铝锂合金总结

铝锂合金总结
————————————————————————————————作者: ————————————————————————————————日期:
铝－锂合金归纳总结
在铝合金中加入金属元素锂(L i) ,可在降低合金密度的同时提高合金的弹性模量。

研究表明,在铝合金中每添加1％的L i, 可使合金密度降低3％，而弹性模量提高6% , 并可保证合金在淬火和人工时效后硬化效果良好。

因此, 铝锂合金作为一种低密度、高弹性模量、高比强度和高比刚度的铝合金, 在航空航天领域显示出了广阔的应用前景。

铝锂合金的发展大体上可划分为三个阶段,相应出现的铝锂合金产品可以划分成三代。

第一代铝锂合金产品的塑韧性水平太低，第二代铝锂合金本身仍存在以下问题：①合金的各向异性问题较普通铝合金严重; ②合金的塑韧性水平较低; ③热暴露后会严重损失韧性；④大部分合金不可焊，降低了减重效果, 铆接时往往表现出较强的缺口效应;⑤强度水平较低,难以与7000 系超高强铝合金竞争等。

第三代铝锂合金的成分及性能
表１和表2 给出了第三代主要铝锂合金产品的成分及性能。

可见, 在合金成分设计上, 第三代铝锂合金降低了L i 含量,而增加了Cｕ含量, 并且往往添加一些新的合金化元素A ｇ，M n, Zn 等; 在性能水平上, 第三代铝锂合金较以往铝锂合金都有了较大幅度的提高，其中尤以低各向异性铝锂合金和高强可焊铝锂合金最引人注目。

低各向异性铝锂合金的研制
铝锂合金比普通铝合金有着更为严重的各向异性问题。

铝锂合金的各向异性与多种因素有关, 这些因素主要有: ①元素Ｌi能促使合金的各向异性，即使Ｌi 含量少于０.５% ,也会带来较大的织构密度②合金使用态多为扁平的未再结晶组织; ③合金在使用态下具有较强的晶体学织构；④析出相的形状、惯析面、变形特点等对各向异性也有一定的影响。

为控制铝锂合金的各向异性, 目前采用的主要方法有: ①降低L i 含量；②添加或减少合金化元素; ③采用合适的中间热处理和最终热处理工艺，以降低或改善合金中的织构。

这些严重的织构对合金的性能有着重大影响:①大部分铝锂合金的纵向性能与横向性能有较大差别, 通常在与轧制方向成４5°—60°方向上拉伸强度降低15% 以上; ②在强
度高的位向上断裂韧性低; ③在强度低的位向上裂纹扩展速率高。

铝锂合金由于塑韧性水平较低, 因此,有关铝锂合金断裂韧性的各向异性问题是更加突出的问题。

一些铝锂合金在纵向（L ）、L ＋45°、长横向（L—Ｔ）及短横向(S—T ) 上的断裂韧性值见表3。

采用高温短时保温+ 快冷水淬的再时效工艺, 使80９０-T ８７７1 板材获得的强度仅损失７% ,而短横向断裂韧性提高60%的效果, 从而降低了该合金的各向异性。

低各向异性的ＡF／C-4８9 和ＡF/C-４58 新型变形铝锂合金具有低的各向异性，这主要归因于两个方面: 一是合金中含有０.３%的M n, A l6M n 粒子能够抑制合金的再结晶,
细化晶粒, 降低合金的各向异性;二是合金在轧制过程中加入一次中间热处理的新工艺,
中间热处理的目的是促进再结晶的发生，降低织构的强度。

IＰA 受B ｒasｓ织构（{1１０} < 112>) 影响最大, B ｓ织构密度越大, 合金的IＰＡ值也越大, 合金的各向异性越明显。

1460 合金中含有少量的稀土元素Sc, Sc 可以大幅度提高铝锂合金的综合性能。

总的说来, １460 合金与１２０1 相比，σb、σ0．2分别提高25% 和3５% , 质量减轻20% -2５% , 疲劳寿命提高2０% -30%, 而焊接性能相当。

Weldalitｅ铝锂合金系列，主要包括2094, ２095, 2０9６, 2195 等牌号。

这些合金强度可达6９0M Pa, 其强度水平居铝合金前列。

此外,W eldalite 系列在多种焊接工艺下均可形成致密的焊缝,不易形成气孔和裂缝, 其焊缝抗拉强度和断裂韧性较２219 合金均提高3０% 左右。

上述高强可焊铝锂合金均属于A l-Cｕ-L ｉ系，与第二代铝锂合金相比,其Cu/L i 比高出很多, 这主要是因为人们发现片状的T1相（A l2CuL ｉ) 是铝合金中最具有潜力的强化相, 高Cｕ/L i 比成分下, 合金的主要析出强化相是T 1而不是δ′相(Ａl3Lｉ）, 当加入合金元素A g 后, 还可大大提高合金的强度。

此外对铝锂合金可焊性与合金成分的研究表明, 高Cu/L i比合金的焊接性能更好。

在１4６０合金成分的基础上加入0.5％M g，0．３%M n,研制成功了一种新型高强可焊铝锂合金, 该合金屈服强度比1460 提高5％, 而延伸率提高10０％, 合金的断裂韧性达112M Pa·m½(注: K Q值) , 即使在85℃下暴露1000h，断裂韧性仍高达8９MＰａ·m½。

它可用来替代不可焊的7075, ７050 合金和可焊的22１９合金。

ＡI－Lｉ合金的热处理
A1－Ｌi合金的热处理有均匀化退火处理、固溶化处理、时效及形变热处理等。

合金在加热时,为了防止合金的氧化，通常在保护性气氛中加热；采用分级时效，可改善合金的韧性，并消除其各向异性；将固溶处理后的合金进行予冷变形,然后再进行时效处理，可使时效过程中析出的第二相粒子呈均匀、细小、弥散分布,并减少无沉淀带宽度，从而可提高合金的强韧性。

铝锂合金塑韧性的改善
归纳起来, 铝锂合金塑韧性低的原因有以下几点：δ′相(Al3Li)相的超点阵结构, 与基体完全共格易产生共面滑移引起局部应变集中;δ、Ｔ2相的晶界沉淀, 引起晶间断裂;Na、K、Ga等碱金属杂质易在晶界偏析, 形成钠脆;Ｌi的存在使铝锂合金含有比一般铝合金更高的
氢，严重地损害铝锂合金的塑韧性。

针对铝锂合金的组织特征、强化机制和导致该合金塑韧性低的根本原因, 研究者们采取了下列强韧化措施：
①合金化在铝锂合金中添加微量Zｒ、Sｃ, 分别形成Ａｌ3Zr、Ａl3Sc弥散质点, 对基体起弥散强化和细晶强化作用。

此外，加入少量Be可抑制Na在晶界上的偏析;加入Ｃo、Ti、Ge等元素形成较多的非共格相或δ′的共生相, 从而提高塑韧性。

分别或同时加入Ｃu、Mg、Ag等元素可有效改善铝锂合金的强韧性；首先，Cu、Ag、Mg有固溶强化效果。

其次，添加Cu后促使合金时效时析出θ′(Al2Ｃu)和T１(Al２Ｃuｌi)相,增强了时效硬化效果, 而且
有助于减小晶界无脱溶带(ＰＦZ)的宽度；再者Cu、Mｇ同时添加可在位错或亚晶界处不均匀析出较大体积分数的S′（Al2CuMg）弥散相, 位错难以切过而只能绕过，从而降低了A ｌ一Ｌi合金共面滑移的倾向, 并激发其产生交滑移促进合金的均匀变形。

最后, 在Al一Ｃu 一Li合金中加入少量Aｇ可提高时效强化效果，加速Ｔ1相的析出，少量Mｇ、Aｇ共同加入形成Ｍｇ一Agcｌｕｓters能更有效地促进T1相的析出。

②形变热处理对固溶处理后的铝锂合金在时效前进行适当冷变形, 可在合金基体中形成密布的位错或位错缠结，成为S′、T1等相非均匀形核的位置, 从而增大位错不能切割的沉淀相的体积分数, 减少合金的共面滑移及晶界应力集中。

同时, 时效前的冷变形可加快沉淀动力学，使沉淀相更细小均匀地分布、增多，抑制晶界平衡相的形成。

③分级时效研究表明, 先低温后高温的时效处理能促进大量相弥散,细小、均匀地形核, 并阻止粗大平衡相沿晶界析出和在晶界形成PFZ。

此外, 分级时效使合金中出现较多的Al3Li/Ａｌ3Zr复合粒子, 从而达到改善Ａl一Lｉ合金强韧性的目的。

④低Li化低Li化减少了δ′相析出引起的共面滑移和大量吸氢引起的氢脆, 但这是以牺牲密度为代价而达到提高韧性和热稳定性的目的。

⑤纯净化利用真空纯化法，使碱金属总含量由原来的3一10ｐpｍ降到1ｐpm以下,H含量也显著降低，从而使合金韧性显著提高。

20９0Al一Lｉ合金,其断裂韧性比碱金属含量大于5ppm的Al一Li合金的高得多, 且在65℃下暴露1000ｈ后韧性几乎不降低。

各向异性的改善
Al一Ｌi合金的各向异性比常规铝合金的高,这种差别主要是由较高程度的变形织构和Al一Ｌi合金沉淀相强烈地相互作用引起的。

用于降低Al一Ｌi合金各向异性的方法有:固溶处理时进行再结晶;在中间工序中进行再结晶;过时效;改变弥散相类型;在不同的方向上拉伸或冷轧；减小制造变形量等。

(1）再结晶
（2）在不同的方向上拉伸或冷轧将２09５板材在峰值时效前偏离轧制方向6０°进行６%变形量的拉伸,发现可大大降低峰值时效产品的各向异性（表1)。

（３）减小变形量
多晶体塑性变形时,各个晶粒滑移的同时, 也伴随有晶体取向相对于外力有规律的转动, 尽管由于晶界的联系,这种转动受到一定的约束, 但当变形量较大时，原来为任意取向的各个晶粒也会发生调整,引起晶粒取向形成“择优取向”，从而呈现明显的各向异性。

(4）改变弥散相类型
在一种Ａl一Cu一Li合金中用0.6%Ｍn+0．1６%Cr的混合物代替0.12％Zr,这导致合金组织改变很大，使含Mn十Cr的合金几乎不出现织构, 而含Zr的原合金具有很强的织构，
呈现较强的各向异性。

在Aｌ一2．7Cu一1.5Ｌi一0.12Zr合金中添加0.3%Mn会降低各向异性, 其各向异性水平和常规铝合金的差不多（图2)。

Mn的添加会形成Al6Mn弥散相,Ａｌ6Ｍn被认为在降低各向异性中起重要作用。

热稳定性的改善
时效处理后的Al一Li合金在７0℃左右长时间保温后其强度增大，而韧性值大大降低。

当铝锂合金中Li含量高且时效后仍存在δ′时, 就会在固溶体中存在大量残留的Li。

时效后残留在固溶体中的Li和δ′,会使富Cu强化相T１等在热暴露过程中进一步沉淀析出，导致合金强度增大, 延伸率和断裂韧性降低。

要使Al一Ｃｕ一X一Li合金在６5一135℃暴露后变脆的可能性最小，选择时效后δ′不存在的成分则可大大改善铝锂合金的热稳定性。