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航空航天新型材料—鋁鋰合金

發(fā)布時間: 2022-05-27  點擊次數(shù): 1843次

鋁鋰合金介紹

鋁鋰合金是一類密度小、彈性模量高、比強度和比剛度高的新型鋁合金,在航空航天領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。在鋁合金中添加金屬鋰元素,每添加1%的金屬鋰,其密度降低3%,而彈性模量可提高5%~6%,并可以保證合金在淬火和人工時效后硬化,鋁鋰合金的材料制備及零件制造工藝與普通鋁合金沒有太大差別,只是在保證金屬鋰不被空氣氧化方面加以注意即可。一般情況下,可以沿用普通鋁合金的技術(shù)和設(shè)備,相對于碳纖維復(fù)合材料來說,鋁鋰合金的成形、維修都比復(fù)合材料方便,成本也相對較低,因此,鋁鋰合金有明顯的價格優(yōu)勢和性能優(yōu)勢,被認為是21世紀航空航天工業(yè)具競爭力的輕質(zhì)高強結(jié)構(gòu)材料之一。


鋁鋰合金的合金化


一般情況下,微合金化元素的加入大多以改善細化晶粒、析出強化相、控制失效速度和順序、減小無沉淀析出帶寬度等很多因素為主要目的。


目前,在鋁鋰合金中常用的添加元素包括主合金元素Cu、Mg和微量元素Ag、Ce、Y、La、Ti、Mn、Sc、Zr等。Cu能提高Al-Li合金的強度和韌性、減小無沉淀析出帶的寬度,但含量過高時會產(chǎn)生較多的中間相,這些中間相會造成鋁鋰合金的韌性下降和密度增大,Cu含量過低不能減弱局部應(yīng)變和減小無沉淀析出帶寬度,故Al-Li合金中的Cu含量一般為1%~4%。在Al-Cu-Li合金中呈細片狀析出的T1(Al2CuLi)相與δ'相一起作為合金中的主要析出強化相,它們可以減弱共面滑移,使合金的強度指標得到明顯提高。


Mg在Al中有較大的固溶度,加入Mg后能減小Li在Al中的固溶度。因此,在含Li量一定的情況下它能增加δ'相的體積分數(shù)。另外,它還能形成T(Al2LiMg)穩(wěn)定相,抑制δ相的生成。加入Mg能產(chǎn)生固溶強化,強化無沉淀析出帶,減小其有害作用。當鋁鋰合金中同時加入Cu、Mg后能夠形成S'(Al2CuMg)相。S'相優(yōu)先在位錯等缺陷附近呈不均勻析出,其密排面與基體α相的密排面不平行,位錯很難切割條狀S'相,只能繞過這種條狀相,并留下位錯環(huán),故S'相能有效地防止共面滑移,對改善合金的強度和韌性有一定的積極作用。但Mg含量過高時也會導(dǎo)致T相優(yōu)先在晶界析出,增加脆性。Mg含量低于0.5%時,S'相很少,合金強度降低,適宜的Mg含量在改善鋁鋰合金的高溫性能方面卻有一定的良好作用。


Ag對鋁鋰合金有固溶強化和時效強化作用.但不是十分明顯。Ag、Mg同時加入會發(fā)揮協(xié)同效應(yīng)講而產(chǎn)生**的強化,能夠使得鋁鋰合金的時效速率大大加快。在Cu/Mg比例較高的鋁鋰合金中加入少量Ag,會提高它們的時效強化作用,且非常明顯,同時也會改變AI-Li-Cu系合金的時效析出順序,促進T1相和Ω相的形核并以金屬間化合物形式析出,并使T1相均勻分布在合金中,同時也能夠使晶粒尺寸變?yōu)榧毿 ?/p>


Zr在Al合金中的固溶度很小。在Al-Li合金中加入0.1%~0.2%的Zr就能在晶界或亞晶界析出Al3Zr彌散質(zhì)點,對晶界起釘扎作用,抑制再結(jié)晶并能夠細化晶粒,以此來改善合金的強度和韌性;另外,Al3Zr可作為δ'相的形核中心,使時效析出的進程加速。但Zr含量過高時會在晶界形成粗大的析出相,破壞晶界與基體的結(jié)合的牢固程度,這會大大降低合金的各項性能。


下面介紹幾種常見的合金元素在鋁鋰合金中的作用。


1、元素Li(鋰)


鋰是最輕的金屬元素,密度只有0.536g/cm3。鋰鋁合金時效時由于析出δ' (Al3Li)相而產(chǎn)生強化作用,其過程可被描述為:過飽和固溶體亞穩(wěn)相δ'和δ相呈球狀,具有LI2型結(jié)構(gòu),晶格常數(shù)為0.4nm,是合金時效的主要強化相,其界面能比較低,大約為0.014J/m2,故δ'相的形核激活能較小,析出速度非???,即使采用急冷的方式也不能有效抑制δ'相的生成。δ'相與基體的錯配度僅為0.08%,這種共格易產(chǎn)生共面滑移,使位錯在滑移面與晶界的交界處堆積,引起應(yīng)力集中。δ相具有B32(NaTi)型類金剛石結(jié)構(gòu),當進行過時效時,δ相沿擴相的晶界析出,可導(dǎo)致晶界附近Li原子減少并導(dǎo)致鋰貧乏,形成強度較低的無沉淀區(qū)(PFZ)。合金發(fā)生塑性變形時PFZ將優(yōu)先產(chǎn)生裂紋,該區(qū)域也會降低合金耐腐蝕性,所以在實際的生產(chǎn)中要盡量抑制δ相的形成。影響鋁鋰合金強韌性的主要因素是合金中δ'相形態(tài)與分布。前面提到,δ'相呈球狀對金屬的強化較佳

2、元素Mg(鎂)


加入Mg會使鋁鋰合金的溶解度曲線上移,減小Li的固溶度,增加δ'相的體積分數(shù),可以有效地提高合金的強度。一般認為這是由于Mg與空位的結(jié)合造成的,Mg與空位的結(jié)合能較大,約為0.25eV,淬火過程中,過飽和的空位與Mg原子形成Mg-空位原子簇,這些原子簇為δ相的結(jié)晶提供形核中心。鋁鋰合金同時加入Cu、Mg,由于Mg與空位以及Cu原子之間的交互作用,合金在淬火后形成許多Cu-Mg團簇,成為富Cu(q'')相的形核部位,促使Cu原子不斷向形核區(qū)進行擴散,形成亞穩(wěn)相S'。S'相呈板條狀,斜方結(jié)構(gòu),晶格常數(shù)a=0.40nm,b=0.93nm,c=0.72nm,其慣習面與基體的密排面不平行,能夠使共面滑移趨于彌散,有效地改善合金的強韌性。S'相優(yōu)先在位錯等缺陷處呈不均勻析出,能減小或消除無沉淀區(qū)(PFZ),由于S'相的形核能較大,時效過程中S'相形核的孕育期較長,其析出也需要長時間的保溫時效才能實現(xiàn)。


3、過渡族金屬元素


3.1、Cu


銅加入到鋁鋰合金中會析出T1相。T1相是Al-Li-Cu系合金最重要的平衡相,呈盤狀或片狀,六方形結(jié)構(gòu),晶格常數(shù)a=b=0.50nm,c=0.93nm。T1相阻礙位錯擴展,同時對位錯也有釘扎作用,強化比δ'相更加明顯。但是T1相密排面(0001)//(111)α、密排方向[1010]//[110],不能明顯地減弱共面滑移,因此對合金的塑性沒有明顯的改善。T1相在位錯、亞晶界等晶體缺陷處以堆垛層錯的方式非均勻形核,臨界形核功較大,析出非常緩慢。適量的預(yù)變形能夠使T1相均勻、細小、彌散析出,可以起到增加合金位錯密度和增大T1相的形核場所的作用。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),T1相的長大受臺階機制控制。T1相與基體之間的錯配度僅為0.12%,基體提供T1相長大的臺階數(shù)量有限,所以T1相在一定的溫度下粗化傾向較小,能保持合金力學性能的穩(wěn)定。但是溫度升高至200℃時δ'相溶解,Cu、Li原子向臺階遷移的速率加快,臺階形核阻力變小,臺階數(shù)量倍增,T1相粗化,導(dǎo)致合金力學性能下降。


3.2、Mn


在鋁鋰合金中加入Mn能夠形成Al6Mn相并以粒子形式析出,Al6Mn相能有效地改善鋁鋰合金各向異性。一方面在加工過程中Al6Mn彌散質(zhì)點本身發(fā)生均勻滑移,使合金的變形由共面滑移轉(zhuǎn)變成均勻滑移,從而使鋁鋰合金組織分布更加趨向一致;另一方面Al6Mn彌散質(zhì)點通過影響面的位錯密度等使T1相在面能夠均勻形核,利用這一特點可有效地降低和改善合金的各向異性。

 

3.3、Zr

Zr加入到鋁鋰合金中,Zr與Al能夠形成亞穩(wěn)相β'(Al3Zr),呈棒狀,具有LI2結(jié)構(gòu),晶格常數(shù)a=0.41nm。Zr原子與空位結(jié)合能較大(0.24eV),在合金凝固中易與空位結(jié)合,導(dǎo)致與鋰原子結(jié)合的空位減少,從而阻止δ'相析出,但是δ'相可以在β'相界面形核生長,形成β'/δ'復(fù)合結(jié)構(gòu)相,增加與基體的錯配度,而且β'/δ'相的硬度較大,位錯很難切過,可以有效地抑制共面滑移,改善合金的塑性。Sc與Zr形成極細的三元共格相Al3(Sc1-xZrx )。通常Sc含量為0.07%~0.03%,Zr含量為0.07%~0.15%,兩者的比例保持為約1:1,其表示為Al3(Sc,Zr)。Al3(Sc,Zr)與δ'結(jié)構(gòu)相似,時效過程中可成為δ'非均勻形核的核心,形成Al3Li/Al3(Sc,Zr)復(fù)合粒子。


3.4、稀土元素

稀土元素在普通鋁合金的熔煉、凝固等過程中均顯示出有益作用,包括稀土的除氣、除雜和晶粒細化等作用。稀土元素的添加可以改善普通鋁合金超塑性、熱變形性、腐蝕抗力、焊接性等,并且具有減輕雜質(zhì)的危害。鑒于此,國內(nèi)外學者開展了在鋁鋰合金中添加微量Ce(鈰)、Y(釔)、La(鑭)等稀土元素的研究工作,研究結(jié)果顯示,所有稀土元素都能夠不同程度地改善鋁鋰合金的組織和性能。

 

稀土元素Ce、Y、La、Sc等均能延緩鋁鋰合金的再結(jié)晶過程,并且能減小再結(jié)晶比例和細化再結(jié)晶晶粒尺寸,細化沉淀相并使之均勻化分布于合金中,同時也能減弱鋁鋰合金中雜質(zhì)元素的負面影響。所以稀土元素對于鋁鋰合金來說是一類有益的添加元素,即使是在添加微量的情況下就能夠明顯起到較為良好的作用。在這一點金屬鈧就是一個突出的例證,尤其是與金屬鋯同時加入可以使鋁合金以及鎂合金都有明顯的作用。

鋁鋰合金的強韌化機理

1、鋁鋰合金強韌化機理


1、強化機理


鋁鋰合金的強化作用主要來源于析出相強化和固溶強化。其主要析出相δ'是與α-Al基體共格的亞穩(wěn)相,具有有序超點陣(LI2)結(jié)構(gòu)。α/δ'的界面畸變程度很小,僅為0.08%左右,δ'相在合金中以彌散質(zhì)點形式均勻析出。金屬的強化來源于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)對滑移位錯的阻礙作用。在Al-Li合金中阻礙位錯運動的主要因素是合金中有δ'析出相,而影響位錯切割δ'顆粒的因素有:

① 基體的內(nèi)摩擦應(yīng)力τ0


② δ'相與基體界面的點陣畸變阻滯應(yīng)力τg


③ δ'相與基體的切變模量之差τ△G


④ δ'相中形成反相籌界而產(chǎn)生的界面能γ0


⑤ 被切割的δ'相與基體形成的新表面所具有的表面能γ0


⑥ δ'相的內(nèi)摩擦應(yīng)力τp


實驗和計算表明,對合金強度起主要作用的是位錯切割δ'相時所產(chǎn)生的反相界面能,它對合金強度的貢獻大約為50%,其次是δ'相和基體的內(nèi)摩擦應(yīng)力τp和τ0,其他三項各有5%左右。另外,δ'相有序度的變化也會明顯改變合金的強度。


2、韌化機理


①共面滑移


在鋁鋰合金中,由于δ'相與α基體*共格,且其α/δ'相界面應(yīng)變小,所以滑移位錯較易切割δ'相顆粒。被切割的δ'相顆粒可以提供一條滑移更容易進行的通道,因此大量的滑移位錯常在同一個晶面上滑移而不產(chǎn)生交滑移,形成所謂的共面滑移帶。這種共面滑移現(xiàn)象導(dǎo)致位錯在晶界的堆積而產(chǎn)生局部的應(yīng)力集中和屈服,最后導(dǎo)致晶界裂紋的萌生,這種共面滑移使得合金的韌性得以提高。


②晶界無析出帶


在晶內(nèi)δ'相是均勻的,但在晶界附近則出現(xiàn)所謂δ'相的無析出帶(PFZ)。由于PFZ比晶內(nèi)結(jié)構(gòu)要軟,所以滑移所產(chǎn)生的晶界位錯堆積和應(yīng)力集中可使其產(chǎn)生早期的屈服而發(fā)生塑性變形,導(dǎo)致微孔在晶界粗大析出物和三相交叉點附近形核,并沿PFZ擴展而形成微裂紋,其結(jié)果會使合金在拉伸過程中發(fā)生晶間斷裂現(xiàn)象而惡化合金的性能。


③織構(gòu)與再結(jié)晶


經(jīng)軋制的Al-Li合金板材存在變形織構(gòu),其主要織構(gòu)類型為(110)[112]織構(gòu)。由于織構(gòu)的存在使晶粒間的取向差變小,僅約3°,所以這時晶內(nèi)滑移帶能夠穿越晶界擴展。這是因為小角晶界對位錯的阻擋作用較小,所以一旦位錯穿過晶界,即產(chǎn)生沿面的穿晶切變型平面滑移,直至材料被破壞。


織構(gòu)與再結(jié)晶是密切相關(guān)的。*再結(jié)晶后,Al-Li合金的變形織構(gòu)也隨之消除。Al-Li合金產(chǎn)生再結(jié)晶后強度降低了,還伴隨著晶粒長大、亞晶界消失,甚至還可能出現(xiàn)再結(jié)晶織構(gòu)等一系列的結(jié)構(gòu)變化。


④其他析出相的影響和作用


在Al-Cu-Li-Mg-Zr系合金中,除δ'相外,還存在其他二元或三元析出相。其基本析出過程為:

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