Cu，Li含量對(duì)新型超高強(qiáng)鋁鋰合金力學(xué)性能及微觀組織的影響*

潘 波,李 睿,李勁風(fēng)，陳永來，張緒虎，鄭子樵

1.中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 長(zhǎng)沙 湖南410083；2. 航天材料及工藝研究所，北京100076

Cu，Li含量對(duì)新型超高強(qiáng)鋁鋰合金力學(xué)性能及微觀組織的影響*

潘 波1,李 睿1,李勁風(fēng)1，陳永來2，張緒虎2，鄭子樵1

1.中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 長(zhǎng)沙 湖南410083；2. 航天材料及工藝研究所，北京100076

利用力學(xué)性能測(cè)試和TEM分析測(cè)試手段，計(jì)算出鋁鋰合金Al-(3.6%～4.15%)Cu-(1.1%～1.4%)Li中非固溶Cu，Li原子摩爾分?jǐn)?shù)總和及Cu/Li原子摩爾分?jǐn)?shù)比，分析了強(qiáng)度和微觀組織之間的影響機(jī)理.結(jié)果表明，合金中的主要時(shí)效強(qiáng)化相為大量T1相(Al2CuLi)和少量θ′相(Al2Cu)，Li含量較高的合金可能析出的極少量δ′相(Al3Li).在上述成分范圍內(nèi)，隨Cu含量或Li含量增加，合金強(qiáng)度提高，且Li含量的增加幅度不同，對(duì)合金強(qiáng)度的提高幅度存在明顯的差異.非固溶Cu，Li原子摩爾分?jǐn)?shù)總和及其比例共同作用，通過影響析出相總量、類型及各析出相分?jǐn)?shù)決定合金強(qiáng)度.要獲得鋁鋰合金的超高強(qiáng)度，在提高Cu,Li原子摩爾分?jǐn)?shù)總和的同時(shí)，還要提高其比例.

鋁鋰合金；時(shí)效強(qiáng)化相；強(qiáng)度；微觀組織；Cu/Li原子摩爾分?jǐn)?shù)比

鋁鋰合金具有密度低、彈性模量高以及良好的強(qiáng)度剛度等特點(diǎn)，同時(shí)還具有疲勞裂紋擴(kuò)展速率低和高低溫性能好等優(yōu)點(diǎn)[1]，在航天航空領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景.自90年代以來，鋁鋰合金的研發(fā)進(jìn)入大發(fā)展時(shí)期，并在航天航空結(jié)構(gòu)件上獲得大范圍應(yīng)用[2-3].進(jìn)入21世紀(jì)后，歐美俄不斷通過調(diào)整鋁鋰合金的主成分Cu,Li及添加微合金化元素，開發(fā)新型鋁鋰合金，以提高其性能，其中一個(gè)重要方向是進(jìn)一步提高鋁鋰合金強(qiáng)度[4].

在鋁鋰合金中添加微量元素可對(duì)第二相的析出產(chǎn)生影響，從而有利于提高合金的力學(xué)性能[5].例如，Al-Cu-Li系合金中單獨(dú)或聯(lián)合添加Mg，Zn，Ag等微合金化元素，可以促進(jìn)合金T1相的析出，提高合金的強(qiáng)度[6-7].添加Ag，Mg合金元素時(shí)，在時(shí)效初期會(huì)形成Mg-Ag-cluster[8]，能促進(jìn)強(qiáng)化相的析出，并且有利于沉淀相的均勻分布，同時(shí)添加Ag，Mg也會(huì)提高GP區(qū)的密度[9].正是由于Ag，Mg的復(fù)合微合金化在鋁鋰合金中的作用[10]，Alcoa在Cu/Li質(zhì)量比高的鋁鋰合金中添加微量元素Ag和Mg，開發(fā)出高強(qiáng)2195鋁鋰合金.Alcoa還在Mg，Ag復(fù)合微合金化的基礎(chǔ)上開發(fā)出2096、2098和2198等系列鋁鋰合金.基于Mg，Zn微合金化作用的合金有2099、2199及具有國內(nèi)獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的2A97等鋁鋰合金.研究表明，Mg，Ag，Zn三種微合金元素同時(shí)添加的效果強(qiáng)于三種元素的單獨(dú)添加[11].

目前，國內(nèi)外研究的目標(biāo)之一仍是進(jìn)一步提高鋁鋰合金的強(qiáng)度，力求開發(fā)超高強(qiáng)鋁鋰合金產(chǎn)品[12].Cu為鋁鋰合金中的主要強(qiáng)化元素，在Al-Cu-Li合金中添加過量的Cu時(shí)，會(huì)形成中間相導(dǎo)致合金的韌性下降并增大合金密度[2]，而當(dāng)Cu含量過低時(shí)則不能減弱局部應(yīng)變.Cu，Li合金元素是Al-Cu-Li系鋁鋰合金中θ′相(Al2Cu)、T1相(Al2CuLi)和δ′相(Al3Li)等強(qiáng)化相的構(gòu)成元素，合金中Cu，Li含量及Cu/Li原子摩爾比是影響鋁鋰合金時(shí)效強(qiáng)化相總量及各析出相體積分?jǐn)?shù)的主要因素[13].

為開發(fā)新型超高強(qiáng)鋁鋰合金，在課題組前期Mg，Ag，Zn微合金化研究的基礎(chǔ)上[11]，本文探討了Cu，Li含量對(duì)Mg，Ag，Zn復(fù)合微合金化鋁鋰合金強(qiáng)度及微觀組織的影響.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試樣制備

設(shè)計(jì)了5種成分的超高強(qiáng)鋁鋰合金，其中主成分Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.6%～4.2%、Li 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.1%～1.4%，其他微合金元素分別為0.4%Mg，0.4%Ag，0.4%Zn，0.3%Mn，0.1%Ti和0.1%Zr.由于熔煉過程中的不確定因素，實(shí)際成分與設(shè)計(jì)成分稍有偏差，但仍處于可研究范圍之內(nèi).所制備的5個(gè)超高強(qiáng)鋁鋰合金試樣中Cu，Li含量列于表1.鑄錠經(jīng)均勻化、熱軋、中間退火后，冷軋至2 mm厚的薄板.樣品固溶后分別進(jìn)行T8和T6時(shí)效處理，T8時(shí)效處理為固溶后先進(jìn)行6%的冷軋預(yù)變形，而后于160 ℃進(jìn)行人工時(shí)效；T6時(shí)效為固溶處理后直接于175 ℃下進(jìn)行人工時(shí)效.

表1鋁鋰合金試樣的Cu，Li含量

Table 1 Measured Cu and Li contents of the experimental Al-Li alloys

樣品編號(hào)w(Cu)/%w(Li)/%m(Cu)/m(Li)1號(hào)3．631．063．422號(hào)3．81．13．453號(hào)4．161．13．784號(hào)3．81．183．225號(hào)4．151．42．94

1.2 性能測(cè)試

采用MTS 858試驗(yàn)機(jī)對(duì)時(shí)效態(tài)合金的室溫拉伸性能進(jìn)行測(cè)試，拉伸速率為2 mm/min.之后選擇各合金的峰時(shí)效抗拉強(qiáng)度進(jìn)行分析.將試樣減薄磨至0.1～0.08 mm后，制成電鏡觀察樣品，然后采用Tecnai G220型透射電子顯微鏡(TEM)觀察峰時(shí)效態(tài)樣品的微觀組織.

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 力學(xué)性能

2.1.1 Cu含量對(duì)合金力學(xué)性能的影響

由表1可知，1號(hào)(3.63%Cu-1.06%Li)、2號(hào)(3.8%Cu-1.1%Li)和3號(hào)(4.16%Cu-1.1%Li)合金試樣中Li含量基本一致，只是Cu含量有變化.對(duì)1，2，3號(hào)試樣分別進(jìn)行T6和T8時(shí)效處理，所測(cè)的合金峰時(shí)效抗拉強(qiáng)度列于表2.

表2 Cu含量及時(shí)效處理對(duì)峰時(shí)效抗拉強(qiáng)度的影響

Table 2 T6 and T8 peak-aging tensile strength of 1.1%Li containing alloys with different Cu contents

時(shí)效處理樣品編號(hào)w(Cu)/%w(Li)/%抗拉強(qiáng)度/MPaT61號(hào)3．631．065502號(hào)3．81．15653號(hào)4．161．1592T81號(hào)3．631．065702號(hào)3．81．15853號(hào)4．161．1613

由表2可知，隨Cu含量增加，合金峰時(shí)效強(qiáng)度提高.Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)由3.63%增加到3.8%，合金T6峰時(shí)效抗拉強(qiáng)度增加15 MPa；Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加至4.16%，合金T6峰時(shí)效抗拉強(qiáng)度進(jìn)一步增加27 MPa，強(qiáng)度顯著提高.進(jìn)行T8時(shí)效時(shí)，Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)由3.63%增加至3.8%，合金峰時(shí)效抗拉強(qiáng)度增加15 MPa；Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加至4.16%，合金峰時(shí)效抗拉強(qiáng)度增加28 MPa.試驗(yàn)還表明，進(jìn)行T8時(shí)效處理時(shí)，合金峰時(shí)效強(qiáng)度都高于T6.

2.1.2 Li含量對(duì)合金力學(xué)性能的影響

為方便分析Li含量對(duì)合金強(qiáng)度的影響，現(xiàn)將合金按Cu含量分為兩組.一組為Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.8%，Li質(zhì)量分?jǐn)?shù)從1.1%(2號(hào))增至1.18%(4號(hào))；另一組Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為4.15%，Li質(zhì)量分?jǐn)?shù)從1.1%(3號(hào))增至1.4%(5號(hào)).兩組合金分別進(jìn)行T6和T8處理時(shí)的峰時(shí)效抗拉強(qiáng)度列于表3.

表3 Li含量及時(shí)效處理對(duì)峰時(shí)效抗拉強(qiáng)度的影響Table 3 T6 and T8 peak aging tensile strength of 3.8% Cu and 4.15% Cu containing alloys with different Li contents

續(xù)表3

由表3可知，Cu含量基本保持不變時(shí)，隨Li含量增加，合金強(qiáng)度提高.當(dāng)Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.8%時(shí)，Li質(zhì)量分?jǐn)?shù)由1.1%增至1.18%，T6峰時(shí)效抗拉強(qiáng)度提高30 MP，T8峰時(shí)效抗拉強(qiáng)度提高34 MP.當(dāng)Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.15%時(shí)，Li質(zhì)量分?jǐn)?shù)由1.1%增至1.4%，T6峰時(shí)效抗拉強(qiáng)度提高8 MPa，T8峰時(shí)效抗拉強(qiáng)度提高15 MPa.同時(shí)，還發(fā)現(xiàn)Li含量增加幅度不同，合金強(qiáng)度提高的幅度有明顯的差異.

2.2 微觀組織

在進(jìn)行TEM觀察時(shí)， Li質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.1%而Cu含量不同的合金，即1，2，3號(hào)合金試樣的SAED譜(選區(qū)衍射譜，圖略)均只觀察到T1相及θ′相斑點(diǎn)，未觀察到鋁鋰合金中另外一種較為常見析出相δ′相斑點(diǎn).圖1為1，2，3號(hào)合金試樣的T8峰時(shí)效TEM暗場(chǎng)像.由圖1可知，當(dāng)Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)由3.63%(圖1(a),(b))增加至3.8%(圖1(c)，(d))時(shí)，T1相和θ′相的數(shù)量均明顯增加；當(dāng)Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)由3.8%繼續(xù)增至4.16%(圖1(e)，(f))時(shí)，T1相的數(shù)量增加，而θ′相的數(shù)量略有減少.說明Cu含量的變化會(huì)導(dǎo)致合金中T1相和θ′相數(shù)量產(chǎn)生較明顯的變化.

圖1 Li含量為1.1%時(shí)不同Cu含量合金T8峰時(shí)效的TEM暗場(chǎng)像(a)1號(hào)合金，20 h，T1相，b=<112>；(b)1號(hào)合金，20 h，θ′相，b=<100>；(c)2號(hào)合金，16 h，T1相，b=<112>；(d)2號(hào)合金，16 h，θ′相，b=<100>；(e)3號(hào)合金，8 h，T1相，b=<112>；(f)3號(hào)合金，8 h，θ′相，b=<100>Fig.1 TEM dark field images of T8 peak-aged 1.1% Li containing alloys with different Cu concentration(a) No.1 alloy, 20 h, T1 precipitate, b=<112>; (b) No.1 alloy, 20 h, θ′ precipitate, b=<100>;(c) No.2 alloy, 16 h, T1 precipitate, b=<112>; (d) No.2 alloy, 16 h, θ′ precipitate, b=<100>;(e) No.3 alloy, 8 h, T1 precipitate, b=<112>; (f) No.3 alloy, 8 h, θ′ precipitate, b=<100>

圖2為4號(hào)合金T8峰時(shí)效的TEM暗場(chǎng)像.圖2顯示，主要析出相為T1相和θ′相，未發(fā)現(xiàn)δ′相.與2號(hào)樣品相比，4號(hào)樣品的T1相數(shù)量明顯增多(圖2(a))，而θ′相數(shù)量變化不明顯(圖2(b)).

與3號(hào)合金不同，5號(hào)合金T8峰時(shí)效SAED譜(圖略)既存在T1相與θ′相斑點(diǎn)，也存在較弱的δ′相斑點(diǎn).沿<112>及<100>方向入射的TEM中心暗場(chǎng)像如圖3所示.由圖2，3可知，與3號(hào)合金相比，5號(hào)合金中T1相數(shù)量略有增加，θ′相變化不明顯，但5號(hào)合金出現(xiàn)明顯的δ′相(圖3(b)).

TEM觀察表明， Cu，Li含量在試驗(yàn)范圍內(nèi)即Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.6%～4.2%、Li質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.1%～1.4%的合金峰時(shí)效的主要析出強(qiáng)化相是T1相及少量θ′相；當(dāng)Li質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，為1.4%時(shí)，合金峰時(shí)效在析出大量T1相和少量θ′相的同時(shí)，還析出極少量δ′相.

為定量描述Cu，Li含量變化對(duì)合金峰時(shí)效析出相的影響，采用photoshop軟件對(duì)上述暗場(chǎng)像照片中的各析出相進(jìn)行逐一統(tǒng)計(jì).統(tǒng)計(jì)時(shí)一般選取三張照片，計(jì)算相應(yīng)析出相的平均數(shù)密度，結(jié)果列于表4.

圖3 5號(hào)合金T8峰時(shí)效的TEM暗場(chǎng)像 (a)5號(hào)合金，12 h，T1相，b=<112>；(b)5號(hào)合金，12 h，θ′相,δ′相，b=<100>Fig.3 TEM dark field images of T8 peak-aged alloy(No.5) containning 4.15%Cu and 1.4%Li(a) No.5 alloy, 12 h, T1 precipitate, b=<112>; (b) No.5 alloy, 12 h, θ′ precipitate,δ′ precipitate, b=<100>

表4T1相、θ′相和δ′相的數(shù)密度及相應(yīng)T8峰值強(qiáng)度

Table 4 The number density of T1, θ′ andδ′ precipitates in the T8 peak-aged alloy and corresponding tensile strength

樣品編號(hào)T1相/μm2θ′相/μm2δ′相/μm2σb/MPa1號(hào)264．0010．9905702號(hào)311．0547．6105853號(hào)358．0028．0006134號(hào)444．4436．5506195號(hào)376．6534．4016．21628

2.3 分析與討論

上述研究表明，主合金元素Cu和Li含量的變化對(duì)合金強(qiáng)度的影響很大.但采用表1所示的Cu，Li質(zhì)量分?jǐn)?shù)的差異較難分析合金強(qiáng)度的變化，特別是2號(hào)和4號(hào)以及3號(hào)和5號(hào)之間強(qiáng)度的變化.而用原子摩爾分?jǐn)?shù)分析Cu，Li含量對(duì)合金峰時(shí)效抗拉強(qiáng)度的影響十分有效.峰時(shí)效鋁鋰合金中，Cu，Li原子有兩種存在形式，即固溶原子和非固溶原子.非固溶原子指時(shí)效析出相中的組成原子，本研究中主要指T1相、θ′相及δ′相中的Cu，Li原子；而固溶原子指時(shí)效后仍然固溶在Al基體中的Cu，Li原子.通常情況下，合金元素Cu，Li，Mg，Ag，Zn等在Al基體中的固溶度會(huì)互相影響，或?qū)е翪u或Li原子的固溶度降低.為簡(jiǎn)化分析，本文在此假設(shè)160 ℃(時(shí)效溫度)時(shí)， Cu和Li在該鋁鋰合金中固溶度約為Al-Cu系和Al-Li系二元相圖中固溶度的60%.根據(jù)Al-Cu系和Al-Li系二元相圖，160 ℃時(shí)Cu和Li在純Al中的固溶度分別約為0.1%和0.5%[14].將表1中的合金元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)化為原子摩爾分?jǐn)?shù)，再計(jì)算相應(yīng)的非固溶Cu，Li原子摩爾分?jǐn)?shù)總和及相應(yīng)原子摩爾分?jǐn)?shù)比，結(jié)果列于表5.為便于分析，合金的T8峰時(shí)效抗拉強(qiáng)度也列于表5.

由表4和表5可知：(1)對(duì)于1號(hào)和2號(hào)合金，其Cu/Li原子摩爾分?jǐn)?shù)比為0.52，非固溶原子摩爾分?jǐn)?shù)總和由4.49%提高至4.72%，則T1相數(shù)密度由264 個(gè)/μm2提高到311.5 個(gè)/μm2.說明當(dāng)Cu/Li原子摩爾分?jǐn)?shù)比相近時(shí)，隨非固溶原子摩爾分?jǐn)?shù)總和增加，T1相數(shù)密度也隨之增加.(2)對(duì)于3號(hào)與2號(hào)合金，非固溶Cu，Li原子摩爾分?jǐn)?shù)總和及其比例同時(shí)增加，則T1相數(shù)密度有較大幅度的增加.說明如果非固溶原子摩爾分?jǐn)?shù)總和及比例增加，則T1相數(shù)密度增加.(3)2號(hào)與4號(hào)合金相比，4號(hào)合金的非固溶Cu，Li原子摩爾分?jǐn)?shù)總和高，原子摩爾分?jǐn)?shù)比低，但T1相數(shù)密度仍增加較多.3號(hào)與5號(hào)合金相比，5號(hào)合金的Cu，Li原子摩爾分?jǐn)?shù)總和高，但其摩爾分?jǐn)?shù)比較低，導(dǎo)致T1相數(shù)密度不高，但析出δ′相.這說明非固溶Cu，Li原子的摩爾分?jǐn)?shù)總和及其摩爾分?jǐn)?shù)比共同決定合金中析出相的類型及組成.

表5非固溶Cu與Li原子摩爾分?jǐn)?shù)總和、原子摩爾分?jǐn)?shù)比例及T8峰時(shí)效抗拉強(qiáng)度

Table 5 Calculated total non-solution atomic mole fraction of Cu and Li, their ratio and corresponding tensile strength of T8 peak aging

樣品編號(hào)x(Cu+Li)/%n(Cu)/n(Li)σb/MPa1號(hào)4．490．525702號(hào)4．720．525853號(hào)4．890．576134號(hào)5．020．476195號(hào)5．990．41628

在非固溶Cu和Li原子形成的T1相、θ′相和δ′相中，T1相呈片狀，為六方晶體結(jié)構(gòu)(HCP)，與基體位向關(guān)系為{0001}T1 // {111}Al、<1010>T1 // <110>Al[15-16]，T1相對(duì){111}Al面位錯(cuò)滑移具有強(qiáng)烈的阻礙作用[17].與θ′相和δ′相相比，T1相的強(qiáng)化效果最大.非固溶Cu，Li原子摩爾分?jǐn)?shù)總和及其比例是通過影響析出相總量、類型及各析出相分?jǐn)?shù)，來影響合金的強(qiáng)度.與Li質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.1%的3號(hào)合金相比， 5號(hào)合金的Li質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，為1.4%，但其Cu/Li摩爾分?jǐn)?shù)比較低，使主強(qiáng)化相T1相數(shù)密度較少，導(dǎo)致其強(qiáng)度比3號(hào)只提高15 MPa.上述分析表明，要獲得超高強(qiáng)度的鋁鋰合金，既要提高鋁鋰合金中Cu，Li原子摩爾分?jǐn)?shù)總和，還要提高Cu/Li摩爾分?jǐn)?shù)比.

3 結(jié) 論

Cu，Li含量對(duì)Mg，Ag，Zn多元復(fù)合微合金化Al-(3.6%～4.15%)Cu-(1.1%～1.4%)Li合金力學(xué)性能與微觀組織有較大的影響.合金主要時(shí)效析出相是大量T1相和少量θ′相，Li質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.4%的合金有極少量δ′相析出.在Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.6%～4.15%，Li質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.1%～1.4%范圍內(nèi)，隨Cu含量或Li含量增加，合金強(qiáng)度提高，而Li含量增加幅度不同，對(duì)合金強(qiáng)度提高的幅度有明顯的差異.要獲得超高強(qiáng)度的鋁鋰合金，在提高Cu，Li原子摩爾分?jǐn)?shù)總和的同時(shí)，還需提高其原子摩爾分?jǐn)?shù)比.

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InfluenceofCuandLicontentsonmechanicalpropertiesandmicrostructuresofanewsuperhighstrengthAl-Lialloy

PAN Bo1，LI Rui1，LI Jinfeng1，CHEN Yonglai2，ZHANG Xuhu2，ZHENG Ziqiao1

1.SchoolofMaterialsScienceandEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410083,China；2.AerospaceResearchInstituteofMaterialsandProcessingTechnology,Beijing100076,China

Based on Al-Li alloys with Cu(3.6%～4.15%) and Li(1.1%～1.4%), the influence of Cu and Li contents on the mechanical properties and microstructures of T8 and T6 aged Al-Li alloys with micro-alloying elements of Mg, Ag and Zn was investigated. By using tensile properties measurement and TEM, the strengthening effect and microstructure evolution were analyzed through total non-solution atomic mole fractions of Cu and Li and their atomic ratio. The strengthening precipitates consisted of a lot ofT1(Al2CuLi), a fewθ′(Al2Cu) and a thimbleful ofδ′ (Al3Li) which may be precipitated with high contents of Li. Strength of the alloys was enhanced with increasing the contents of Li or Cu in the range of contents above. And different increasing extent of Li content enhanced the strength of the alloy with obviously different extent. Total non-solution atomic mole fraction of Cu and Li and their ratio determined the strength of the alloy by effecting the amount, types, and fractions of precipitates. To enhance the strength of Al-Li alloys largely, their atomic ratio should be kept high values, while increasing the total non-solution atomic mole fraction of Cu and Li.

aluminum-lithium alloy；aging strengthening phase；strength; microstructure；Cu/Li atomic mole fraction ratio

TG 146.2

：A

2017-02-16

國家863 項(xiàng)目(2013AA032401)

潘波(1992-)，男，山西朔州人，碩士研究生.

1673-9981(2017)03-0146-07