新型铝锂合金多元成分设计的试验研究与相场模拟

The Al-Li alloys generally have a low density, a high elastic modulus and high specific strength.This combination of properties has led to their use primarily for aerospace applications.To meet the requirement of low cost, long life time and high loss of weight in aerospace industry, the development of new Al-Li alloys is necessary.The key to realize the design of new alloys is to establish the quantitative relationship between the composition, precipitates and the mechanical properties. Thus,a quantitative evaluation of the alloy microstructure and mechanical properties of Al-Li alloys with varied compositions is carried out using 3DAP, HTEM, HAADF, SAXA, In-suit TEM, phase field simulation, tensile test et al. The nucleation mechanism of different precipitates and the influence of alloying elements on the type, morphology,distribution of precipitates are studied. The influence of precipitates, such as T1 and δ,on the strength-toughness mechanism are investigated. Based on the above analysis, the principle of multi-element composition desgin in new type of Al-Li alloys was established.

为了满足航空领域的低成本、长寿命、高减重需求，迫切需要发展多种新型铝锂合金，而构建合金成分-沉淀强化相-力学性能的定量关系是实现铝锂合金按需设计的关键。本项目针对铝锂合金多元成分设计中沉淀相的形核长大机制以及强韧化机理这两个核心科学问题，从不同合金成分对沉淀相性态、分布的影响规律，沉淀相参数对合金性能影响规律两个方面的研究出发，采用3DAP、HAADF、SAXS和In-suit TEM等现代化微观组织观察手段，结合微观相场模拟方法，研究不同成分下铝锂合金的组织性能特征，揭示铝锂合金中各典型沉淀相的形核机理及主合金化元素、微合金化元素对主要沉淀强化相类型、性态和分布的影响机理；系统揭示铝锂合金中多重多尺度析出沉淀相的强韧化机制，澄清强韧化效果所依赖的微观沉淀组织主导参量或参量组合，阐明多尺度特征沉淀相对合金性能的耦合影响，为新型铝锂合金多元成分设计原则的构建奠定理论基础。

第三代AL-Li合金因其具有优异的力学性能在航空航天领域获得了广泛应用。该类合金成分复杂，其组织性能对成分、工艺高度敏感。本项目针对该问题、综合应用计算机模拟和试验方法对晶粒组织演化、析出行为以及断裂行为进行了系统分析。.系统分析了主/微合金元素对Al-Cu-Li-X合金晶粒组织、析出行为及力学能的影响。研究表明，Zr的加入可有效抑制再结晶、获得轧制织构，而Zr、Mn联合添加可促进再结晶、弱化织构；加入Mn形成的粗大T-A120Cu2Mn3相可诱发PSN机制、促进再结晶。Cu：Li比在1.96-5.6范围内变化时，时效态合金主要析出相均为T1相。少量Mg、Ag和Zn的加入对T1相影响不大、但对相的形貌及分布有显著影响。Mg、Zn联合加入使相呈条带状、沿T1相边界分布；Mg、Zn、Ag联合加入则使相呈弯曲线状分布。主合金化元素Cu、Li对合金的强度具有重要影响，Ag、Mg、Zn的加入也会显著影响合金的强度。.研究表明，Mg含量较低时，合金中形成密布、细小T1相及少量θ’相；Mg含量较高时，部分T1/θ’相转变为S’/S沉淀。过量Mg的添加有利于含Mg相的成核和生长、但会限制T1沉淀的成核和生长。与Mg含量高的合金相比，低镁合金T1相形核速度更快、时效早期硬化速度更快。在峰时效态下高镁含量添加量(0.8 wt.%)几乎不会引起强度变化，过量Mg加入导致S’/S相的析出、使Al-Cu-Li合金的延伸率和韧性下降。.对Al-Cu-Li合金的断裂行为的研究表明，T1和相尺寸较大、位错不能切过时，晶内强度较高、位错被钉扎在T1相周围，应力集中效显著，因此裂纹尖端塑性区较小、疲劳裂纹扩展速率较大。T1和theata相尺寸较小、位错可切过时，析出相在位错作用下发生较大扭曲，对位错移动的阻碍较弱；此时，位错切过T1和theata相后会促使位错在晶界的聚集，促进平面滑移效应的产生。