3铝锂合金

Al－Li合金
3．铝锂合金
铝锂合金是以锂作为主要合金元素的新型铝合金，是铝合金领域中研究最悠久，也是最重要的铝合金系统。

锂是自然界中最轻的金属，密度仅为0．534g／cm3，熔点为186℃。

研究表明，每添加质量分数为1％的锂，就能降低合金密度3％，提高弹性模量6％，是添加其他元素，包括轻金属元素Be、Mg所不及的(见图6—2)。

由于Al—Li系铝合金具有低密度、高弹性模量、高强度和很好的综合物理性能，所以与一般铝合金相比，在强度相当的情况下，密度降低10％，而弹性模量提高10％。

因此Al—Li系铝合金用作结构材料，具有很大的技术和经济意义。

【7】444
由于锂的化学性质特别活泼，不但容易与氧气、氮气、氢气、水等化合，还容易与氧化铝、石墨等坩埚材料发生反应。

如果采用熔炼法制备铝锂合金，则必须采用铁坩埚并在氩气氛中进行，须快速搅拌。

在合金铸造时也必须特别注意，若采用粉末冶金法(其粉末是利用喷散法进行急冷凝固的)，由于粉末易爆炸，所以也需要惰性气体保护。

目前大多数的铝锂合金，都是在铝合金的基础
上发展起来的。

1957年发明了第
一个工业A1—Li合金，其组成为
A1—4．5Cu—1．1Li—0．5Mn—
0．2Cd，后期投人工业生产的A1
—Li合金则不加锰，集中于A1—
Li—Mg—Zr系列。

在A1—Li合金
中，锂与铝形成δ (A1—li)相(见
图6—3)，具有固溶强化和沉淀强
化作用。

而铜、镁、锆等元素与铝
形成亚稳定的强化相：θ’相、Tl
相(A12CuLi)、S相 (A12CuMg)、
δ’相(Al3Zr)，也具有一定的强
化作用，并能提高其塑性和韧性。

Al—Li合金具有很高的强度和良好的高温和低温性能，其室温力学性能与一般高强度铝合金相当，而高温和低温性能则优于一般高强度铝合金。

新Al—Li合金有很好的超塑成型性能，例如Al—Li—Cu—Mg—Zr合金，在低速下的超塑延伸率可达1800％，添加Zr元素和形变热处理能提高其超塑性能。

Al—Li合金的强度、延伸率和断裂
【445】
韧性等力学性能，均随温度降低而显著提高(表6—7列出了Al—Li—Cu—Mg—Zr合金(T81型)在不同温度下的机械性能)，其提高幅度比通常低温下使用的高强铝合金高得多。

结合它的密度，使Al—Li合金成为一种发展潜力很大的低温结构材料，
例如用作航天飞行器中的大型低温液体燃料箱等。

各种类型的铝锂合金各有不同的优异性和特点，使它们在航空、航天、汽车制造等领域中有着广泛而重要的应用。

世界上越来越多的国家正在投入更多的力量进行Al—Li合金的研究和开发，如美国的Alcoa公司和Pechiney公司正在联合建设年产1万t的Al—Li合金工厂，以满足生产现代长程客机的需要；日本各大集团也在联合行动；我国也在组织各研究单位、大学和生产厂家开展新Al—Li合金的研究。

用新Al—Li合金替代飞机上对应的传统铝合金的目标，可望在21世纪前期得到实现。

表6—7 Al-Li合金2090-T81在不同温度下的机械性能
【10－】
【10－209】
(二)新一代铝合金——A1-Li系合金
1．概述
AI-Li系合金是近年来引起人们广泛关注的一种新型超轻结构材料。

该合金的研制与应用，标志着半个多世纪以来铝合金领域的重要发展。

锂是一种极为活泼且很轻的化学元素，密度为0．533g·cm—3，为铝的1／5，铁的1／15。

锂元素为地球存在较多的金属，同时海水中还有相当大的含量。

在铝合金中加入锂元素，可以降低其密度，并改善合金的性能。

例如，添加锂2％-3％，合金密度可减少10％，比刚度可增加20％—30％，强度可与LYl2媲美。

锂在铝中的溶解度随温度变化而改变。

当锂含量大于3％时，A1-Li合金的韧性明显下降，脆性增大。

因此，其合金中的锂含量仅为2％—3％。

A1-Li系合金具有密度小，比强度高，比刚度大，疲劳性能良好，耐蚀性及耐热性好等优点(在一定热处理条件下)。

但A1-Li系合金的塑性和韧性差，缺口敏感性大，材料加工及产品生产困难。

用Al-Li合金制作飞机结构件，可使飞机减重10％—20％，可提高飞机的飞行速度和承载能力。

因此，AI-Li合金是一种在航空、航天领域中很有竞争力的一种新型超轻结构材料，已受到世人的关注。

A1-Li合金的价格是硬铝价格的2—3倍，若在海水中萃取锂的技术获得成功，则可得到价格便宜的锂材料。

目前在美国、英国、法国和前苏联等国家已成功研制出A1-Li合金并将其用于实际生产中，已开发的Al-Li合金大致有三个系列：A1-Cu-Li系合金、A1-Mg-Li系合金和AI-Li-Cu-Mg-Zr系合金等。

部分A1-Li系合金的牌号、化学成分和力学性能分别见表9-10和表9-11。

2．A1-Li合金强韧化机制
(1)强化机制 A1-Li合金的强化作用主要来源于析出相强化、固溶强化
和细化晶粒强化。

锂在铝中有较高的溶解度，并随温度而明显变化，所以AI-Li合金有明显的时效强化效应，属于可热处理强化型的铝合金。

【10－210】Al-ii合金在时效过程中以弥散质点形式析出的亚稳球形相8，(A13ii)为有序超点阵结构，与基体完全共格，对位错运动具有强烈的阻碍作用，是合金中主要的强化相。

(2)影响A1-Li合金塑性和韧性的因素 Al-ii二元合金塑性和韧性低，主要与以下因素有关：
”前已述及强化相的析出虽有强化作用，但由于强化相的存在，将导致位错在晶界或夹杂物处塞积，产生应力集中，结果在晶界或夹杂物处萌生裂纹，因此，8，相对A1-Ii合金的塑性和韧性极为不利。

随着锂量增多，合金强度升高，塑性和韧性下降。

2)晶界附近常形成8，相无析出带，特别是晶界处有粗大的平衡相8析出时，晶界8’相无析出带更明显。

无析出带的强度比晶内强度低，当受到外力作用时，首先在无析出带内屈服，发生局部应力集中，产生严重应变，将导致裂纹萌生。

这种裂纹在无析出带内扩展，产【10－211】生沿晶断裂。

3)晶界处存在着粗大的平衡相(8)析出物，常常是裂纹形核的场所，因此，导致合金低韧性。

4)形变后的A1-Li合金，在一定温度下会发生再结晶。

一般认为发生完全再结晶后，合金的织构、亚晶界消失，出现粗大的再结晶组织，对合金的塑性、韧性不利。

5)某些杂质元素如钠、钾、硫等元素不溶于铝，在晶界处偏聚，使晶界弱化而影响合金的塑性和韧性。

(3)合金化原理A1-Li二元合金的强度、韧性较低，实用意义不大。

若加人多种合金元素，可对析出机制产生影响，改善晶界特性，使A1-Li合金的强韧性得到提高。

AbLi合金中常加入的合金元素有：铜、镁、锆等，其作用如下：
1)在AI-Li合金中加入铜元素，可显著提高合金的强韧性。

u／。

-一般控制在1％-4％之间，否则可降低合金的性能。

铜的加入使A1-Li合金中强化相增多，A1-Li-Cu合金的沉淀序列为：
：P+旷+9，(AhCu) l(AhCuLi)
2)在A1-Li合金中加入镁元素，能产生固溶强化，并强化无析出带，使其有害作用减少。

另外，加入镁既可析出8，相，又可形成T相(赳2LiMg)，镁能促进T相的析出，抑制8相的析出。

若铜、镁同时加入，并经形变热处理后，可析出大量的S，相(AhCuMg)。

位错难以切过S，相，因此S，相可起到分散滑移的作用而提高合金的韧性。

3)加入u／』．1％-0．2％，抑制再结晶使板材保持强烈的变形织构，使位错易于穿过晶界扩展，减小晶界应力集中，改善合金的韧性。

一般可在晶界或亚晶界处析出赳3Zr弥散质点，对晶界有钉扎作用，能抑制合金发生再结晶和细化晶粒。

4)A1-Li合金中存在杂质元素铁、硅、锰等时，易于形成粗大脆性杂质相，如赳2FeMnSi、赳2CuMn等，使合金的塑性、韧性下降。

因此，必须严格控制铁、硅、锰的含量。

还要严格控制合金中钠、钾、氢等杂质元素的含量，防止氢脆的产生。

3．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。

4．AI-Li合金的应用
由于锂活泼，使得A1-Li合金的冶炼和加-E-V艺比较复杂，但通过采取一些相应的保护措施，A1-Li合金仍可采用常规的设备和工艺进行压力加工、热处理、表面涂层及阳极化处【212：】
理等。

目前影响A1-Li合金在实际生产中使用的主要障碍仍然是其塑性和韧性低等缺点。

人们采用快速凝固和粉末冶金等方法制备性能优良的A1-Li合金。

目前，美、英、法及东欧等国家已将A1-Li合金应用于实际生产中。

如在波音飞机、F—15战斗机、EFA战斗机及新型军用运输机等一些结构件上都已成功的采用2090、8090等合金制造。

英国航空公司预测A1-Li合金在飞机结构件上的质量占33％。

我国A1-Li合金的研究工作起步较晚，目前仍处于研究阶段，距实际应用还有一段距离，相信在不久的将来就会在生产实际中使用。

国内某些高等院校及研究所等单位正在做这方面的工作，哈工大自80年代初就已做了大量工作。

如对A1-Li-Cu系、A1-Li-Mg系及A1-Li-Cu·Mg-Zr系等合金的时效动力学、断裂机制及预冷变形后再进行时效处理等方面进行研究，并对2091 AI-Li合金焊接接头的强化机制进行研究。

以SiC纤维、SiC颗粒等为增强体的A1-Li 基复合材料是近几年涌现的新材料。

为了扩大A1-Li合金的应用范围，应解决下列问题：
1)改善现有A1-Li合金的力学性能，特别是脆性大及各向异性。

2)发展高强韧性的AI-Li合金。

3)降低成本，特别是提高材料的利用率，发展精密成形方法，减少切削。

4)进一步发展多组元合金化道路，在AI-Li基础上加人铟、锗、硼和稀土等元素。