通过调整T1相形态，在定制的热处理工艺中实现X2A66铝锂合金的强度-延展性协同效应

X2A66铝合金通过单次时效、双次时效及回火重时效处理优化了强度与延展性协同，双次时效（195°C/6h + 165°C/12h）使屈服强度553MPa、抗拉强度586MPa、延伸率9.3%达到最佳平衡。TEM与HAADF-STEM分析揭示了T1相尺寸、形态演变及与位错交互作用机制，证实双路径溶质扩散调控T1相生长是协同强韧化的关键。

　　

刘子龙|张俊元|闫思良|薛克敏|李萍|苗萌

材料科学与工程学院，高性能铜合金材料与加工工程研究中心，教育部，合肥工业大学，中国安徽省合肥市屯西路193号，230009

摘要

在以铝锂合金为代表的轻金属的成分-结构-工艺设计中，协调提高强度和延展性是一个永恒的追求。为此，研究了时效温度和时效时间对X2A66铝锂合金沉淀行为的影响，包括单时效、双时效以及回火再时效（RRA）处理。通过透射电子显微镜（TEM）观察进一步探讨了沉淀物的类型、形态、尺寸分布及其与位错的相互作用，从而揭示了它们对合金强度和延展性的影响。主要研究结果如下：合金的硬度随时效温度的升高和时效时间的缩短而增加。经过195°C/6小时的双时效处理后，再在165°C/12小时进行再时效处理，获得了最佳的强度-延展性组合（屈服强度为553 MPa，抗拉强度为586 MPa，延伸率为9.3%）。为了揭示其强化机制，分析了合金在不同峰值时效状态下的晶内和晶间沉淀行为，并结合T₁相的纵横比和形态硬化效应，对结构-性能关系进行了定量分析。结果表明，通过时效处理过程中对T₁相两种溶质扩散途径的顺序控制，实现了强度和延展性的协同提升。在较低时效温度下，T₁相的尖端优先延伸；而在195°C的高时效温度下，溶质向T₁相的尖端和层状表面扩散，导致基于新形成的单层Al-Cu原子的T₁相既延伸又增厚。部分位错的相对滑动导致Al基体的堆垛方式从ABCABCABCABC变为ABCABABABCAB，从而形成了五原子层的HCP堆垛结构的T₁相。

引言

铝锂合金以其高比强度、比刚度、机械强度和优异的耐腐蚀性而著称，使其成为轻量化航空航天结构部件的理想材料[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。例如，这些合金已成功应用于飞机机翼梁、蒙皮面板和燃料箱[6]、[7]。特别是新型铝锂合金X2A66，它是在AECC北京航空材料研究所基于2A97铝锂合金的成功经验基础上开发的，旨在实现新的集成面板制造技术。该合金具有第四代铝锂合金的典型特征，如适当的密度降低、强度和韧性平衡更好、优异的损伤容忍度和抗疲劳性、低各向异性以及良好的成形性，使其适合制造飞机集成面板。然而，随着航空航天部件使用条件的日益苛刻，提高这些合金的强度和延展性对于满足严格的服务要求至关重要[8]。先前的研究表明，热处理是强化铝锂合金的主要方法之一[9]、[10]，尤其是时效处理，可以有效控制沉淀物的类型、尺寸分布和形核位点[11]、[14]。大量研究致力于优化热处理参数，以平衡铝锂合金的强度和延展性[15]、[16]、[17]、[18]、[19]。张等人[20]研究了2195合金在170°C单时效过程中的微观结构演变和力学性能变化，发现T₁相和θ'相随着时效时间的延长逐渐形成和生长。在峰值时效状态下获得了最大强度，而晶界（GB）沉淀物和无沉淀区（PFZ）尺寸的增加在过时效阶段进一步降低了延展性。谢等人[21]探讨了时效温度对铝锂合金微观结构和力学性能的影响，发现提高时效温度通过加速时效动力学促进了T₁相的生长。然而，较大的T₁相在塑性变形过程中增加了应力集中，导致晶间脆性断裂。吴等人[11]对Al-Cu-Li合金在各种单时效温度下的沉淀行为和力学性能进行了全面研究，发现δ'相的溶解临界直径随时效温度的升高而增大，δ'相的溶解导致强度降低。陶等人[22]研究了不同时效温度下固溶态Al-Cu-Li合金的沉淀行为，发现随着时效温度的升高，GP区转变为T₁相，导致强度逐渐增加而延展性降低。此外，低温预时效处理显著促进了T₁相在后续第二阶段时效中的形核和生长，从而提高了强度[23]。尽管双时效也增加了晶内沉淀物的密度、尺寸和均匀性，但晶内和晶间区域的沉淀强化效应差异加剧，增加了晶间断裂的风险并牺牲了延展性[21]。林等人[24]比较了Al-2.58Cu-1.64Li-X合金在单时效和双时效下的微观结构和性能，发现双时效增强了更细小、更密集的δ'相和T₁相的晶内沉淀，而单时效时晶间沉淀物从连续分布变为不连续分布，从而实现了强度和延展性的最佳组合。此外，研究表明，时效前的预变形是另一种重要的强化方法，因为预变形增强了位错增殖和应变硬化效应，并为后续时效提供了额外的T₁相形核位点[18]、[21]、[25]、[26]。

尽管预变形能有效强化铝锂合金，但不可避免地会降低其延展性[27]。为了解决这些问题，研究人员开发了一种新的热机械处理技术，在变形前引入预时效[28]、[29]、[30]、[31]。这种方法改变了沉淀物和溶质原子的分布，从而在后续再时效过程中控制微观结构的演变。因此，这种工艺实现了与T6处理状态相当的强度，并保持了良好的延展性[28]、[29]。除了传统的时效处理外，还开发了更复杂的方法，如中断时效[32]以及固溶处理与后续时效的结合[17]，这些方法通过优化时效温度和时长来调节晶内和晶间沉淀物的密度和分布，以实现高强度和延展性。为了确定Al-Cu-Li合金的微观结构与工艺之间的关系，研究热处理路径对不同相的沉淀顺序和演变规律的影响至关重要。关键在于通过适当控制T₁相的尺寸、形态和分布，平衡强度增强和延展性降低，这需要通过比较时效研究来阐明不同热处理条件下T₁相的定量形核和生长规律及其相应的强化效应。

已进行了大量关于铝锂合金强化机制的研究，特别是沉淀强化机制。最近的研究表明，在低温时效过程中T₁相的厚度保持稳定，T₁相与位错的相互作用主要通过切割机制发生[33]、[34]、[35]。Rodgers[7]提出了一个仅考虑切割机制的强化模型，并成功量化了预拉伸AA2195合金中T₁相的强化效应。然而，Dorin等人[33]、[36]、[37]提出，当T₁相的厚度足够大时，这种相互作用机制从切割转变为绕过机制。基于这一理解，建立了一个新的强化模型，结合了界面和堆垛缺陷强化，准确预测了时效过程中的屈服强度演变。王等人[38]进一步评估了不同时效阶段T₁相的强化贡献。此外，θ'相的强化效应也被证明是显著的。曾等人[26]发现θ'相主要通过绕过机制与位错相互作用，并修改了强化模型以精确预测θ'相和T₁相的联合强化效应。然而，关于沉淀物的具体尺寸参数（如厚度和直径）与其在不同时效方案下的相应形态强化效应之间的关系研究仍然有限。

本研究探讨了时效温度和时效模式（包括单时效、双时效以及回火再时效（RRA）处理）对X2A66铝锂合金微观结构演变和力学性能的影响。建立了不同时效条件下的硬化曲线，并进行了室温拉伸试验，以比较和评估各种时效处理后峰值时效合金的力学性能。此外，还对峰值时效合金进行了TEM表征，以研究不同条件下的沉淀物演变和时效过程中的强化机制。同时，进行了HAADF-STEM分析，以观察T₁相的结构特征，阐明其形核、生长和粗化机制。

材料描述

原始材料

实验材料是由AECC北京航空材料研究所开发的X2A66铝锂合金，提供为厚度为85 mm、宽度为400 mm、长度为800 mm的轧制板材。该合金的主要成分是Al、Cu和Li，还含有少量的Zr、Mn和Mg，原始板材处于完全退火状态。详细成分见表1。

热处理与表征

用于热处理和拉伸试验的试样是从...

硬化曲线与拉伸性能

图3(a)展示了单时效过程中的硬化曲线。AA + R的硬化曲线首先在165°C/32小时进行预时效，然后进行预设时间的回火处理，之后测量高温回火处理后试样的硬度值。AA + RRA基于上述步骤，在相同条件下对试样进行额外的再时效处理，以获得硬度值。

沉淀形核机制

Smaalen等人[42]提出，T₁相由五层原子层组成，中间是一层Al-Li层，两侧各有一层Al-Cu层，最外层也是Al-Li层。在本研究中，使用高角度环形暗场（HAADF）技术表征了时效过程中沉淀的单层T₁相，如图10所示。图10(a)放大图中的红色箭头所指的原子层对比度最低，表明...

结论

本文通过定制的热处理实验、拉伸试验、显微硬度测试和基于STEM的微观结构表征，研究了不同热处理过程中X2A66铝锂合金在基体中和靠近晶界的沉淀行为及相关机制。借助HAADF-STEM分析，定量分析了T₁相和θ’相的尺寸分布和结构转变规律。此外，还研究了...

未引用参考文献

[12], [13]

CRediT作者贡献声明

苗萌：监督、资金获取。李萍：验证、研究。张俊元：撰写——初稿、验证、概念化。刘子龙：撰写——审稿与编辑、可视化、方法学、数据管理。薛克敏：可视化、形式分析。闫思良：资源获取、项目管理、研究、资金获取、形式分析。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（项目编号52375330、U24B2054、52375329）、机械系统与振动国家重点实验室研究项目（项目编号MSV202520）以及中央高校基本科研业务费（项目编号PA2025GDGP0025）的财政支持。

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