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2023

上海交通大学吴国华教授团队：钛含量对铸造Al-2Li-2Cu-0.5Mg铝锂合金微观组织和力学性能的影响

作者：郭幼节，杨东辰，张亮，吴国华，王一笑，李沛森，任广笑，李良彬，熊训满

作者单位：上海交通大学

DOI: https://doi.org/10.1007/s41230-023-3036-z

研究背景

中国“2035远景目标”对国防和军队现代化质量提出了更高的要求，而高质量武器装备的发展则需要材料综合性能不断提升。与常用的变形铝锂合金相比，Al-Li-Cu系铸造铝锂合金具有低密度、高模量和良好的力学性能等优点，由于可以通过液态成型制备大型复杂结构部件，在海洋装备、航空航天和轨道交通等领域具有广阔的应用前景。然而，铸造Al-Li-Cu系合金中往往出现粗大的晶粒组织和严重的成分偏析现象，这严重限制了其在高端装备中大型承力部件上的进一步应用。众所周知，细小且均匀的等轴晶组织能够大幅提升合金的铸造性能。添加晶粒细化剂，具有作用快、细化效果好、适用性广、操作简单等优点，是目前铸造铝锂合金中最常用的方法。通过在熔体中添加Al-Ti-B中间合金，形成与铝基体具有良好晶格匹配的Al3Ti-TiB2复合颗粒，能够有效促进成核，进而细化晶粒组织。此外，Ti还会影响合金在时效过程中的析出动力学，可以显著降低δ՛（Al3Li）和δ՛-无沉淀带的生长速率，从而提高铸造Al-Li-Cu合金的强度和伸长率。因此，探索Ti含量对铸造Al-Li-Cu合金的微观结构和力学性能的影响具有重要意义。本文研究了Ti对铸造Al-Li-Cu合金晶粒组织的影响，探讨了不同Ti含量合金的力学性能，确定了最佳的Ti添加量和时效制度，定量分析了时效过程中第二相的析出行为。这项研究的结果将为铸造铝-锂-铜系列合金的工业成分设计提供一个值得信赖的理论方向。

内容摘要

本文研究了Ti含量对铸造Al-2Li-2Cu-0.5Mg合金微观结构演变和力学性能的影响。通过形成高密度的TiB2-Al3Ti复合颗粒作为α-Al基体的异质成核点，合金晶粒组织随着Ti含量的增加得到了显著的细化。另一方面，由于Ti原子和空位之间的结合能较高，有效限制了Li原子的扩散效率，使得δ՛相的平均直径和无沉淀带（PFZ）宽度均随着Ti含量的增加而逐渐减小，从而提高了合金的塑性。力学测试结果表明，铸造Al-2Li-2Cu-0.5Mg合金中的最佳Ti添加量为0.15wt.%，该合金在175 ℃时效32 h后的屈服强度和抗拉强度分别为352±5和423±6 MPa，延伸率为(3±0.4)%。本文结果有望为铸造Al-Li-Cu合金的工业成分设计提供可靠的理论指导。

研究方法和结果

(1) Ti含量对铸态合金晶粒组织的影响

铸态合金的晶粒组织如图1所示。随着Ti含量从0wt.%增加到0.3wt.%，晶粒直径显著减小。同时，晶粒形态也逐渐从树枝状转变为等轴状。图2所示为不同Ti含量合金的晶粒尺寸统计结果。随着Ti含量从0wt.%增加到0.3wt.%，合金平均晶粒直径从527.4 μm下降到93.8 μm。

图1 铸态合金晶粒组织：(a) 0Ti；(b) 0.025Ti；(c) 0.05Ti；(d) 0.1Ti；(e) 0.15Ti；(f) 0.3Ti

图2 不同Ti含量合金的平均晶粒尺寸统计结果

(2) Ti含量对合金力学性能的影响

图3所示为0Ti和0.15Ti合金的硬度值与时效时间的关系。合金硬度值均随时效时间延长而增大，0.15Ti合金到达硬度峰值的时间为32小时，约166.1 HV；而0Ti合金的硬度在64 h前一直增加，峰值约160.9 HV。因此，可以证实Ti加速了合金时效响应的速度，提升了时效硬化的效果。

图3 0Ti 和0.15Ti合金在175 °C等温时效期间的硬度变化

图4所示为不同Ti含量合金在175 ℃时效32 h后的力学性能，包括屈服强度(YS)、抗拉强度(UTS)和伸长率(EL)。由图可知，合金的YS、UTS和EL均随着Ti含量的增加而增加。结果表明，0.15Ti合金具有最佳的强度-塑性匹配，YS为352±5 MPa，UTS为423±6 MPa，EL为(3±0.4)%。

图4 不同Ti含量合金在175℃时效32 h后的力学性能

(3) Ti含量对δ՛（Al3Li）相和δ՛-无沉淀带的影响

图5所示为不同Ti含量合金中δ՛-无沉淀带(PFZ)的演变以及δ՛的尺寸。随着Ti含量从0增加到0.3wt.%，δ՛-PFZ的半宽从62.8 nm下降到18.7 nm，而δ՛相的平均直径从17.4 nm下降到9.8 nm，如图6(a)所示。此外，δ՛-PFZ的存在导致应变集中在晶界，对合金塑性存在负面影响。图6(b)所示为δ՛-PFZ的半宽与合金延伸率之间的关系。由图可知，δ՛-PFZ的半宽与合金延伸率之间近似呈线性关系。

图5 合金内δ՛-PFZ在175℃时效32 h后晶界处的透射暗场图像：(a) 0Ti；(b) 0.025Ti；(c) 0.05Ti；(d) 0.1Ti；(e) 0.15Ti；(f) 0.3Ti

图6 (a) 不同Ti含量合金中δ՛相平均直径和δ՛-PFZ半宽；(b) 合金δ'-PFZ半宽和相应延伸率的散点图及线性拟合结果

综上所述，通过形成高密度的TiB2-Al3Ti复合颗粒作为α-Al基体的异质成核点，合金晶粒组织随着Ti含量的增加得到了显著的细化。另一方面，由于Ti原子和空位之间的结合能较高，有效限制了Li原子的扩散效率，使得δ՛相的平均直径和无沉淀带(PFZ)宽度均随着Ti含量的增加而逐渐减小，从而提高了合金的塑性。铸造Al-2Li-2Cu-0.5Mg合金中的最佳Ti添加量为0.15wt.%，该合金在175 ℃时效32 h后的屈服强度和抗拉强度分别为352±5和423±6 MPa，延伸率为(3±0.4)%。

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吴国华教授课题组

近年来，在丁文江院士的大力支持下，吴国华教授团队一直致力于高性能铝锂合金材料的开发与研究，不断取得原创性的科研成果。研究成果在提高合金的强度、塑性和耐腐蚀性等关键性能方面具有重要意义，为航空航天领域装备的轻量化做出了重要贡献。

通讯作者简介

张亮副研究员/博导

张亮：副研究员/博导。2006年毕业于吉林大学获学士学位，2011年毕业于吉林大学获博士学位（硕博连续），2013年上海交通大学材料科学与工程学院博士后出站，同年受聘于上海交通大学；目前主要从事先进铝合金、镁合金材料及其成形技术相关研究工作；2017年获“全国铸造行业优秀青年人才奖”，2014年获上海市青年科技英才扬帆计划支持；主持包括国家自然科学基金、装备预研联合基金等科研项目10余项，作为骨干成员参与了国家重点研发计划等项目，科研成果在多个国家重大航天与航空专项中获得应用；《中国有色金属学报》、CHINA FOUNDRY、《特种铸造及有色合金》杂志青年编委，Materials & Design、Journal of Alloys and Compounds等期刊审稿人；近年来，在国内外期刊上发表SCI学术论文40余篇，授权国家发明专利10余件。

文章来源：铝高端制造

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