银微合金化与低温T8处理对低Cu/Li比Al-Cu-Li合金的协同效应及对比研究

《Materials Science and Engineering: A》：Synergistic and comparative effects of Ag micro-alloying and cryogenic T8 on low-Cu/Li-ratio Al-Cu-Li alloys

Al-Cu-Li合金低Cu/Li比下Ag微合金化与T8低温预轧协同作用提升力学性能及组织均匀性，通过细化T1析出相、抑制晶界偏析、优化位错结构实现强度（473.6/486.4 MPa）与延展性（9.0%）协同突破，为轻量化航空材料提供新工艺路径。

　　

黄磊|戴文|姜勇|杨志豪|袁中正|孙晨浩

中南大学材料科学与工程学院，中国长沙410083

摘要

本研究探讨了银微合金化和T8低温预轧（CPR）处理对低Cu/Li比Al-Cu-Li合金力学性能和微观组织的影响。结果表明，T8-CPR处理，尤其是与银微合金化结合使用时，显著提高了沉淀物的密度并细化了微观组织，使得T₁沉淀物更加细小且分布更均匀。银在T₁/Al界面处的偏聚降低了体系能量，抑制了沉淀物的过度生长，并减轻了有害的晶界偏聚现象。这些机制共同提升了合金的力学性能，0.4Ag–T8–15% CPR处理的样品达到了最佳的强度和延展性（YS/UTS = 473.6/486.4 MPa，EL = 9.0%），优于传统的T8处理且不含银的合金。这些发现强调了通过创新的设计和加工方法来开发先进的航空航天用Al合金的重要性，以实现减重同时保持结构完整性的目标。

引言

铝锂（Al–Li）合金因其卓越的比强度和刚度以及低温韧性而受到广泛关注，使其非常适合用于火箭燃料箱和飞机蒙皮等关键轻量化应用^[1]。第三代Al–Li合金，以2195和2060系列为代表，是一类先进的轻质高强度Al合金。这些合金通过添加主要元素Cu和Li以及微量元素Mg、Ag和Zr，显著提高了强度、延展性、抗疲劳性和耐腐蚀性^{[2], [3], [4]}。2195和2060合金的主要元素组成相似，Cu含量分别为2195的3.7%至4.3%、2060的3.4%至4.5%，Li含量分别为2195的0.8%至1.2%、2060的0.6%至0.9%。这两种合金的Cu/Li比约为4，Cu含量也较高，密度为2.67-2.69 g/cm³，低于纯Al的2.7 g/cm^{3[5], [6], [7], [8]}。

第三代Al–Li合金的优异力学性能主要归功于T₁相，该相沿{111}_Al平面优先沉淀，具有很高的强化效果^[9]。然而，T₁相的形核严重依赖于异质位点[10], [11]，尤其是位错和亚晶界等高能缺陷结构^[12]。因此，T₁的有效形核对变形和热处理过程非常敏感。为了确保足够的形核密度和均匀的T₁沉淀，广泛采用了T8时效处理（固溶处理+预变形+人工时效）^{[13], [14], [15]}。经过这种处理，这些合金的极限抗拉强度（UTS）可达580-700 MPa，约为完全退火纯Al的20倍，同时保持8-12%的延展性^{[16], [17], [18], [19]}。

将Cu/Li比降低到约2时，密度降至2.65 g/cm³（如2196型合金所示^{[20], [21]}，但强度也降低了约50%，UTS降至340–480 MPa，延展性约为16%^{[22], [23], [24], [25]}。这些变化归因于三个因素：首先，Cu含量的降低削弱了固溶强化[20], [21]；其次，沉淀相发生了变化，较高的Cu/Li比促进了T₁和θ'等强化相的形成[5], [26], [27]，而较低的Cu/Li比则有利于较弱的δ'（Al₃Li）相的形成^[28]；第三，较低的Cu/Li比通过减少无沉淀区（PFZ）降低了晶界的脆性，从而提高了延展性但牺牲了强度^[29]。显然，Cu含量和Cu/Li比在平衡Al-Li合金的密度和强度方面起着关键作用^{[27], [30]}。过去几十年中，优化这些因素一直是实现Al–Li合金所需密度和力学性能的关键研究方向。

同时，最近的研究强调了微合金化元素对Al-Li合金性能的显著影响。在这些元素中，银具有明显的强化效果^[26]。尽管银的浓度较低（通常为0.3–0.5 wt%^[31]，但它会在T₁界面处强烈偏聚^{[5], [32], [33]}。此外，添加银可以改善沉淀物的分布均匀性，从而提高延展性^{[31], [33], [34]}。这些综合效应目前主要在Cu/Li比较高的第三代Al–Li合金中观察到^[16]，而在Cu/Li比较低的合金中的表现仍有待验证。

我们的最新研究进一步表明，将T8处理与低温预轧（CPR）结合使用可以显著改善不含银的2195合金的力学性能，使其强度和延展性达到与传统含银微合金化的2195合金相当的水平。低温变形促进了晶粒旋转、多方向滑移和更均匀的位错形成^[35]，从而抑制了传统热变形引起的局部损伤和软化^{[7], [36]}。这种方法还增加了T₁在晶粒内部而非晶界处沉淀的概率，从而提高了延展性并抑制了裂纹的产生。这些发现表明，通过优化的微合金化和先进的热处理技术可以进一步提高合金性能。因此，开发先进的Al-Li合金应着重利用这些综合策略的协同效应。

受这些发现的启发，我们提出探索低Cu/Li比Al–Li合金（Cu/Li=～2）的性能极限，通过评估银微合金化和T8-CPR处理对其力学性能的综合影响，这一领域目前尚未得到充分研究。我们的研究包括室温下和低温预变形（0–20%的冷轧应变）的对比研究，以阐明它们对沉淀行为、位错结构、晶界特性和力学性能的影响。我们使用X射线衍射（XRD）评估位错密度变化，电子背散射衍射（EBSD）表征晶粒和亚结构变化，透射电子显微镜（TEM）量化T₁和θ′沉淀物的大小和分布，从而建立结构与性能之间的关联。这项研究为开发在减重和结构完整性之间取得平衡的新一代航空航天材料提供了宝贵的见解和指导。

实验方法

通过在氩气氛围下的电阻炉中熔化Al-50Cu和Al-4Zr母合金与纯Li、Mg、Ag、Zn和Al，并将混合物铸造成水冷铜模中，制备了名义成分为Al-2Cu-1Li-0.4Mg-0.25Zn-0.12Zr的合金锭，其中部分合金含有0.4Ag（所有含量均为重量百分比）。实际成分通过电感耦合等离子体光学发射光谱法（ICP-OES）确定，详见表1。

合金锭通过两步工艺进行均匀化（470°C/12小时+

时效硬化响应和拉伸性能

图2展示了在不同预轧变形量和银含量下，T8-PR和T8-CPR样品的时效硬化响应的比较分析。所有样品的时效硬化曲线都遵循典型的三阶段过程：欠时效、峰值时效和过时效。值得注意的是，T8处理显著加快了时效硬化速率，相对于仅经过固溶处理和人工时效（ε = 0%）的T6样品而言。

结论

本研究全面探讨了银微合金化和T8低温预轧（T8–CPR）处理对低Cu/Li比Au–Cu–Li合金力学性能和微观组织特性的协同效应。结果表明，银微合金化和T8-CPR处理显著提高了这些合金的强度和延展性。主要发现和结论总结如下：

• 1.
  与T6和传统的T8–PR处理相比，T8–CPR处理

作者贡献声明

孙晨浩：研究工作。袁中正：验证工作。杨志豪：验证工作。戴文：监督、方法学设计。黄磊：撰写初稿、可视化处理、验证、软件应用、项目管理、方法学设计、数据分析、概念化。姜勇：撰写、审稿与编辑、监督、资源协调

未引用的参考文献

[45], [46], [47], [48], [49].

利益冲突声明

? 作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：本研究得到了中国国家重点研发计划（编号2024YFB3714001）和中国国家自然科学基金（编号52471024）的资助。我们还要感谢中南大学高性能计算中心以及西安卓峰信息科技有限公司的Gemini仿真平台提供的计算资源支持

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（编号2024YFB3714001）的资助。我们还要感谢中南大学高性能计算中心以及西安卓峰信息技术有限公司的Gemini仿真平台提供的计算资源支持。