Sc元素调控Cu/Li比例对T8时效Al-Cu-Li合金强度与激光焊接性能的协同优化机制

本研究针对高Cu/Li比Al-Cu-Li合金中W相(AlCuSc)形成导致的强度下降及焊接性能瓶颈问题，通过系统调控Cu/Li比例与Sc元素添加，揭示了Sc细化晶粒、抑制W相形成的作用机制，发现中Cu/Li比合金可形成高密度δ′/GPI/δ′复合相补偿T1相减少的强度损失，同时Sc显著提升焊接接头强度（最高增加52MPa）并抑制热裂纹。该研究为航空航天用铝锂合金的成分设计与焊接工艺优化提供了重要理论依据。

　　

论文解读
铝锂合金因其低密度、高比强度的特性，成为航空航天减重设计的明星材料。然而，第三代Al-Cu-Li合金如2195在应用中暴露出两大痛点：一是高Cu/Li比导致重量优势减弱，二是焊接过程中热裂纹和接头软化问题突出。更棘手的是，传统添加Sc元素虽能细化晶粒，但在高Cu含量时会形成W相(AlCuSc)，消耗Cu元素并抑制关键强化相T₁(Al₂CuLi)的析出，导致强度下降20-30MPa。如何通过成分设计打破这种"强度-焊接性"的互斥关系，成为该领域亟待解决的科学问题。

北京有色金属研究总院的研究团队在《Materials》发表的研究中，创新性地通过调控Cu/Li比例（3.85/1.20至3.03/2.04）与Sc元素协同添加，系统研究了T8时效（预变形+人工时效）条件下合金的微观组织演变规律。研究采用多尺度表征技术，包括非平衡凝固曲线计算（Pandat软件）、EBSD晶粒取向分析、HAADF-STEM原子尺度观测等，结合激光焊接实验（HWQ-2000设备，1.7kW/30mm/s参数），揭示了成分-组织-性能的构效关系。

3.1 微观组织特征
研究发现Sc添加使铸态晶粒从216μm粗大柱状晶转变为33μm等轴晶（A4合金）。高Cu/Li比合金（A2）中Sc会形成难溶W相，而降低Cu/Li比可改变凝固顺序，使Al₂CuLi相优先析出，抑制W相形成（图4）。T8时效后，Sc添加使再结晶程度从24.3%（A1）降至10.6%（A3），但超细晶A4合金因高密度晶界导致再结晶程度反弹至28.3%。

3.2 时效析出行为
高Cu/Li比合金（A1/A2）的时效序列为：过饱和固溶体→GP区→θ′+T₁→δ′/θ′/δ′+T₁，而中低Cu/Li比合金（A3/A4）则形成δ′/GPI/δ′复合相（图12）。值得注意的是，预变形引入的位错使A1/A2合金中T₁相数量相当，但A2因W相消耗Cu导致δ′/θ′/δ′相减少。计算表明，T₁相剪切机制（公式3）贡献强度166-213MPa，而δ′/GPI/δ′复合相通过界面能降低效应贡献62-125MPa，补偿了低Cu/Li比合金中T₁相减少的强度损失。

3.3 激光焊接性能
Sc添加使焊接接头晶粒细化，熔合区等轴晶比例增加（图15），且将焊缝共晶相从T_B(Al₇Cu₄Li)转变为T₁相（图18）。中Cu/Li比A3合金表现出最优焊接系数（强度提升52MPa），因其HAZ区析出20-30nm的Al₃(Sc,Zr)粒子（图19），使硬度峰值达115HV，较A1提高31%。而低Cu/Li比A4合金因连续网状共晶相导致焊缝塑性下降。

4. 结论与意义
该研究首次阐明Cu/Li比例与Sc元素的协同作用机制：1）中Cu/Li比（3.44/1.63）合金通过δ′/GPI/δ′复合相与T₁相协同强化，实现677MPa抗拉强度与9%延伸率的平衡；2）Sc元素通过细化焊缝晶粒、促进T₁共晶相形成，使接头强度提升8.2%；3）HAZ区Al₃(Sc,Zr)纳米析出可缓解热影响区软化。这项研究为新一代可焊高强铝锂合金设计提供了关键理论支撑，其提出的"成分-工艺-组织"调控策略对航空航天结构件轻量化具有重要工程价值。