圖1 鋁合金性能變化：

（a）影響材料質(zhì)量的因素；（b）溶質(zhì)對(duì)鋁合金密度的影響

由于兼具低密度、高彈性模量、高比強(qiáng)度和比剛度等突出優(yōu)點(diǎn)，鑄造鋁鋰合金是制備復(fù)雜大型構(gòu)件的合適的金屬材料，也是航空航天、國(guó)防和軍事工業(yè)的理想結(jié)構(gòu)材料。根據(jù)鑄造鋁鋰合金的微觀組織特征，探索合金化和微合金化的作用可以穩(wěn)定其主導(dǎo)地位，進(jìn)一步擴(kuò)大其應(yīng)用場(chǎng)景。本文全面總結(jié)了鑄造鋁鋰合金的研究進(jìn)展。根據(jù)最新的研究重點(diǎn)，系統(tǒng)分析了合金化和熱處理對(duì)微觀組織和力學(xué)性能的影響；總結(jié)了改善合金性能的潛在方法；針對(duì)鑄造鋁鋰合金的實(shí)際工程需求，討論并展望了尚存的科學(xué)挑戰(zhàn)和未來(lái)的研究方向。

上世紀(jì)80年代，德國(guó)研究人員率先開(kāi)發(fā)出一種Al-12Si-5Li鑄造鋁鋰合金，密度極低僅為2.36 g·cm^-3，機(jī)械性能優(yōu)于傳統(tǒng)的Al-Si合金。此后不久，Haynes等人又開(kāi)發(fā)出一種含Si的鑄造Al-Li合金，其屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率高于傳統(tǒng)的A356合金，密度降低了5%-10%。他們成功利用這種合金制造出了形狀復(fù)雜的薄壁零件。俄羅斯學(xué)者則將研究重點(diǎn)放在了Al-Li-Cu系合金上。Il'in等人開(kāi)發(fā)了一種Al-3Li-1.5Cu-0.2Cd合金，其抗拉強(qiáng)度約為376 MPa，但伸長(zhǎng)率僅為1.2%。在此基礎(chǔ)上，Nikitin等人添加了多種微合金化元素，如Mn、Zr、Cd和Nb。經(jīng)時(shí)效處理，合金的抗拉強(qiáng)度可超過(guò)370 MPa，伸長(zhǎng)率為6.5%。在發(fā)達(dá)國(guó)家，鑄造鋁鋰合金已廣泛應(yīng)用于航空航天、武器裝備等領(lǐng)域：美國(guó) Howmet公司用Al-Li合金鑄件代替飛機(jī)部件，重量減輕了約5%。英國(guó)EH101直升機(jī)使用了鋁鋰合金鑄件，使飛機(jī)整機(jī)質(zhì)量減輕了約20 kg。此外，美國(guó)“奮進(jìn)”號(hào)航天飛機(jī)的外貯箱和波音747的起落架、俄羅斯“能源”運(yùn)載火箭的燃料貯箱和米格-29戰(zhàn)斗機(jī)的儀表板、歐洲空中客車飛機(jī)的整流罩都成功地采用了鑄造鋁鋰合金。使用鑄造鋁鋰合金可以增加有效載荷，提高經(jīng)濟(jì)效益。

與國(guó)外相比，我國(guó)對(duì)鑄造鋁鋰合金的研究起步較晚，基礎(chǔ)相對(duì)薄弱。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)高校開(kāi)始在現(xiàn)有基礎(chǔ)上研發(fā)高性能鑄造鋁鋰合金。在Al-Li-Mg系合金方面，Shi等人開(kāi)發(fā)出了Al-3Li-2Mg-1Zn-0.2Sc-0.1Zr合金，其密度僅為2.479 g·cm^-3，彈性模量為82.6 GPa，伸長(zhǎng)率顯著提高。然而，屈服強(qiáng)度與含Cu的Al-Li合金之間存在差距。對(duì)于Al-Li-Cu系合金，Wu等人通過(guò)改變Li和Cu的含量?jī)?yōu)化出Al-3Li-2Cu-0.2Zr合金，使其具有良好的彈性模量，但僅調(diào)節(jié)主元素的含量對(duì)強(qiáng)度和塑性的提高是有限的。對(duì)于Al-Li-Cu-Mg系合金，Qi等人研究了Cu添加量和熱處理方案對(duì)鑄造Al-Li-Mg合金微觀組織和力學(xué)性能的影響。他們報(bào)告稱，在175 °C下時(shí)效32 h的Al-2.5Li-2Mg-1Cu-0.12Zr合金可獲得良好的強(qiáng)度和塑性組合。Zhang等人研究了Mg和Sc對(duì)微觀組織演變和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，Al-2Li-2Cu-0.5Mg-0.2Sc-0.2Zr合金具有優(yōu)異的力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性。之后，Zhang等人開(kāi)發(fā)的Al-2.5Li-1.5Cu-1Zn-0.5Mg-0.2Sc-0.15Zr合金是現(xiàn)有報(bào)告中綜合性能最好的鑄造鋁鋰合金。該合金的屈服強(qiáng)度為401 MPa，極限抗拉強(qiáng)度為565 MPa，經(jīng)過(guò)雙階固溶和時(shí)效處理后的伸長(zhǎng)率為8.2%。然而，國(guó)內(nèi)對(duì)鑄造鋁鋰合金的研究仍停留在實(shí)驗(yàn)室水平，還沒(méi)有成功應(yīng)用的案例。因此，開(kāi)展相關(guān)研究，開(kāi)發(fā)高性能鑄造鋁鋰合金迫在眉睫。

圖2 峰時(shí)效條件下Al-2.5Li-2Mg-xCu-0.12Zr合金的δ′相和δ′-PFZ帶的暗場(chǎng)圖像：（a1, b1）0Cu；（a2, b2）0.5Cu；（a3, b3）1Cu；（a4, b4）1.5Cu

含Cu相

θ′-Al₂Cu是含Cu鋁合金中常見(jiàn)的亞穩(wěn)強(qiáng)化相。特別地，在Al-Li-Cu合金中隨著時(shí)效的進(jìn)行，δ′相會(huì)包裹于θ′相周圍析出，形成δ′/θ′雙相結(jié)構(gòu)（圖3），進(jìn)而抑制θ′相的長(zhǎng)大并改變δ′相的空間分布。T1相為半共格平衡相，在{111}α面上呈盤片狀析出。研究表明，鋁合金中慣析面為{111}α的盤片狀相可產(chǎn)生最大臨界剪切應(yīng)力，因此T1相在Cu相中最具強(qiáng)化效應(yīng)。合金中常觀察到T1相的單側(cè)或雙側(cè)分布著半球狀δ′相，可能是δ′相被T1相切過(guò)或撞擊所致。S′相為Al-Li-Cu-Mg合金中的半共格亞穩(wěn)相，如圖4所示。除沉淀強(qiáng)化作用外，塑性變形時(shí)彌散分布的T1和S′相還能促進(jìn)位錯(cuò)交滑移，減少共面滑移，進(jìn)而改善合金塑性。值得注意的是，含Cu相之間會(huì)爭(zhēng)奪Cu原子和自由空位，因此它們之間存在競(jìng)爭(zhēng)析出行為，最終影響合金的力學(xué)性能。

由于位錯(cuò)、層錯(cuò)、亞晶界等晶體缺陷可作為含Cu相的非均勻形核核心，變形鋁鋰合金通常通過(guò)T8熱處理形成高位錯(cuò)密度以促使含Cu相大量析出，改善合金強(qiáng)塑性。而鑄造鋁鋰合金無(wú)法通過(guò)變形處理引入新的位錯(cuò)，含Cu相的形核實(shí)際主要依靠淬火空位釋放形成的螺位錯(cuò)或位錯(cuò)環(huán)，但數(shù)密度相對(duì)較低，對(duì)合金強(qiáng)塑性的貢獻(xiàn)不夠顯著。

圖3 在150 °C時(shí)效40 h的δ′/θ′雙相的TEM圖像：

（a）暗場(chǎng)圖像；（b）明場(chǎng)圖像

圖4 S'/α-Al界面的高分辨TEM分析和應(yīng)變場(chǎng)：

（a）S'相的高分辨TEM圖像；（b）方框區(qū)域的放大圖像；（c, d）傅里葉變換和逆傅里葉變換圖像；（e）幾何相位分析顯示εxx區(qū)域的應(yīng)變張量分量；（f）沿線1的應(yīng)變值隨距離的變化情況

圖5 Al₃Li和Al₃(Zr, Li)核殼結(jié)構(gòu)相的HAADF-STEM圖像：

（a）δ′相；（b）Al₃(Zr, Li)核殼結(jié)構(gòu)相；（c，d）Al₃(Zr, Li)內(nèi)部以及與鋁基體界面處晶格結(jié)構(gòu)圖像

鑄造鋁鋰合金成分復(fù)雜，需要針對(duì)性開(kāi)發(fā)熱處理工藝以充分發(fā)揮各合金化元素的作用，調(diào)控物相構(gòu)成，使合金獲得理想的服役態(tài)綜合性能。以下分別闡述固溶及時(shí)效熱處理對(duì)鑄造鋁鋰合金組織和強(qiáng)塑性的影響。

固溶處理

鑄造鋁鋰合金的凝固態(tài)組織第二相種類繁多，包括AlLi、含Cu相（Al₂Cu、Al₆CuLi₃等，主要存在于Al-Li-Cu系合金中）、含Mg相（Al₁₂Mg₁₇、Al₂MgLi等，主要存在于Al-Li-Mg系合金中）以及Al₃Zr與Al₃Sc的初生相和共晶相等，需要足夠的固溶溫度與時(shí)間保證第二相的充分溶解和溶質(zhì)原子的充分?jǐn)U散，以形成過(guò)飽和固溶體，為后續(xù)時(shí)效過(guò)程中強(qiáng)化相的析出提供足夠動(dòng)力。但是，過(guò)高的固溶溫度或過(guò)長(zhǎng)的固溶時(shí)間可能導(dǎo)致晶粒異常長(zhǎng)大，甚至造成局部過(guò)燒，嚴(yán)重?fù)p害合金的塑性。同時(shí)，鑄造鋁鋰合金中的Li、Mg等元素具有較高的化學(xué)活性，長(zhǎng)時(shí)高溫固溶時(shí)試樣表面易氧化。

由此可見(jiàn)，常規(guī)單級(jí)固溶處理很難使鑄造鋁鋰合金在不產(chǎn)生晶粒粗化、局部過(guò)燒和表面氧化的前提下獲得理想的固溶態(tài)組織。為改善固溶效果，國(guó)內(nèi)在研合金多依據(jù)各第二相的相變反應(yīng)溫度設(shè)計(jì)從低溫至高溫的雙（多）級(jí)固溶處理，其中低溫階段不高于固相線溫度，可分解大部分第二相，后續(xù)的高溫階段進(jìn)一步分解少量殘余第二相，同時(shí)加快溶質(zhì)擴(kuò)散，使溶質(zhì)在基體中均勻分布。例如，Zhang等人優(yōu)化出Al-2Li-2Cu-0.2Zr合金的雙級(jí)固溶工藝，即460 ℃×32 h+520 ℃×24 h，使晶界非平衡第二相完全溶解，晶內(nèi)偏析基本消除。

時(shí)效處理

時(shí)效是過(guò)飽和固溶體脫溶分解，沉淀相從基體中析出的過(guò)程。鑄造鋁鋰合金常使用單級(jí)人工時(shí)效處理，溫度與時(shí)間等參數(shù)決定著時(shí)效過(guò)程中多種析出相的尺寸和分布，進(jìn)而顯著影響合金的力學(xué)性能。較低的時(shí)效溫度和時(shí)間能夠有效抑制δ′相和δ′-PFZ粗化，進(jìn)而使得合金具備良好的塑性（如圖6所示）。當(dāng)時(shí)效溫度提高后，δ相與Al₃M型彌散相加速長(zhǎng)大，含Cu相獲得了析出所需要的較高的形核能，數(shù)密度顯著提升。并且，θ′和T1相的直徑厚度比、S′相的厚度也隨時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)不斷增加，合金有序強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化效果增強(qiáng)，具有較高的屈服強(qiáng)度。而當(dāng)時(shí)效溫度和時(shí)間進(jìn)一步提升時(shí)，δ′相加劇粗化并開(kāi)始溶解，體積分?jǐn)?shù)有所降低，S′相也出現(xiàn)異常聚集長(zhǎng)大現(xiàn)象，合金力學(xué)性能將迅速惡化。由此不難看出，單級(jí)時(shí)效參數(shù)的選擇需要綜合考量，以獲得最佳的強(qiáng)塑性匹配。鑄造鋁鋰合金典型時(shí)效溫度為150-175 ℃，時(shí)間一般控制在8-32 h，合金處于峰時(shí)效或欠時(shí)效狀態(tài)。

針對(duì)單級(jí)時(shí)效強(qiáng)塑性矛盾問(wèn)題，有時(shí)可采用先低溫后高溫的雙級(jí)時(shí)效方法：低溫時(shí)效時(shí)δ′相和δ′-PFZ不易粗化，同時(shí)有利于形成均勻的溶質(zhì)原子團(tuán)簇，為含Cu強(qiáng)化相提供形核位置，從而在隨后的高溫時(shí)效過(guò)程中獲得更多細(xì)小且均勻分布的含Cu相。Wu等人對(duì)鑄造Al-3Li-2Cu-0.2Zr合金進(jìn)行了120 ℃×6 h+160 ℃×24 h雙級(jí)時(shí)效處理，使θ′相數(shù)密度顯著增加，與160 ℃×24 h單級(jí)時(shí)效相比, 在保持合金原有強(qiáng)度水平的前提下有效改善了延伸率。

圖6 時(shí)效參數(shù)對(duì)δ′相和δ′-PFZ的影響：（a，b）δ′相在175 °C時(shí)效8 h和64 h；（c）δ′相在125 °C時(shí)效128 h；（d）δ′相在225 °C時(shí)效4 h；（e，f）δ′-PFZ在175 °C時(shí)效8 h和64 h

輕質(zhì)高剛度鑄造鋁鋰合金在航空航天和國(guó)防工業(yè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，其力學(xué)性能和鑄造性能還不盡如人意，這限制了其在先進(jìn)設(shè)備中的進(jìn)一步應(yīng)用。優(yōu)化合金成分和熱處理制度是提高鑄造鋁鋰合金鑄造性能和力學(xué)性能的可靠方法，對(duì)挖掘其潛力、拓寬應(yīng)用領(lǐng)域具有重要意義。然而，仍有一些問(wèn)題亟待解決：

（1）目前對(duì)鑄造鋁鋰合金的合金化和微合金化的研究主要集中在提高力學(xué)性能上，很少關(guān)注其鑄造性，而寬鑄造窗口是合金獲得優(yōu)異服役性能的前提條件。鑄造鋁鋰合金的凝固溫度區(qū)間大，熱裂敏感性高，容易產(chǎn)生氣孔、縮孔、吸氫等缺陷。因此，有必要進(jìn)一步揭示合金成分對(duì)鑄造性能的影響，探索降低熱裂敏感性的有效方法，并針對(duì)大型復(fù)雜部件進(jìn)行成分微調(diào)，從而加速工程化應(yīng)用。

（2）目前，鑄造鋁鋰合金是以Al-Li-Cu(-Mg)體系為基礎(chǔ)，同時(shí)添加Zr、Sc和其他元素來(lái)輔助改性。然而，與傳統(tǒng)的商用鋁合金相比，其力學(xué)性能，尤其是塑性并不突出。后續(xù)應(yīng)探討復(fù)合添加多種微合金元素對(duì)合金性能和微觀組織的影響。應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注精煉元素、稀土元素、高空位結(jié)合能元素和Al₃M型相生成元素。應(yīng)嘗試引入原位自生TiC、TiB₂或Mg₂Si等強(qiáng)化顆粒，以進(jìn)一步提高合金的強(qiáng)度和韌性。

（3）現(xiàn)有的熱處理制度主要是（雙）多級(jí)固溶加單級(jí)時(shí)效，耗時(shí)長(zhǎng)、成本高，而時(shí)效過(guò)程又局限于單一的溫度和時(shí)間變量，難以充分發(fā)揮鋁鋰合金的潛力。一方面，有必要提高原材料和鑄造工藝的質(zhì)量，以盡量減少偏析和粗大的次生相；另一方面，可以參考傳統(tǒng)鋁合金的間歇時(shí)效、回歸再時(shí)效和固溶前預(yù)時(shí)效等方法，抑制δ′相和δ′-PFZ的粗化，促進(jìn)含Cu相和共格分散相的析出。