铝锂合金的合金化及作用
作者：徐国栋
来源：《科技创新导报》2011年第24期
摘要:铝锂合金中添加少量合金元素,可显著提高或改善合金的性能,详细阐述了铝锂合金中合金元素对结构的影响及其作用机理。
关键词:铝锂合金沉淀相合金化
中图分类号:TG111.5 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)08(c)-0088-01
1 前言
铝锂合金具有低密度、高弹性模量、高比强度和高比刚度等优良性能,是宇航工业最具潜力的轻型高强度结构材料。但是目前铝锂合金仍存在塑韧性低,各向异性严重等问题[1]。研究表明采用合金化手段有助于改善合金的性能,本文阐述了铝锂合金中合金元素对组织结构的影响及其作用机理。
2 铝锂合金的合金化元素
2.1 基本元素Li(锂)
锂是最轻的金属元素,密度只有 0.536 g/cm3,在铝中每加入1t% 的锂,可使合金密度降低3%,弹性模量提高6%。锂铝合金时效时析出δ′(Al3Li)产生强化,其过程为:过饱和固溶体亚稳相δ′平衡相δ(Al Li)
δ′呈球状,具有LI2型结构,晶格常数为0.4nm,是合金时效的主要强化相,界面能较低,为
0.014J·m-2,故δ′的形核激活能低,析出非常快,即使急冷也不能抑制δ′的形成。δ′与基体错配度仅为0.08%,这种共格易产生共面滑移,使位错在滑移面与晶界的交界处塞积,引起应力集中。δ相具有B32(NaTi)型金刚石结构,过时效时,δ沿δ′晶界析出,导致晶界附近Li原子的贫乏,形成低强度的无沉淀区(PFZ)。合金发生塑性变形时PFZ将优先产生裂纹,该区域也会降低合金耐腐蚀性,所以实际的生产中要抑制δ相的形成。影响铝锂合金强韧性的主要因素是δ′相形态与分布、共面滑移和晶界无沉淀区,微合金元素的加入以改善上述因素为目的。
2.2 过渡金属元素
2.2.1 Cu(铜)
T1相是Al-Li-Cu系合金最重要的平衡相,呈盘状或片状,六方型结构,晶格常数
a=b=0.50nm,c=0.93nm。T1相阻碍位错切过,对位错有钉扎作用,强化效果比δ′相更有力。但是
T1相密排面(0001)//(111)α、密排方向[1010]//[110]α,其对共面滑移的减弱作用不明显,因此不能改善合金的塑性。T1相在位错、亚晶界等晶体缺陷处以堆垛层错的方式非均匀形核,临界形核功较高,析出非常缓慢。适量的预变形可以增加合金位错密度,增加T1相的形核场所,使T1相均匀、细小、弥散析出,T1相的长大受台阶机制控制。T1相与基体之间的错配度仅为0.12%,基体提供T1相长大的台阶数量有限,所以T1相在一定的温度下粗化倾向小,能保持合金力学性的稳定。但是温度升高至 200℃时δ′相溶解,Cu、Li原子向台阶迁移的速率加快,台阶形核阻力变小,台阶数量倍增,T1相显著粗化,合金力学性能下降[2]。
2.2.2 Mg(镁)
加入Mg使铝锂合金的溶解度曲线上移,减小Li的固溶度,增加δ′体积分数,有效地提高合金的强度。一般认为这是由于Mg与空位的结合造成的,Mg与空位的结合能较高,约为0.25eV,淬火过程中,过饱和的空位与Mg原子形成Mg-空位原子簇,这些原子簇为δ的形核提供核心。铝
锂合金同时加入Cu、Mg,由于Mg与空位以及Cu原子之间的交互作用,合金在淬火后形成许多Cu-Mg-clusters,成为富Cu 的θ″相的形核位置,促使Cu原子不断向形核区扩散,形成亚稳相S′。S′相呈板条状,斜方结构,晶格常数a=0.40nm,b=0.93nm,c=0.72nm,其惯习面与基体的密排面不平行,可使共面滑移趋于弥散,改善合金的强韧性。S?相优先在位错等缺陷处呈不均匀析出,能减小或削除PFZ,由于S′相的形核能较高,时效过程中S′相形核的孕育期较长,其析出也需要长时间的时效保温。
2.2.3 Mn(锰)
在铝锂合金中加入Mn形成Al6Mn粒子,可以改善各向异性。研究[3]认为2197合金中弥散相Al6Mn的存在是降低各向异性的主要原因:一方面在加工过程中Al6Mn弥散质点本身发生均匀滑移,使合金的变形由共面滑移转变成均匀滑移,从而使铝锂合金组织分布更多地趋向一致;另一方面Al6Mn弥散质点通过影响惯习面{111}的位错密度等使T1相在各{111}惯习面均匀形核,从而降低各向异性。
2.3 稀土元素
2.3.1 Zr(锆)、Sc(钪)
Zr与Al形成亚稳相β′(Al3Zr),呈棒状,LI2结构,晶格常数a=0.41nm。Zr原子-空位结合能高(0.24eV),在合金凝固中易与空位结合,导致与锂原子结合的空位减少,从而阻止δ′相析出,但是δ′相可以在β′相界面形核生长,形成β′/δ′复合结构相,增加与基体的错配度,而且β′/δ′相硬度高,位错很难切过,可以有效地抑制共面滑移,改善合金的塑性。Sc与Zr形成极细的三元共格相Al3(Sc1-x,Zrx)。通常Sc含量为0.07%～0.30%,Zr含量为0.07%～0.15%,两者的比例保持为约1:1,其表
示为Al3(Sc,Zr)。Al3(Sc,Zr)与δ′结构相似,时效过程中作为δ′非均匀形核的核心,形成
Al3Li/Al3(Sc,Zr)复合粒子。研究认为[4],Sc降低Zr在合金中的溶解度,促使Al3(Sc,Zr)相的形成,释放出被Zr俘获空位,促使δ′相的析出。