cd and Sn on the kinetics of the GPzonesformationinAl-Zn-Mg[J].Materials Science Forum,2000,331-337:1067-1070.

[2] Huang.Z.W,Loretto.M.H,Smallman.R.E and White.J.The mechanism of nucleation and precipitation in 7075-0.7Li alloys.Acta.Metall.mater,42(2)(1994),p549-559. [3] Huang.Z.W,Loretto.M.H and White.J. Influence of Lithium additions on precipitation and age hardening of 7075 alloy.Materials Science and Technology,9(1993),p967-980.

[4] Dinsdale K,Noble B,Harris S J.Development of Mechanical Properyies in Al-Li-Zn-Mg-Cu alloys. Materials Science and Technology.A104(1988),p75-84. [5] Sodergren.A and Lioyd.D.J.The influence of Lithium on the aging of a 7000 series alloys. Acta.Metall.36(8)(1988)，p2107-2114.

[6] Gregson.P.J,Dinsdale.K,Harris.S.J and Noble.B,Evolution of microstructure in Al-Li-Zn-Mg-Cu alloys. Materials Science and Technology,3(1987)p7-13.

[7] Flower H M,Gregson P J.Solid stste phase transformations in aluminium alloys containing lithium.Materials Science and Technology,3(1987),p7-13.