上交大吴国华教授《JMST》：Cu添加助力铸态铝合金获得良好强塑性组合

摘要：研究了Cu添加量和热处理方案对铸态Al-Li-Mg合金组织演变、力学性能及强化机理的影响。结果表明，Cu的引入会导致枝晶偏析，精心设计的双级固溶处理可以有效地溶解二次相。175℃时效32 h的Al-2.5Li-2Mg-1Cu-0.12Zr合金获得了较好的强度和

导读

研究了Cu添加量和热处理方案对铸态Al-Li-Mg合金组织演变、力学性能及强化机理的影响。结果表明，Cu的引入会导致枝晶偏析，精心设计的双级固溶处理可以有效地溶解二次相。175℃时效32 h的Al-2.5Li-2Mg-1Cu-0.12Zr合金获得了较好的强度和塑性组合。该工作有望为设计具有更广泛应用的新型铸造Al-Li合金提供指导。

Al-Li合金具有低密度、高刚度、高损伤容限和良好的抗应力腐蚀开裂性能，可以满足飞机、航空航天和国防工业对高性能结构材料日益增长的需求。然而，铸态Al-Li合金的力学性能与传统的变形Al-Li合金相比受到严重限制，可剪切δ′-Al3Li相是铸态Al-Li合金的主要析出相，易引起共面滑移，造成应变集中，塑性降低，缺乏合理的调节。

优化合金成分和热处理工艺是提高铸态Al-Li合金性能的有效方法。在主要合金元素中，Cu具有最有效的强化势，能促进多个强化相的共同析出并防止剪切局部化。然而，Cu的加入会显著降低熔体的流动性，增加Al-Li合金的热裂倾向，且通常导致较低的耐蚀性，尤其是晶间腐蚀。前期研究中，已经开发了一系列不含Cu的铸造Al-Li-Mg合金，其具有超低密度和与1420 Al-Mg-Li合金相当的良好的热裂性和耐腐蚀性。但是合金的最大抗拉强度仅为406 MPa，远低于Al-Li-Cu系合金。

综上，应该认识到Cu在铸造Al-Li合金中的有益作用。然而，为了在力学性能、铸造性能和耐腐蚀性之间取得平衡，仍要谨慎控制Cu含量。目前，对铸态Al-LiMg合金中合适的Cu添加量和相应的热处理方案的研究很少。基于此，上海交通大学吴国华教授团队研究了Cu和热处理对铸态Al-Li-Mg合金组织和力学性能的影响。采用不同的Cu添加剂制备了一系列Al-Li-Cu-Mg-Zr合金。研究了合金在不同条件下的相演化特征，并对其显微组织和性能关系进行了评价。研究成果以题“Microstructure and mechanical properties of cast Al-Li-Mg alloy: Role of Cu addition and heat treatment”发表于期刊《Journal of Materials Science & Technology》。

结果表明，铸态时，随着Cu含量的增加，枝晶二次相从Al2MgLi转变为Al2CuMg/Al6CuLi3，并伴有更强的偏析倾向。设计的双级固溶处理能有效溶解二次相。Cu改性后合金的时效动力学增强，析出行为发生变化。随着Cu的加入，S′-Al2CuMg相和Al3Li相的体积分数均增加，但S′相变粗并聚结，Al3Li相的直径减小。

随着时效时间的延长，Al3Li和Al3Li- PFZ（无析出区）的生长动力学可以用幂律公式来测量。在高含Cu合金中，Al3Li的粗化和Al3Li- PFZ的扩展均受到抑制，这主要是由于Cu-Va结合能较强，阻碍了Li的扩散。

Al3Li和S′的析出强化是提高屈服强度的主要因素，而缩窄的Al3Li- PFZ有效地抑制了晶间开裂。S′/α-Al基体上的应变积累对高Cu含量、时效时间长的合金塑性不利。时效175℃×32 h的Al-2.5Li-2Mg-1Cu-0.2Zr合金具有较好的强度和塑性组合，其屈服强度、抗拉强度和伸长率分别为308 MPa、428 MPa和5.0%。