铝锂合金总结.docx

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铝锂合金总结

铝锂合金总结

铝-锂合金归纳总结

在铝合金中加入金属元素锂（Li）,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Li,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Li含量,而增加了Cu含量,并且往往添加一些新的合金化元素Ag,Mn,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。

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Mn,Al6Mn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Brass织构（{110}<112>）影响最大,Bs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690MPa,其强度水平居铝合金前列。

此外,Weldalite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Al-Cu-Li系,与第二代铝锂合金相比,其Cu/Li比高出很多,这主要是因为人们发现片状的T1相（Al2CuLi）是铝合金中最具有潜力的强化相,高Cu/Li比成分下,合金的主要析出强化相是T1而不是δ′相（Al3Li）,当加入合金元素Ag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/Li比合金的焊接性能更好。

在1460合金成分的基础上加入0.5%Mg,0.3%Mn,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112MPa·m½（注:

KQ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Al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。