通过热处理调控变形储能能力，以实现Al-Cu-Li合金的高强度、高延展性以及低各向异性

《Journal of Alloys and Compounds》：Tailoring deformation storage energy through heat treatment for high strength-ductility and low anisotropy in an Al-Cu-Li alloy

本文系统研究480-540℃溶液温度对rolled Al-3.5Cu-1Li合金微结构演变及力学性能的影响，发现低温（480℃）保留高位错密度促进T1相析出，强度达593-625MPa但存在强织构及显著各向异性；高温（540℃）实现完全静态再结晶，但析出相密度降低导致强度下降。最优温度520℃平衡了90%再结晶率、显著弱化织构及保持足够缺陷驱动T1析出，最终获得高强度（593/625 MPa）、低各向异性（YS:5.4%, EL:6.2%）的协同性能。揭示了"调控储能释放"机制，为高性能各向同性Al-Cu-Li合金板材开发提供理论指导。

　　

曾晓鹏|吴国华|童欣|张亮|熊迅满|李亮斌

上海交通大学材料科学与工程学院，国家轻合金网成形工程技术研究中心暨金属基复合材料国家重点实验室，上海200240，中国

摘要

本研究系统地探讨了溶解温度（480~540 °C）对轧制Al-3.5Cu-1Li合金微观结构演变和力学性能的影响。研究了轧制过程中产生的沉淀物的溶解过程、静态再结晶（SRX）行为、织构形成以及随后T₁（Al₂CuLi）相的时效沉淀过程。结果表明，较低的溶解温度（480 °C）能够保持较高的位错密度，从而促进T₁沉淀物的形成并提高合金的强度（屈服强度YS为598-692 MPa）。然而，这种温度条件会导致SRX不完全，形成强烈的黄铜织构，并导致明显的力学各向异性（YS各向异性约16%，EL各向异性约40%）。相反，较高的温度（540 °C）虽然能够实现接近完全的SRX和随机织构，但会过度消耗变形储能，导致T₁沉淀物密度和强度显著降低（YS为510-533 MPa）。最佳的溶解处理温度为520 °C，在此温度下，SRX几乎完全进行，织构显著减弱，晶粒得到细化，同时保留了足够的缺陷以促进有效的T₁沉淀。最终时效处理后的合金（520 °C/2 h + 175 °C/24 h）表现出优异的强度（YS_RD/TD = 593/625 MPa）、延展性（EL_RD/TD = 13.8/13.0%）和低各向异性（YS各向异性 = 5.4%，EL各向异性 = 6.2%）。本研究阐明了溶解处理过程中“调节储能释放”的机制，为制备高性能、各向同性的Al-Cu-Li合金板材提供了关键指导。

引言

Al-Cu-Li合金因其低密度、高比强度和刚性而在航空航天工业中具有重要地位[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。对于飞机蒙皮和运载火箭燃料箱等承受载荷的关键部件，由于这些部件通常由厚板直接加工而成，因此实现高强度与低面内各向异性的结合对于结构完整性和安全性至关重要[6]、[7]、[8]、[9]、[10]。然而，轧制过程中不可避免的严重单向变形会导致强烈的变形织构和拉长晶粒结构，从而产生显著的各向异性力学性能[11]、[12]、[13]、[14]、[15]。这种各向异性是Al-Cu-Li合金广泛应用的主要障碍[16]。

以往的研究策略，包括微合金化和优化轧制参数（如热轧/冷轧比例），已被证明可以有效调节再结晶和织构，从而减轻各向异性[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]。然而，变形后的热处理顺序，特别是溶解处理，是决定合金最终微观结构和性能的关键步骤[24]、[25]、[26]、[27]、[28]。除了其传统的溶解可溶性相以形成过饱和固溶体的作用外，溶解处理还显著影响变形基体的静态再结晶（SRX）行为[29]、[30]、[31]、[32]。SRX过程直接决定了最终的晶粒形态、织构成分以及晶体缺陷（如位错）的状态，这些因素共同控制着后续时效沉淀的动力学和特性[33]、[34]、[35]、[36]、[37]。

选择合适的溶解温度需要权衡多个因素。温度过低会导致再结晶不完全，变形织构难以消除，溶质溶解不足，从而影响各向同性和时效硬化潜力。相反，温度过高虽然可以促进完全再结晶和织构随机化，但可能导致晶粒过度生长、变形储能耗尽，甚至引发熔化，这些都会对合金强度产生不利影响。

因此，本研究的核心科学目标是确定一个最佳的溶解处理窗口，使“足够的再结晶以优化织构”与“足够的储能以促进高效沉淀”之间达到平衡。本研究以通过优化轧制工艺制备的Al-3.5Cu-1Li合金板材为例，系统地考察了溶解温度（480、500、520和540 °C）对以下方面的影响：（1）轧制过程中产生的沉淀物的溶解；（2）SRX动力学和晶粒结构演变；（3）宏观织构变化；（4）T₁相的时效沉淀行为。通过全面的微观结构表征和力学测试，我们旨在建立完整的“工艺-微观结构-性能”关联，为开发低各向异性的高性能Al-Li合金板材提供理论和实践指导。

材料与实验方法

实验材料为Al-3.5Cu-1Li-0.4Mn-0.5Ag-0.4Mg-0.1Zr（重量百分比）合金。合金锭在氩气保护下采用永久模具铸造法制备，随后进行两阶段均匀化处理。均匀化的合金锭经过热轧（HR，约450 °C）和冷轧（CR，室温）联合处理，热轧与冷轧的变形比为1:2，最终得到厚度为2 mm的板材（总变形量约为85.7%）。

轧制后的板材在四个不同的温度下进行了溶解处理

轧制沉淀物溶解行为的影响

原始轧制态的合金中，细小和粗大的第二相颗粒分布不均匀（图1a）。EDS分析表明这些颗粒主要为Al-Cu相和Al-Cu-Fe(-Mn)相。这些颗粒的溶解行为严重依赖于溶解温度（图2）。在480 °C下处理（ST480）后，无论颗粒大小如何，大部分颗粒仍未溶解（图2a）。在500 °C下处理（ST500）后，直径小于约1 μm的颗粒溶解到了基体中

轧制Al-Cu-Li合金在热处理过程中的微观结构演变

固溶热处理过程中的微观结构演变受到多种热激活过程（包括回复、再结晶、晶粒生长和第二相溶解）的竞争影响。这一动态过程涉及多个耦合和竞争的机制。其核心矛盾在于通过再结晶释放变形储能与优化织构之间的平衡，以及溶质和缺陷状态的保持

结论

本研究系统地研究了热处理策略对轧制Al-3.5Cu-1Li合金微观结构演变、时效沉淀行为和最终力学性能各向异性的影响及其背后的机制。可以得出以下结论：

（1）将温度从480 °C升高到540 °C可以增强第二相颗粒的溶解，这一过程具有尺寸选择性。同时，静态再结晶的程度也有所增加

作者贡献声明

曾晓鹏：撰写初稿、方法设计、数据整理。张亮：实验研究。熊迅满：实验研究。吴国华：项目监督与管理。童欣：撰写、审稿与编辑、概念构思。李亮斌：资源获取与资金申请。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号51871148）的资助。

数据获取

数据可应要求提供。