北京理工大学王俊升教授：轻质金属的发展和应用—

北京理工大学王俊升教授：轻质金属的发展和应用——高强铝合金和镁合金

来源：特铸杂志　2023-08-15 15:52:54

航空航天、武器装备结构件对轻质高强合金的需求是长期存在且日益迫切。降低高强合金密度、提高比强度和比模量一直是轻合金研发的重要方向。Al/Mg-Li合金具有密度低、弹性模量高、比强度高和比刚度高等优势，是航空航天等领域轻量化材料研究的热点。Al-Li合金可代替传统铝合金，使军机整机质量减轻15%，意味着可缩短滑跑距离15%，增加航程20%，同时提高有效载荷30%；对于民用客机，其结构质量可减轻%，飞机每年的飞行费用将节省%。我国C919大飞机由于采用第3代Al-Li合金AA2060替换了第一代传统的Al-Cu合金AA2024，使用量高达10%，实现减重15%。Mg-Li合金是工程应用中最轻的结构材料之一，密度为铝合金的1/2，镁合金的3/4，在航空航天领域中应用Mg-Li合金能够降低飞行器自身质量的20%~30%，可以有效节省能源和提升飞行器的飞行能力。综述了最新的Al-Li和Mg-Li合金的微合金化、微观组织/缺陷以及先进的制造工艺和加工技术，旨在为未来轻质合金建立“成分-加工-微观结构-性能”的最佳组合提供参考。

1高强铝锂合金的研究进展

高强铸造Al-Li合金

铸造Al-Li合金特别适用于对整体性能要求高且均匀的大型复杂结构件，其铸造过程较为复杂，铸件的力学性能在很大程度上取决于微观结构特征。图１为不同铸造铝合金在不同温度下氢含量比较以及Al-Li合金的非平衡凝固过程。可以看出，由于Al-Li合金的凝固温度范围很广（最高可达137 ℃），因此在铸造过程中容易形成树枝状结构，并容易在高温下吸氢和氧化（见图1a），形成微观结构缺陷，如气孔、热裂纹、氧化物和金属夹杂物，这对合金的力学性能非常不利。目前，对提高铸造Al-Li合金力学性能的研究主要集中在两个方面：①以合金化的手段开发新型合金，即通过研究合金元素及其添加量对Al-Li合金的影响，以研制高性能Al-Li合金。②通过先进的制备工艺避免或减弱缺陷，提高铸造Al-Li合金的性能。

（ａ）铝合金在不同温度下氢含量比较（ｂ）AA2060铝合金的非平衡凝固过程

图１不同铸造铝合金在不同温度下氢含量比较以及典型AA2060合金的非平衡凝固过程

合金化元素对Al-Li合金微观结构/力学性能的影响见表1。近年来，许多研究都集中在贵重或稀土（RE）元素添加到Al-Li合金中以获得更好的力学性能。

除了微合金化，Al-Li合金的制备工艺对力学性能也有很大影响，这是因为制备条件的不同影响冶金缺陷，进而影响合金的宏观力学性能，工艺方法对铸造Al-Li合金的力学性能的影响见表2。由于Al-Li合金熔体的活泼性，研究者尝试了不同的铸造工艺进行制备。最近，一些新型制备工艺也被应用在Al-Li合金上。粉末冶金技术被用来解决传统铸造工艺中存在的缺陷问题，如热裂纹和宏观/微观偏析。尽管粉末冶金工艺取得了相当大的成功，但容易出现氧化物污染，这对合金的疲劳寿命是不利。喷射成形技术作为一种先进的工艺，结合了快速凝固、半固态加工、近净形加工等优点，适用于Al-Li合金。喷射成形制备的Al-Li合金几乎没有宏/微观偏析，从而避免了许多传统铸造中必要的用于消除/最小化偏析的中间步骤，如长时间均匀化处理和大量的热机械加工。然而，喷射成形技术的广泛商业化仍然存在一定问题，如喷射成形合金材料中不可避免地存在一些孔洞，孔隙率一般为%～2%，必须经过挤压/轧制才能使其足够致密。另一项新兴技术是增材制造，已被XUE C P等证明对制造Al-Li合金是有效的，并发明了一种热变形工艺来控制微孔率，从而控制3D打印后Al-Li合金的力学性能。

对于未来高强铸造Al-Li合金的发展，一方面要综合考虑合金元素对其本身微观组织的影响，特别是微量元素和稀土元素对Al-Li合金的微观组织和力学性能影响深远；另一方面，由于Al-Li合金铸造的特殊性，在Al-Li合金的制备上要关注传统铸造方法中熔体的深度净化或者采用新兴技术实现铸件内部的良好品质。

高强变形Al-Li合金

与钢、镍合金等相比，Al-Cu-Li合金，如AA2195、AA2050和AA2060，由于Cu含量高（一般为4%左右），在室温下的成形性较低，使其无法通过冷成形工艺来满足复杂部件的需要。对于这些Al-Li合金，通常采用热变形工艺。一般来说，热变形受到诸如应变率、温度等加工参数的影响，伴随着加工硬化和动态软化的同时发生。潜在的动态回复、再结晶和动态析出机制决定了合金在微观和纳米尺度上的微观结构和力学性能。目前，围绕Al-Cu-Li合金系的热变形研究主要集中在以下方面：建立应力与应变量、应变速率以及温度之间的内在关系模型；构建加工图以确定加工参数的最佳范围；探究Al-Cu-Li合金在热变形过程中的流变行为；高温软化机制；建立挤压参数（包括挤压率和温度）对织构、各向异性和力学性能的影响；以及热轧过程中亚晶尺寸、形态及邻近溶质的再分布问题。

对于Al-Mg-Li系合金，由于其本身具有良好的室温塑性（高达20%的变形量），往往直接采取冷轧工艺。最近，研究发现将冷轧Al-Mg-Li合金与电脉冲辅助再结晶退火（EARA）和时效（EAA）相结合，可以同时提高其强度和延展性，同时降低各向异性性能。这要归功于EARA中额外的焦耳热，可以加速空位的扩散。而扩散控制的位错攀升在高温条件下对亚晶粒的形成和生长发挥着关键作用，进而决定了冷轧Al-Mg-Li合金的再结晶率。

为了进一步提高Al-Li合金的力学性能，在热/冷变形后通常会进行适当的固溶、时效处理。热处理过程不仅改变了晶粒大小、再结晶程度和织构，而且还影响到第二相的析出。在这一点上，变形Al-Li合金的主要强化机制是沉淀强化。如何控制沉淀相的类型、数量密度、晶粒尺寸和空间分布，成为设计高强度、高韧性的Al-Li合金的关键。目前，对于Al-Li合金中的析出相包括晶体结构、形成条件和所扮演的作用等方面都有广泛的报道。其中，板状的T1相，以及三明治结构的δ′/θ′/δ′复合沉淀相起到了最重要的强化作用。根据理论计算，确定了在δ′/θ′/δ′复合沉淀内的两端δ′相的两种位相关系，即同相和反相。借鉴反相畴界的切变模式，提出了两端δ′相的相变模式。对于复杂相界面，提出了一种精确求解界面能的方法。发现，界面能的最小化与相稳定性直接相干。同时，基于相界面变形模型，发现纳米级的δ′/θ′/δ′复合相表现出良好的拉伸理想强度。而在半共格界面上存在能量更低的稳定层错结构，低能的本征层错提供了位错源，为高强、高韧Al-Li合金的设计提供新思路。

2高强Mg-Li合金的研究进展

高强铸造Mg-Li合金

高性能的铸造Mg-Li合金是变形Mg-Li合金良好力学性能的基础。然而，铸造Mg-Li合金的强度低、耐腐蚀性差、抗蠕变性弱等缺点严重限制了其应用。因此，从合金强化和晶粒细化的角度对高强度Mg-Li合金的加工技术进行了回顾，并对高强度Mg-Li合金的应用前景进行了展望，以指导新型高强度铸造镁合金的合作开发和加工。

合金化是改善铸造Mg-Li合金性能的基本方法。通过合金元素，如Al、Zn、Zr、Ag和稀土（RE），可以改变共晶化合物或结构进而提高合金的性能，从而获得不同性质的Mg-Li合金。广泛使用的铸态Mg-Li合金是镁锂铝（LA）、镁锂锌（LZ）和镁锂铝锌（LAZ）体系，其中Al和Zn是主要的合金元素。尽管Al和Zn在Mg-Li合金中具有较大的固溶度，并能产生良好的固溶强化效果，但由于在时效过程中会产生MgLi2(Al, Zn)软质相，并在低温下发生相变，导致强度下降，因此受到限制。最近，研究人员在LA、LZ和LAZ合金的基础上加入了不同的合金元素。CHANG L L等研究了添加不同含量的Y元素对Mg-4Li-3Al合金的微观结构演变和力学性能的影响。当Y含量为%时，合金具有较高的极限拉伸强度（UTS=211 MPa）和伸长率（EL=%），这主要归因于晶粒细化和固溶强化的综合作用。JI H等研究表明，当添加%的Er时，合金表现出最好的拉伸性能，极限拉伸强度（UTS）、屈服强度（YS）和分别达到223 MPa、198 MPa和%，这主要是由于加入Er后，合金的晶粒尺寸明显减小，同时形成了Mg-Zn-Er（W相）和Mg-Li-Zn相的减少。WU L B等研究了富Ce稀土（RE）和热处理对铸造的Mg-5Li-3Al-2Zn（LAZ532）合金的力学性能的影响。随着REs的加入，Al2RE/Al3RE析出相和共晶细化形成，而AlLi相减少，从而改善了合金的力学性能。其他含有RE的典型Mg-Li合金及其力学性能列于表3。

重力铸造是目前常用的铸造Mg-Li合金的方法。考虑到高活性的Mg和Li金属容易被氧化和剧烈燃烧，熔炼过程必须得到保护。有两种保护方式：覆盖剂保护和真空熔化技术。覆盖剂保护是通过阻断空气和金属液体的接触来熔化Mg-Li合金的方法。但是，覆盖剂中的氯盐在高温熔炼过程中会产生有毒气体，如Cl2。目前，真空冶炼技术主要用于熔化Mg-Li合金，先抽空空气，然后注入惰性气体。压铸是通过将熔化的镁合金液体在高速和压力下注入精密的金属模具来实现快速成形。Mg-Li合金的熔体温度为600～700 ℃，因此通常采用冷室压铸。通过调整压力，可以细化微观结构以提高强度。然而，在铸造Mg-Li合金时，金属液在模具中会产生滚动气体等现象，造成钢锭的内孔缺陷。铸造Mg-Li合金的微观结构和力学性能可以通过热处理进行优化。通常使用固溶强化和沉淀强化来产生完整的固溶体和纳米级的沉淀物。LI J Q等发现，在对铸态Mg-9Li-7Al-1Sn合金进行固溶处理后，Al-Li相完全溶解在基体中，导致布氏硬度逐渐增加。MAURYA R等发现，Mg-9Li-7Al-Sn合金在400 ℃固溶和50 ℃时效后，硬度和模量都高于铸态。

高强变形Mg-Li合金

与传统铸造Mg-Li合金相比，变形Mg-Li合金在塑性变形过程中，能够细化晶粒，并有效消除气孔等铸造缺陷，从而提高Mg-Li合金的力学性能，不同变形工艺Mg-Li合金的力学性能见表4。

热挤压和轧制是Mg-Li合金塑性变形最典型的方法。ZHOU G等对铸态在533 K的温度下以25:1的挤压比挤压，制备了高强度Mg-Li合金，其屈服强度为250 MPa，抗拉强度为324 MPa，伸长率为%。TANG Y等研究了挤压温度和热处理工艺对Mg-Li合金力学性能的影响，发现当挤压温度为573k时，合金的极限抗拉强度能够达到。PENG X等对铸态合金进行挤压，其屈服强度和抗拉强度分别由 MPa和 MPa提升到 MPa和 MPa。

Li元素固溶进镁基体中，降低了镁合金的c/a晶格轴比，使得镁合金能够在室温下轧制。WANG D等通过热处理和冷轧工艺将合金的抗拉强度从142 MPa提高到221 MPa。ZHANG S等通过在室温下轧制合金获得纳米晶，使其强度增加了150%。GUO F等设计了一种多向轧制工艺，通过细化晶粒，同时提高Mg-Li合金的抗拉强度和延展性。CAO F R等通过在300 °C下进行%的大变形热压缩并随后进行60%的冷轧，获得了高强度（299 MPa）和良好伸长率（%）的合金。MENG X R等对Mg-8Li-1Al合金进行了280 °C热挤压，随后进行200 °C的热轧工艺，通过细化晶粒和加工硬化的方法，获得了抗拉强度为 MPa的Mg-Li合金。JI Q等通过100 ℃热挤压和随后的冷轧，获得了高比强度的合金，其抗拉强度为234 MPa，屈服强度为225 MPa，伸长率为26%。KLU E E等通过室温等通道角挤压（ECAP）工艺获得了抗拉强度为206 MPa，伸长率为21%的超细晶粒（UFG’s）和高强Mg-9Li合金。

此外，通过等通道转角挤压（ECAP）、剧烈塑性变形（SPD）、高压扭转（HPT）、累积叠轧焊（ARB）和多向锻造（MDF）等超塑性变形可以进一步改善Mg-Li合金的力学性能。CHEN D X等通过ECAP对合金进行了大变形量的剪切塑性变形，获得了最大伸长率为%的Mg-Li合金。MATSUNOSHITA H等发现，挤压态Mg-8Li合金的平均晶粒尺寸可在HPT后细化至500 nm，表现出良好的超塑性，并在200 °C拉伸时，其伸长率可达到1 330%。ZHENG H P等研究了Mg-Li合金在传统两层累积叠轧焊（TARB）的4层累积叠轧焊（FARB）过程中的几何变化和数学关系，发现与铸态Mg-14Li-3Al-2Gd相比，经ARB处理的板材的屈服强度和抗拉强度显著提高。TARB6和FARB4板材的屈服强度分别为（±）MPa和（±）MPa，分别提高了%和%。MINETA T等通过热处理和MDF的组合工艺获得了兼具高强度和高塑性的合金（LA143）。

3结语

虽然微合金化、先进的制备工艺以及加工技术可以最大化的改善Al/Mg-Li合金的微观组织，减少缺陷、提升力学性能，但是微合金化的比例以及加入方式需要仔细考虑。此外，Al/Mg-Li合金由于自身熔体的特殊性，在铸造过程中不可避免地发生氧化、吸氢等问题，以及在后续加工过程中造成的应力问题，微观组织控制技术需要亟待进一步解决。为了实现高性能Al/Mg-Li合金，当前仍面临一系列挑战，未来高强度Al/Mg-Li合金的设计需要从以下几个方向全面考虑。

（1）结合相图（CALPHAD）计算优化合金元素的比例，精确控制Al/Mg-Li合金析出相的类型和含量，建立合金元素对析出相种类、分布和尺寸的影响规律。

（2）在传统Al/Mg-Li合金铸造基础上开发熔体深度净化技术，消除或减弱铸造过程中的冶金缺陷，建立铸造技术参数与缺陷之间的联系，从而提高铸造Al/Mg-Li合金的内部品质。

（3）采用有限元模拟计算方法为Al/Mg-Li合金加工技术提供参数指导，选择最佳参数的组合调控微观组织、消除加工过程中的应力，构建加工参数-微观组织-力学性能之间的关系。

【文献引用】

王俊升,薛程鹏,王硕,等.轻质金属的发展和应用:高强铝合金和镁合金[J].特种铸造及有色合金,2023,43(2):145-152.

WANG J S,XUE C P,WANG S,et and applications of lightweight metal:Highstrength Al and Mg alloys[J].Special Casting & Nonferrous Alloys,2023,43(2):145-152.

关键词：

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