鋁鋰合金材料發(fā)展及綜合性能評述

李飄，姚衛(wèi)星

(南京航空航天大學 航空宇航學院，南京 210016)

0 引 言

航空工業(yè)一直致力于尋找輕質(zhì)且性能優(yōu)越的結(jié)構(gòu)材料。以2024和7075為代表的普通鋁合金在航空發(fā)展過程中起到了關(guān)鍵作用。2系和7系鋁合金具有較高的強度，但在質(zhì)量上不具有優(yōu)勢，在航空發(fā)展中逐漸失去吸引力。從20世紀中葉開始，對于更輕質(zhì)實用的鋁合金的需求促進了鋁鋰合金的產(chǎn)生[1-2]。作為質(zhì)量最輕的金屬元素，鋰可以有效地降低合金密度。在所有降低飛機結(jié)構(gòu)質(zhì)量的方法中，降低材料密度比增加靜強度高效3～5倍[3]。每增加1%質(zhì)量的鋰，可以帶來3%的密度降低，以及6%的彈性模量的增加[4-6]。近幾十年來，復合材料也成為研究的熱點，波音787、空客A380大量使用復合材料可以很好地印證這一點[7]。盡管復合材料在航空工業(yè)中展示出優(yōu)秀的開發(fā)潛能，但相對較低的沖擊損傷阻力以及由環(huán)境變化(濕度，冷/熱環(huán)境)帶來的復雜力學性能變化，在某種程度上降低了復合材料的競爭力[7]。就工藝成熟度、力學性能穩(wěn)定性、以及經(jīng)濟性來說，鋁鋰合金具有顯著的優(yōu)勢。

鋁鋰合金廣泛的應用需要促進了對其各方面性能的深入研究。高比強度和比模量是鋁鋰合金常規(guī)力學性能中的顯著特性。但是不同時期的鋁鋰合金其靜力性能表現(xiàn)經(jīng)過發(fā)展衍變又有不同。其他性能，例如疲勞性能，由于試驗數(shù)據(jù)很難在公開文獻中找到，缺乏對鋁鋰合金疲勞性能的定量化認知。對于工程應用而言，進行全面的鋁鋰合金性能評述具有實際意義。國內(nèi)外，已經(jīng)在該領(lǐng)域開展了相關(guān)工作。V.V.Antipo等[8]分析了高強普通Al-Zn-Mg-Cu鋁合金與鋁鋰合金的靜力性能、沉淀相影響以及腐蝕抗力等。孫東立等[9]對鋁鋰合金的物理冶金、力學性能以及強化機制進行了評述；吳秀亮等[10]對國內(nèi)外鋁鋰合金的研究歷史和發(fā)展現(xiàn)狀進行了回顧，并對鋰鋁合金在航空航天領(lǐng)域中的應用情況進行了總結(jié)。

上述研究主要針對鋁鋰合金的性能進行了定性化的探究，而本文選擇不同代的典型鋁鋰合金，主要開展定量化的性能對比分析，包括鋁鋰合金的常規(guī)力學性能、疲勞極限和疲勞抗力、疲勞裂紋擴展抗力等，以期為相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計提供一些參考。

1 鋁鋰合金的發(fā)展

自1924年德國研發(fā)出第一種鋁鋰合金產(chǎn)品Scleron之后，鋁鋰合金的發(fā)展持續(xù)了近一個世紀。很多不同的鋁鋰合金產(chǎn)品在那個時期被研發(fā)出來，它們的性能也得到了深入細致地研究。鋁鋰合金的發(fā)展經(jīng)歷了三個標志性的階段，由此鋁鋰合金產(chǎn)品可以劃分為三代，如表1所示。第一代鋁鋰合金的顯著特點是密度低，其他方面的研究剛進入起步階段，性能欠佳。第二代鋁鋰合金的主要特點在于密度進一步降低，但是各向異性問題突出，不可焊，強度韌性不平衡。第三代鋁鋰合金最顯著的特點是低各向異性，可焊，同時各方面性能相對更均衡。三代鋁鋰合金的合金元素種類及含量顯著不同，主要合金元素鋰的含量經(jīng)歷了先增加后減少的過程，鋰的含量在一定程度上影響著微觀沉淀相的比例，進而影響合金宏觀性質(zhì)。第三代鋁鋰合金的微合金化增加了有效彌散相粒子，增強了彌散強化，某些特殊彌散相具有特殊作用，例如加入鈹元素可以抑制鈉的晶界偏析，提高合金韌性。三代鋁鋰合金加工工藝和熱處理方式也得到了不斷改善。第三代鋁鋰合金通過合理運用再結(jié)晶程序以及預變性處理，有效改善了第二代鋁鋰合金的各向異性問題。綜合以上因素，鋁鋰合金的基本力學性能、熱穩(wěn)定性以及抗疲勞抗力得到了逐代提升。

表1 鋁鋰合金分類及基本情況

第一代鋁鋰合金的研發(fā)時間可追溯到20世紀50～60年代。作為第一種被研發(fā)的鋁鋰合金，Scleron的研發(fā)并未引起重視，鋁鋰合金真正引起關(guān)注是從2020進入工業(yè)化生產(chǎn)以后。

第二代鋁鋰合金的發(fā)展可以追溯到20世紀60～80年代。第二代鋁鋰合金中，鋰的質(zhì)量分數(shù)在2.0%以上，相比于第一代鋁鋰合金，銅的含量相對較少。由于鋰的含量高，第二代鋁鋰合金可以達到7%～10%的質(zhì)量減小，以及10%～16%的彈性模量增長[11]。但是與此同時，第二代鋁鋰合金仍然存在較嚴重的問題，例如可焊性不好，存在各向異性以及強度不高等。

第三代鋁鋰合金始于20世紀80年代晚期，針對第二代鋁鋰合金出現(xiàn)的各種問題，第三代鋁鋰合金進行突破與改善。通過降低鋰含量、添加微量元素和調(diào)節(jié)主要合金元素比例[15-16]、預變形處理[17-18]、改善熱處理工藝[19]、進行分級時效[20]等措施，使得第三代鋁鋰合金內(nèi)部組織更均勻，各項異性問題得到了顯著改善，強度和韌性實現(xiàn)了更好的平衡。第三代鋁鋰合金成熟的代表有2097、2197、2297、2198、Weldalite049。

2 力學性能

以三種不同代的典型鋁鋰合金(2020, 8090, 2198)為代表，與普通鋁合金2024和7075進行比較。

典型鋁鋰合金和普通鋁合金的主要力學性能如表2所示。相對于普通鋁合金，鋁鋰合金的平均彈性模量更高[21-23]，增量約5.5%。鋁鋰合金的高彈性模量主要得益于其連續(xù)有序相δ′的影響[24]。δ′相由于其有序性具有高本征彈性模量(約96 GPa)，同時其易于剪切的性質(zhì)增強了鋁鋰合金的固有延展性。鋁鋰合金的時效程度對彈性模量也有一定影響[25]，彈性模量值隨時效時間的增加而減小，這與沉淀相的體積分數(shù)隨時效時間增加而增加有直接關(guān)系。從第一代鋁鋰合金到第三代鋁鋰合金，其彈性模量值呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，該趨勢與三代鋁鋰合金的鋰含量先增后減直接相關(guān)。高彈性模量值是結(jié)構(gòu)設(shè)計中的一個有利指標，但是對于鋁鋰合金，片面追求高彈性模量，會加劇由δ′相帶來的諸如強織構(gòu)、低塑韌性等問題。綜合權(quán)衡之下，通過舍棄部分彈性模量值來實現(xiàn)合金更均衡的內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有現(xiàn)實意義。

代表鋁鋰合金中，第三代鋁鋰合金2198的屈服強度最低，其值仍超過普通鋁合金2024屈服強度的18.4%。鋁鋰合金2020在三種鋁鋰合金中強度最高，它的屈服強度相對于普通鋁合金7075只高出了2.9%，表明鋁鋰合金2020和普通超強鋁合金7075的強度水平處于同一層次。所有代表鋁鋰合金的抗拉強度都高于高強鋁合金2024，低于超高強度鋁合金7075，表明鋁鋰合金的強度在鋁合金產(chǎn)品中處于中等水平。三代鋁鋰合金的抗拉強度逐代降低。第一代和第二代鋁鋰合金的研制側(cè)重于降低合金密度，對合金內(nèi)部結(jié)構(gòu)的均衡性考慮較少，且所使用的多是未再結(jié)晶的合金，合金內(nèi)部呈現(xiàn)粗糙的晶體學織構(gòu)組織，這些未再結(jié)晶織構(gòu)有助于提升合金強度，但同時也導致合金強度具有顯著各向異性。因此，第一代和第二代鋁鋰合金短橫向的強度相對縱向強度有較大的降低。第三代鋁鋰合金為了降低合金各向異性，得到更均勻的內(nèi)部組織，降低了鋰元素含量，使用了再結(jié)晶技術(shù)。用強度的損失換來了其他方面性能，例如韌性、疲勞抗力等的提高，同時解決了各向異性問題。

表2 鋁鋰合金和普通鋁合金的基本力學性能

比強度和比模量是飛行器結(jié)構(gòu)選材的兩個重要指標。鋁鋰合金和普通鋁合金的比強度和比模量如表3所示，可以看出：鋁鋰合金2020的靜強度比超高強度鋁合金7075低，其比強度值高于7075，與普通高強鋁合金2024相比，鋁鋰合金的比強度更高[29-31]。鋁鋰合金的比模量也比普通鋁合金高；另外，鋁鋰合金具有更高的屈強比。

表3 力學性能定量分析

3 疲勞性能

3.1 高周疲勞

普遍認為，鋰的加入提高了合金的高周疲勞(HCF)強度[32]。Z.Di等[33]對比了純鋁和鋁鋰合金的高周疲勞強度，證明了鋰的加入顯著提高了疲勞壽命。但是目前還未見對鋰含量和疲勞壽命之間定量關(guān)系的研究。一些其他對于高周疲勞抗力的研究[34-38]從側(cè)面探究了沉淀相影響、晶粒尺寸影響、時效程度影響、冶金方式影響，以及結(jié)晶程度影響。

由于疲勞強度是一系列因素綜合作用的結(jié)果，鋰含量的影響無法被準確區(qū)分出來，鋁鋰合金和普通鋁合金之間疲勞強度的比較只能停留在數(shù)據(jù)統(tǒng)計的層面。從收集到的數(shù)據(jù)來看，鋁鋰合金的疲勞強度明顯高于普通鋁合金2024和7075，鋁鋰合金的高疲勞抗力特性參見文獻[39]。當考慮密度時，鋁鋰合金的比疲勞強度進一步增大，如表4所示。

表4 鋁鋰合金的疲勞極限和比疲勞強度

三代鋁鋰合金中，第二代鋁鋰合金8090的比疲勞強度最低，但也比普通鋁合金2024高出26%，比7075高出34%。第三代鋁鋰合金2198的比疲勞強度最高，比2024高出53%，比7075高出62%。鋁鋰合金的主要沉淀相δ′在合金中呈高度彌散狀分布，其易于剪切的特性可能導致可逆滑移，減少了位錯等缺陷的產(chǎn)生，緩解了外力作用下的內(nèi)部局部應力應變集中。大量分布的彌散狀沉淀相延緩并適當阻止了局部平面滑移[32]，位錯、滑移等缺陷處是疲勞裂紋易于萌生和擴展的區(qū)域，因此鋁鋰合金得益于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，具有更長的疲勞裂紋萌生壽命，進而疲勞壽命更高。

就鋁鋰合金本身而言，第三代鋁鋰合金在第二代鋁鋰合金的基礎(chǔ)上，疲勞抗力進一步提高，2198的比疲勞強度比8090高出21%。第三代鋁鋰合金相對于第二代鋁鋰合金一個顯著的改變是降低了鋰的含量(小于2%)，提高了銅的含量(一般大于3%)，一些新的合金化元素，例如Ag、Mn、Zn等也在第三代鋁鋰合金中得到應用。合金化元素的添加和元素含量的控制有效改善了鋁鋰合金的析出相，提高了晶界特性。熱處理方式的優(yōu)化也是第三代鋁鋰合金性能提升的一個重要促進因素。第二代鋁鋰合金以未再結(jié)晶扁平晶粒結(jié)構(gòu)為主，具有顯著的各向異性。第三代鋁鋰合金的熱處理方式包括再結(jié)晶、形變熱處理、多級時效等，通過這些方式獲得了更均勻細化的晶粒組織，減少了塑性變形中的位錯堆積和沿粗大晶界的裂紋形核，在大幅降低各向異性的同時，提高了合金的韌性和疲勞壽命。

疲勞強度和比疲勞強度是長壽命要求的結(jié)構(gòu)選材的重要評估指標。飛機的結(jié)構(gòu)質(zhì)量在全機質(zhì)量中的占比是一個會影響飛機整體性能的參數(shù)，通常在一定范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)質(zhì)量越低，飛機的整體性能越優(yōu)。減少材料使用或者片面降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量會使結(jié)構(gòu)難以實現(xiàn)疲勞壽命指標。選擇高比疲勞強度材料是解決這一難題的有效途徑。第三代鋁鋰合金的比疲勞強度高，在長壽命要求的結(jié)構(gòu)選材時具有明顯優(yōu)勢。F-16戰(zhàn)機的后機身艙壁通過將原來使用的AA2124鋁合金換成2197第三代鋁鋰合金，解決了疲勞壽命不足、服役時間達不到8 000 h的問題[40]。鋁鋰合金也在民用飛機地板梁上大量采用。類似對質(zhì)量和疲勞壽命要求高的飛機結(jié)構(gòu)，例如機翼下翼結(jié)構(gòu)可以采用鋁鋰合金。

3.2 低周疲勞

國內(nèi)外亦對鋁鋰合金的低周疲勞(LCF)特性進行了研究[43-49]。通常用Manson-Coffin公式來評估低周疲勞抗力。

(1)

大部分鋁鋰合金的冪律關(guān)系具有雙線性[44-45]，如圖1所示。圖1中各材料的疲勞延性系數(shù)和疲勞延性指數(shù)如表5所示。

圖1 鋁鋰合金和普通鋁合金的Manson-Coffin曲線

合金牌號超低周階段亞低周階段ε′f-cε′f-c文獻20200.040.43243.361.80[47]80900.060.46 5.501.15[44] 2198-- 6.051.73[50] 20240.280.64 0.280.64[10] 70750.190.60 0.190.60[10]

從圖1可以看出：第一代和第二代鋁鋰合金的應變-壽命曲線都位于普通鋁合金2024和7075之下，即第一代和第二代鋁鋰合金的低周疲勞抗力更低；第一代和第二代鋁鋰合金與普通鋁合金低周疲勞強度最接近的點是它們塑性應變-壽命曲線的轉(zhuǎn)折點，轉(zhuǎn)折點以上的超低周階段和轉(zhuǎn)折點以下的亞低周階段，鋁鋰合金的疲勞抗力(用塑性應變幅衡量)比普通鋁合金約低一個數(shù)量級。第一代和第二代鋁鋰合金低周疲勞抗力低主要是由于連續(xù)可剪相δ′加大了合金內(nèi)部滑移性，易造成高程度的應變集中[46,51-52]。第三代鋁鋰合金在第二代鋁鋰合金的基礎(chǔ)上經(jīng)過改良以后，低周疲勞抗力得到顯著提高。在亞低周階段，相同循環(huán)數(shù)的情況下，第三代鋁鋰合金2198的低周疲勞強度比普通鋁合金2024和7075高了兩個數(shù)量級。第三代鋁鋰合金的低周疲勞抗力提高，一方面是由于鋰含量的降低，另一方面是由于熱處理和加工工藝的改善減少了合金的織構(gòu)組織，內(nèi)部組織更均勻，應變集中得到緩解。

第一代和第二代鋁鋰合金的低周疲勞抗力低，不適用于高應力環(huán)境，第三代鋁鋰合金具有較高的低周疲勞抗力，同時結(jié)合優(yōu)異的高周疲勞抗力，第三代鋁鋰合金對于各種疲勞應力環(huán)境都有更高的適用性。飛機結(jié)構(gòu)上很多構(gòu)件需要承受應力集中，例如因截面變化、拐角和孔造成的應力分配不均勻，這些構(gòu)件長期承受高應力作用，對低周疲勞性能有較高要求。脆性破壞也是這些敏感部位需要避免的破壞形式，因此材料韌性也是一個重要的評估指標。第三代鋁鋰合金的韌性相比第二代鋁鋰合金得到了較大改善，結(jié)合優(yōu)異的低周疲勞性能，第三代鋁鋰合金可作為應力集中敏感部件的一個較好選擇。

4 疲勞裂紋擴展抗力

典型鋁鋰合金和普通鋁合金的疲勞裂紋擴展數(shù)據(jù)，如圖2所示。

圖2 鋁鋰合金和普通鋁合金的裂紋擴展

疲勞裂紋擴展速率可用Paris公式表示：

da/dN=C(ΔK)m

(2)

式中：C和m均為材料常數(shù)。

通過數(shù)據(jù)擬合，指數(shù)m的值如表6所示。和普通鋁合金相比，鋁鋰合金的裂紋擴展速度更低，裂紋擴展抗力更高。鋁鋰合金的高裂紋擴展抗力主要來自于長裂紋的疲勞抗力，鋁鋰合金的短裂紋擴展抗力和普通鋁合金相當，不具有優(yōu)越性[53-55]。鋁鋰合金的疲勞應力強度因子門檻值和普通鋁合金不相上下。

表6 鋁鋰合金和普通鋁合金的裂紋擴展參數(shù)

疲勞裂紋擴展特性可以用參數(shù)KIC、ΔKth和Paris公式中的指數(shù)m來評估。斷裂韌性KIC表示材料失穩(wěn)擴展時所需的臨界應力強度因子大小，也可以表征材料斷裂前吸收的能量大小，因此KIC的值越大，表示裂紋擴展至失穩(wěn)狀態(tài)的臨界應力強度因子越大，材料能夠吸收的能量越多，材料的韌性越好。第一代和第二代鋁鋰合金的KIC值較低，韌性較差，早期鋁鋰合金的低韌性問題長久地影響著鋁鋰合金的工程應用。第三代鋁鋰合金的KIC值較高，韌性明顯優(yōu)于前兩代鋁鋰合金。第三代鋁鋰合金通過調(diào)節(jié)合金元素含量和改善熱加工工藝，使韌性得到了一定提高，實現(xiàn)了強度和韌性更好的平衡。

裂紋擴展的應力強度因子門檻值ΔKth是衡量材料耐久性的一個指標，在低于門檻值的應力強度因子作用下，裂紋擴展速度幾乎為零，因此該門檻值越高，表示帶裂紋的材料進入裂紋擴展所需要的驅(qū)動力越高，材料的耐久性越好。第一代和第二代鋁鋰合金的裂紋擴展門檻值與普通鋁合金相近，第三代鋁鋰合金的門檻值明顯高于前兩代鋁鋰合金和普通鋁合金，第三代鋁鋰合金的耐久性更好。

裂紋進入擴展以后的擴展速率可以用Paris公式中的指數(shù)m來衡量。在裂紋擴展的雙對數(shù)坐標圖中，m的值是裂紋擴展曲線的斜率，直接反映了裂紋擴展速率。m值越大，裂紋擴展越快，反之越慢。三種典型鋁鋰合金的m值都低于普通鋁合金，鋁鋰合金具有明顯的抵抗裂紋擴展的優(yōu)勢。第三代鋁鋰合金的m值最低，其裂紋擴展抗力最高。

鋁鋰合金優(yōu)異的裂紋擴展抗力得益于裂尖屏蔽效應。鋁鋰合金沉淀相中的連續(xù)可剪相δ′易于引起不均勻的可逆滑移、高塑性應變集中，進而導致裂紋面粗糙、裂紋發(fā)展路徑曲折[62-63]?？朔植诹鸭y面的相互嵌入消耗了部分驅(qū)動力，曲折的裂紋路徑使裂尖前進方向偏離外力垂直方向，減小了裂尖驅(qū)動力[41,64-68]。裂尖屏蔽效果與鋁鋰合金的合金成分、熱處理以及加工工藝有關(guān)。第二代鋁鋰合金的裂紋擴展抗力優(yōu)于第一代，第三代鋁鋰合金的裂紋擴展抗力優(yōu)于第二代。

綜上所述，第三代鋁鋰合金韌性最高，裂紋擴展門檻值最高，裂紋擴展速率最低，裂紋擴展抗力最優(yōu)，適用于損傷容限設(shè)計。近年來，鋁合金焊接技術(shù)飛速發(fā)展[69]，對焊后的結(jié)構(gòu)進行疲勞和損傷容限性能測定，檢驗證實焊接結(jié)構(gòu)已具有常規(guī)的合金結(jié)構(gòu)設(shè)計需要的性能[70]。用焊接取代傳統(tǒng)鉚接可以在一定程度上減少結(jié)構(gòu)質(zhì)量，同時避免了裂紋在鉚釘應力集中處的萌生?？珊感院蛽p傷容限性能是焊接材料選擇的重要指標。第三代鋁鋰合金大部分為高強可焊合金，其突出的裂紋擴展抗力保障了損傷容限性能。第三代鋁鋰合金在焊接結(jié)構(gòu)等對損傷容限性能要求高的結(jié)構(gòu)中具有很好的適用性。

5 結(jié)構(gòu)設(shè)計選材建議

(1) 鋁鋰合金在減重方面具有顯著優(yōu)勢，這一優(yōu)勢使其適用于長壽命要求的結(jié)構(gòu)，例如民用飛機相關(guān)結(jié)構(gòu)。

(2) 鋁鋰合金的靜強度接近超高強鋁合金，比高強鋁合金高，比強度和屈強比更高，但同時第一代和第二代鋁鋰合金韌性低，適用于對強度，尤其是比強度有高要求的結(jié)構(gòu)，不適用于對韌性要求高的結(jié)構(gòu)。

(3) 鋁鋰合金具有杰出的高周疲勞抗力，低周疲勞抗力較低，適用于低應力服役環(huán)境。

(4) 得益于裂尖屏蔽效應，鋁鋰合金具有優(yōu)異的裂紋擴展抗力，尤其第三代鋁鋰合金抵抗裂紋擴展能力突出，該特性使得鋁鋰合金適用于耐久性結(jié)構(gòu)設(shè)計。

6 結(jié)束語

鋁鋰合金的靜力性能特征為：具有高比強度和屈強比，第一代和第二代鋁鋰合金的韌性低，第三代鋁鋰合金的韌性水平相對較高。鋁鋰合金的疲勞性能特征為：三代鋁鋰合金都具有杰出的高周疲勞抗力和疲勞裂紋擴展抗力，其低周疲勞抗力相對較低，總體上，第三代鋁鋰合金的疲勞性能最優(yōu)。

鋁鋰合金是經(jīng)過長久檢驗與應用的航空材料，其工藝成熟度、材料性能穩(wěn)定性以及經(jīng)濟性決定了在沒有更穩(wěn)定成熟的材料出現(xiàn)之前，它將繼續(xù)作為一種主要航空材料被廣泛使用。充分了解和利用鋁鋰合金的綜合性能特征，能夠最大程度地發(fā)揮其在航空結(jié)構(gòu)設(shè)計中的作用。