Cu，Li含量对新型超高强铝锂合金力学性能及微观组织的影响*

潘 波,李 睿,李劲风，陈永来，张绪虎，郑子樵

1.中南大学材料科学与工程学院 长沙 湖南410083；2. 航天材料及工艺研究所，北京100076

Cu，Li含量对新型超高强铝锂合金力学性能及微观组织的影响*

潘 波1,李 睿1,李劲风1，陈永来2，张绪虎2，郑子樵1

1.中南大学材料科学与工程学院 长沙 湖南410083；2. 航天材料及工艺研究所，北京100076

利用力学性能测试和TEM分析测试手段，计算出铝锂合金Al-(3.6%～4.15%)Cu-(1.1%～1.4%)Li中非固溶Cu，Li原子摩尔分数总和及Cu/Li原子摩尔分数比，分析了强度和微观组织之间的影响机理.结果表明，合金中的主要时效强化相为大量T1相(Al2CuLi)和少量θ′相(Al2Cu)，Li含量较高的合金可能析出的极少量δ′相(Al3Li).在上述成分范围内，随Cu含量或Li含量增加，合金强度提高，且Li含量的增加幅度不同，对合金强度的提高幅度存在明显的差异.非固溶Cu，Li原子摩尔分数总和及其比例共同作用，通过影响析出相总量、类型及各析出相分数决定合金强度.要获得铝锂合金的超高强度，在提高Cu,Li原子摩尔分数总和的同时，还要提高其比例.

铝锂合金；时效强化相；强度；微观组织；Cu/Li原子摩尔分数比

铝锂合金具有密度低、弹性模量高以及良好的强度刚度等特点，同时还具有疲劳裂纹扩展速率低和高低温性能好等优点[1]，在航天航空领域有着良好的应用前景.自90年代以来，铝锂合金的研发进入大发展时期，并在航天航空结构件上获得大范围应用[2-3].进入21世纪后，欧美俄不断通过调整铝锂合金的主成分Cu,Li及添加微合金化元素，开发新型铝锂合金，以提高其性能，其中一个重要方向是进一步提高铝锂合金强度[4].

在铝锂合金中添加微量元素可对第二相的析出产生影响，从而有利于提高合金的力学性能[5].例如，Al-Cu-Li系合金中单独或联合添加Mg，Zn，Ag等微合金化元素，可以促进合金T1相的析出，提高合金的强度[6-7].添加Ag，Mg合金元素时，在时效初期会形成Mg-Ag-cluster[8]，能促进强化相的析出，并且有利于沉淀相的均匀分布，同时添加Ag，Mg也会提高GP区的密度[9].正是由于Ag，Mg的复合微合金化在铝锂合金中的作用[10]，Alcoa在Cu/Li质量比高的铝锂合金中添加微量元素Ag和Mg，开发出高强2195铝锂合金.Alcoa还在Mg，Ag复合微合金化的基础上开发出2096、2098和2198等系列铝锂合金.基于Mg，Zn微合金化作用的合金有2099、2199及具有国内独立知识产权的2A97等铝锂合金.研究表明，Mg，Ag，Zn三种微合金元素同时添加的效果强于三种元素的单独添加[11].

目前，国内外研究的目标之一仍是进一步提高铝锂合金的强度，力求开发超高强铝锂合金产品[12].Cu为铝锂合金中的主要强化元素，在Al-Cu-Li合金中添加过量的Cu时，会形成中间相导致合金的韧性下降并增大合金密度[2]，而当Cu含量过低时则不能减弱局部应变.Cu，Li合金元素是Al-Cu-Li系铝锂合金中θ′相(Al2Cu)、T1相(Al2CuLi)和δ′相(Al3Li)等强化相的构成元素，合金中Cu，Li含量及Cu/Li原子摩尔比是影响铝锂合金时效强化相总量及各析出相体积分数的主要因素[13].

为开发新型超高强铝锂合金，在课题组前期Mg，Ag，Zn微合金化研究的基础上[11]，本文探讨了Cu，Li含量对Mg，Ag，Zn复合微合金化铝锂合金强度及微观组织的影响.

1 实验部分

1.1 试样制备

设计了5种成分的超高强铝锂合金，其中主成分Cu质量分数为3.6%～4.2%、Li 质量分数为1.1%～1.4%，其他微合金元素分别为0.4%Mg，0.4%Ag，0.4%Zn，0.3%Mn，0.1%Ti和0.1%Zr.由于熔炼过程中的不确定因素，实际成分与设计成分稍有偏差，但仍处于可研究范围之内.所制备的5个超高强铝锂合金试样中Cu，Li含量列于表1.铸锭经均匀化、热轧、中间退火后，冷轧至2 mm厚的薄板.样品固溶后分别进行T8和T6时效处理，T8时效处理为固溶后先进行6%的冷轧预变形，而后于160 ℃进行人工时效；T6时效为固溶处理后直接于175 ℃下进行人工时效.

表1铝锂合金试样的Cu，Li含量

Table 1 Measured Cu and Li contents of the experimental Al-Li alloys

样品编号w(Cu)/%w(Li)/%m(Cu)/m(Li)1号3．631．063．422号3．81．13．453号4．161．13．784号3．81．183．225号4．151．42．94

1.2 性能测试

采用MTS 858试验机对时效态合金的室温拉伸性能进行测试，拉伸速率为2 mm/min.之后选择各合金的峰时效抗拉强度进行分析.将试样减薄磨至0.1～0.08 mm后，制成电镜观察样品，然后采用Tecnai G220型透射电子显微镜(TEM)观察峰时效态样品的微观组织.

2 试验结果与讨论

2.1 力学性能

2.1.1 Cu含量对合金力学性能的影响

由表1可知，1号(3.63%Cu-1.06%Li)、2号(3.8%Cu-1.1%Li)和3号(4.16%Cu-1.1%Li)合金试样中Li含量基本一致，只是Cu含量有变化.对1，2，3号试样分别进行T6和T8时效处理，所测的合金峰时效抗拉强度列于表2.

表2 Cu含量及时效处理对峰时效抗拉强度的影响

Table 2 T6 and T8 peak-aging tensile strength of 1.1%Li containing alloys with different Cu contents

时效处理样品编号w(Cu)/%w(Li)/%抗拉强度/MPaT61号3．631．065502号3．81．15653号4．161．1592T81号3．631．065702号3．81．15853号4．161．1613

由表2可知，随Cu含量增加，合金峰时效强度提高.Cu质量分数由3.63%增加到3.8%，合金T6峰时效抗拉强度增加15 MPa；Cu质量分数继续增加至4.16%，合金T6峰时效抗拉强度进一步增加27 MPa，强度显著提高.进行T8时效时，Cu质量分数由3.63%增加至3.8%，合金峰时效抗拉强度增加15 MPa；Cu质量分数继续增加至4.16%，合金峰时效抗拉强度增加28 MPa.试验还表明，进行T8时效处理时，合金峰时效强度都高于T6.

2.1.2 Li含量对合金力学性能的影响

为方便分析Li含量对合金强度的影响，现将合金按Cu含量分为两组.一组为Cu质量分数为3.8%，Li质量分数从1.1%(2号)增至1.18%(4号)；另一组Cu质量分数约为4.15%，Li质量分数从1.1%(3号)增至1.4%(5号).两组合金分别进行T6和T8处理时的峰时效抗拉强度列于表3.

表3 Li含量及时效处理对峰时效抗拉强度的影响Table 3 T6 and T8 peak aging tensile strength of 3.8% Cu and 4.15% Cu containing alloys with different Li contents

续表3

由表3可知，Cu含量基本保持不变时，随Li含量增加，合金强度提高.当Cu质量分数为3.8%时，Li质量分数由1.1%增至1.18%，T6峰时效抗拉强度提高30 MP，T8峰时效抗拉强度提高34 MP.当Cu质量分数为4.15%时，Li质量分数由1.1%增至1.4%，T6峰时效抗拉强度提高8 MPa，T8峰时效抗拉强度提高15 MPa.同时，还发现Li含量增加幅度不同，合金强度提高的幅度有明显的差异.

2.2 微观组织

在进行TEM观察时， Li质量分数为1.1%而Cu含量不同的合金，即1，2，3号合金试样的SAED谱(选区衍射谱，图略)均只观察到T1相及θ′相斑点，未观察到铝锂合金中另外一种较为常见析出相δ′相斑点.图1为1，2，3号合金试样的T8峰时效TEM暗场像.由图1可知，当Cu质量分数由3.63%(图1(a),(b))增加至3.8%(图1(c)，(d))时，T1相和θ′相的数量均明显增加；当Cu质量分数由3.8%继续增至4.16%(图1(e)，(f))时，T1相的数量增加，而θ′相的数量略有减少.说明Cu含量的变化会导致合金中T1相和θ′相数量产生较明显的变化.

图1 Li含量为1.1%时不同Cu含量合金T8峰时效的TEM暗场像(a)1号合金，20 h，T1相，b=<112>；(b)1号合金，20 h，θ′相，b=<100>；(c)2号合金，16 h，T1相，b=<112>；(d)2号合金，16 h，θ′相，b=<100>；(e)3号合金，8 h，T1相，b=<112>；(f)3号合金，8 h，θ′相，b=<100>Fig.1 TEM dark field images of T8 peak-aged 1.1% Li containing alloys with different Cu concentration(a) No.1 alloy, 20 h, T1 precipitate, b=<112>; (b) No.1 alloy, 20 h, θ′ precipitate, b=<100>;(c) No.2 alloy, 16 h, T1 precipitate, b=<112>; (d) No.2 alloy, 16 h, θ′ precipitate, b=<100>;(e) No.3 alloy, 8 h, T1 precipitate, b=<112>; (f) No.3 alloy, 8 h, θ′ precipitate, b=<100>

图2为4号合金T8峰时效的TEM暗场像.图2显示，主要析出相为T1相和θ′相，未发现δ′相.与2号样品相比，4号样品的T1相数量明显增多(图2(a))，而θ′相数量变化不明显(图2(b)).

与3号合金不同，5号合金T8峰时效SAED谱(图略)既存在T1相与θ′相斑点，也存在较弱的δ′相斑点.沿<112>及<100>方向入射的TEM中心暗场像如图3所示.由图2，3可知，与3号合金相比，5号合金中T1相数量略有增加，θ′相变化不明显，但5号合金出现明显的δ′相(图3(b)).

TEM观察表明， Cu，Li含量在试验范围内即Cu质量分数为3.6%～4.2%、Li质量分数为1.1%～1.4%的合金峰时效的主要析出强化相是T1相及少量θ′相；当Li质量分数较高，为1.4%时，合金峰时效在析出大量T1相和少量θ′相的同时，还析出极少量δ′相.

为定量描述Cu，Li含量变化对合金峰时效析出相的影响，采用photoshop软件对上述暗场像照片中的各析出相进行逐一统计.统计时一般选取三张照片，计算相应析出相的平均数密度，结果列于表4.

图3 5号合金T8峰时效的TEM暗场像 (a)5号合金，12 h，T1相，b=<112>；(b)5号合金，12 h，θ′相,δ′相，b=<100>Fig.3 TEM dark field images of T8 peak-aged alloy(No.5) containning 4.15%Cu and 1.4%Li(a) No.5 alloy, 12 h, T1 precipitate, b=<112>; (b) No.5 alloy, 12 h, θ′ precipitate,δ′ precipitate, b=<100>

表4T1相、θ′相和δ′相的数密度及相应T8峰值强度

Table 4 The number density of T1, θ′ andδ′ precipitates in the T8 peak-aged alloy and corresponding tensile strength

样品编号T1相/μm2θ′相/μm2δ′相/μm2σb/MPa1号264．0010．9905702号311．0547．6105853号358．0028．0006134号444．4436．5506195号376．6534．4016．21628

2.3 分析与讨论

上述研究表明，主合金元素Cu和Li含量的变化对合金强度的影响很大.但采用表1所示的Cu，Li质量分数的差异较难分析合金强度的变化，特别是2号和4号以及3号和5号之间强度的变化.而用原子摩尔分数分析Cu，Li含量对合金峰时效抗拉强度的影响十分有效.峰时效铝锂合金中，Cu，Li原子有两种存在形式，即固溶原子和非固溶原子.非固溶原子指时效析出相中的组成原子，本研究中主要指T1相、θ′相及δ′相中的Cu，Li原子；而固溶原子指时效后仍然固溶在Al基体中的Cu，Li原子.通常情况下，合金元素Cu，Li，Mg，Ag，Zn等在Al基体中的固溶度会互相影响，或导致Cu或Li原子的固溶度降低.为简化分析，本文在此假设160 ℃(时效温度)时， Cu和Li在该铝锂合金中固溶度约为Al-Cu系和Al-Li系二元相图中固溶度的60%.根据Al-Cu系和Al-Li系二元相图，160 ℃时Cu和Li在纯Al中的固溶度分别约为0.1%和0.5%[14].将表1中的合金元素质量分数转化为原子摩尔分数，再计算相应的非固溶Cu，Li原子摩尔分数总和及相应原子摩尔分数比，结果列于表5.为便于分析，合金的T8峰时效抗拉强度也列于表5.

由表4和表5可知：(1)对于1号和2号合金，其Cu/Li原子摩尔分数比为0.52，非固溶原子摩尔分数总和由4.49%提高至4.72%，则T1相数密度由264 个/μm2提高到311.5 个/μm2.说明当Cu/Li原子摩尔分数比相近时，随非固溶原子摩尔分数总和增加，T1相数密度也随之增加.(2)对于3号与2号合金，非固溶Cu，Li原子摩尔分数总和及其比例同时增加，则T1相数密度有较大幅度的增加.说明如果非固溶原子摩尔分数总和及比例增加，则T1相数密度增加.(3)2号与4号合金相比，4号合金的非固溶Cu，Li原子摩尔分数总和高，原子摩尔分数比低，但T1相数密度仍增加较多.3号与5号合金相比，5号合金的Cu，Li原子摩尔分数总和高，但其摩尔分数比较低，导致T1相数密度不高，但析出δ′相.这说明非固溶Cu，Li原子的摩尔分数总和及其摩尔分数比共同决定合金中析出相的类型及组成.

表5非固溶Cu与Li原子摩尔分数总和、原子摩尔分数比例及T8峰时效抗拉强度

Table 5 Calculated total non-solution atomic mole fraction of Cu and Li, their ratio and corresponding tensile strength of T8 peak aging

样品编号x(Cu+Li)/%n(Cu)/n(Li)σb/MPa1号4．490．525702号4．720．525853号4．890．576134号5．020．476195号5．990．41628

在非固溶Cu和Li原子形成的T1相、θ′相和δ′相中，T1相呈片状，为六方晶体结构(HCP)，与基体位向关系为{0001}T1 // {111}Al、<1010>T1 // <110>Al[15-16]，T1相对{111}Al面位错滑移具有强烈的阻碍作用[17].与θ′相和δ′相相比，T1相的强化效果最大.非固溶Cu，Li原子摩尔分数总和及其比例是通过影响析出相总量、类型及各析出相分数，来影响合金的强度.与Li质量分数1.1%的3号合金相比， 5号合金的Li质量分数较高，为1.4%，但其Cu/Li摩尔分数比较低，使主强化相T1相数密度较少，导致其强度比3号只提高15 MPa.上述分析表明，要获得超高强度的铝锂合金，既要提高铝锂合金中Cu，Li原子摩尔分数总和，还要提高Cu/Li摩尔分数比.

3 结 论

Cu，Li含量对Mg，Ag，Zn多元复合微合金化Al-(3.6%～4.15%)Cu-(1.1%～1.4%)Li合金力学性能与微观组织有较大的影响.合金主要时效析出相是大量T1相和少量θ′相，Li质量分数为1.4%的合金有极少量δ′相析出.在Cu质量分数为3.6%～4.15%，Li质量分数为1.1%～1.4%范围内，随Cu含量或Li含量增加，合金强度提高，而Li含量增加幅度不同，对合金强度提高的幅度有明显的差异.要获得超高强度的铝锂合金，在提高Cu，Li原子摩尔分数总和的同时，还需提高其原子摩尔分数比.

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InfluenceofCuandLicontentsonmechanicalpropertiesandmicrostructuresofanewsuperhighstrengthAl-Lialloy

PAN Bo1，LI Rui1，LI Jinfeng1，CHEN Yonglai2，ZHANG Xuhu2，ZHENG Ziqiao1

1.SchoolofMaterialsScienceandEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410083,China；2.AerospaceResearchInstituteofMaterialsandProcessingTechnology,Beijing100076,China

Based on Al-Li alloys with Cu(3.6%～4.15%) and Li(1.1%～1.4%), the influence of Cu and Li contents on the mechanical properties and microstructures of T8 and T6 aged Al-Li alloys with micro-alloying elements of Mg, Ag and Zn was investigated. By using tensile properties measurement and TEM, the strengthening effect and microstructure evolution were analyzed through total non-solution atomic mole fractions of Cu and Li and their atomic ratio. The strengthening precipitates consisted of a lot ofT1(Al2CuLi), a fewθ′(Al2Cu) and a thimbleful ofδ′ (Al3Li) which may be precipitated with high contents of Li. Strength of the alloys was enhanced with increasing the contents of Li or Cu in the range of contents above. And different increasing extent of Li content enhanced the strength of the alloy with obviously different extent. Total non-solution atomic mole fraction of Cu and Li and their ratio determined the strength of the alloy by effecting the amount, types, and fractions of precipitates. To enhance the strength of Al-Li alloys largely, their atomic ratio should be kept high values, while increasing the total non-solution atomic mole fraction of Cu and Li.

aluminum-lithium alloy；aging strengthening phase；strength; microstructure；Cu/Li atomic mole fraction ratio

TG 146.2

：A

2017-02-16

国家863 项目(2013AA032401)

潘波(1992-)，男，山西朔州人，硕士研究生.

1673-9981(2017)03-0146-07