锂在2024铝合金中的微合金化作用研究

Al-Cu-Mg alloys are widely used in aircraft areas, weight reducing, higher strength, higher ductility are the current trends of the development of modern aluminum alloy. Recent studies on Al-Li alloys show that the precipitation behavior of the S-precipitates, GPB zones and θ'-precipitates are strongly influenced by lithium. However, the microalloying effects of lithium on Al-Cu-Mg alloys have not been studied yet. By employing atomic-resolution imaging based on Cs-corrected transmission electron microscopy (TEM), three-dimension atom probe and first-principles calculations, this project systematically study the effects of lithium on the precipitation of traditional commercial AA2024 alloy. Based on the understanding of the underlying mechanisms, excellent performance of the alloy can be obtained by proper chemical composition design and thermo-mechanical treatment, and thus tuning of the microstructure. The results of this project are of great importance in development of new light-weight, high strength and ductility aluminum alloys.

Al-Cu-Mg合金广泛应用于航空航天领域，减重、增强增韧是当前铝合金发展的方向。最近在铝锂合金的研究中发现，锂对Al-Cu-Mg合金中的析出相S相、GPB区和θ'相析出过程有重要影响，但是目前人们尚未对锂在铝铜镁合金中的微合金化效应进行研究。本项目针对传统的商业2024铝合金，采用基于球差校正电镜的原子成像技术，结合三维原子探针以及第一性原理计算对锂在合金时效析出过程的微观作用进行系统研究。在此基础上，通过成分优化结合形变热处理工艺对合金的微观组织进行调控，获得优良的综合性能，为开发新型轻质、高强高韧铝合金提高理论指导。

Al-Cu-Mg铝合金（2xxx系）是中高强铝合金，同时具有耐热性好、易加工成形、损伤容限性能好等特点，因此广泛地应用于航空航天领域(如机身蒙皮，下翼蒙皮)。为了提高航天器的使用寿命、安全性、机动性，降低油耗，响应国家碳达峰、碳中和的号召，亟需进一步提高2xxx系铝合金的强度、韧性、耐腐蚀性和损伤容限性能。.锂作为铝合金中重要的合金元素，受到广泛关注，但是其作为微量合金元素对Al-Cu-Mg合金的作用则极少关注。本课题以从锂对Al-Cu-Mg合金微合金化的微观作用机制出发，揭示了锂在S相和GPB区偏聚，进而影响二者的析出竞争关系这一科学问题出发，开展了系统的研究。我们发现锂抑制S相的形核，促进GPB的形核。结合预变形处理引入形变位错，可获得主要由S相为主要强化相的微观组织，且2024-Li合金较2024合金析出相得到明显细化。因而，2024-Li合金T8状态下屈服强大达到530MPa，不含锂的2024合金屈服强度则为456MPa。2024-Li合金的强度与文献报道的通过大塑性变形方法获得的2024铝合金力学性能相当。本项目研发的2024-Li合金无需改变现有的生产制备工艺，非常适合推广，具有极大的应用前景。.本课题在对锂的微合金化作用机制方面也有突破：提出了一种全新的锂参与的S相异质形核机制，该机制对于进一步理解铝合金中的固态相变有重要意义。同时，该机制的提出丰富了锂对S相形核行为的影响的认识，有望在后续的开发新型Al-Cu-Li及Al-Cu-Mg合金工作中起到至关重要的理论支撑作用。