Ag在耐热Al–Cu–Li–Sc–Si合金中的双重作用：增强T8强度但降低热稳定性

《Journal of Alloys and Compounds》：The Dual Role of Ag in a Heat-Resistant Al–Cu–Li–Sc–Si Alloy: Enhanced T8 Strength but Reduced Thermal Stability

　　

摘要

以往关于含Ag的Al–Cu–Li合金的研究主要集中在时效硬化行为和室温性能方面，而Ag对热稳定性的影响则知之甚少。本研究在高Cu/Li比的Al–Cu–Li–Sc–Si合金中研究了Ag的微量合金化作用。添加0.35和0.75 wt.% Ag使T8状态下的屈服强度分别从410 MPa提高至442和457 MPa，这主要是通过促进T?（Al₂CuLi）析出并抑制竞争的θ′（Al?Cu）及其他含铜析出相来实现的。然而，Ag在热暴露过程中逐步降低了强度保持率。在200 °C/100 h热暴露后，屈服强度保持率从78.3%分别下降至73.3%和67.0%；在250 °C/100 h热暴露后，进一步从57.6%下降至49.8%和43.3%。这种加速退化与T?的粗化加剧和溶解，以及粗大T₂（Al?CuLi?）和T_B（Al?Cu?Li）平衡相的更广泛形成有关。这些结果揭示了峰值时效强化与热稳定性之间存在显著权衡关系，为耐热Al–Cu–Li基合金的精确成分设计和显微组织调控提供了指导。

引言

航空航天工业对轻量化、高强度且热稳定性好的结构材料需求不断增加，持续推动着先进铝合金的发展。Al–Cu–Li合金因其低密度和高比强度而成为航空航天应用领域的理想候选材料[1], [2], [3]。然而，传统Al–Cu–Li合金的长期服役温度通常限制在150 °C以下。当温度超过200 °C时，主要强化相T?（Al?CuLi）析出相发生显著的粗化和溶解，导致强度急剧下降[4], [5]。例如，在接近250 °C的长期热暴露后，包括2098、2090和2055在内的商用Al–Cu–Li合金的残余室温屈服强度降至约125–190 MPa[6], [7], [8]。相比之下，传统的耐热Al–Cu合金（如2219和2519）在相似的热暴露条件下仍可保持240 MPa以上的屈服强度[6], [9]。因此，在保持Al–Cu–Li合金轻量化优势的同时提高其在高温下的显微组织稳定性和强度保持率，仍是将其应用于耐热结构件的一大挑战。

与常规时效Al–Cu–Li合金中成分–显微组织–室温性能关系的广泛研究相比，耐热Al–Cu–Li合金的开发仍相对有限。现有的合金设计策略可大致分为两种途径：提高T?析出相对粗化和溶解的抗力，以及在T?退化后建立替代的析出强化途径。例如，据报道Ce微量合金化可以减缓Cu扩散并降低T?析出相的粗化速率[10]。本课题组此前的研究进一步表明，微量合金化的效果在很大程度上取决于Cu/Li比和初始析出显微组织。在以T?析出为主的相对高Li含量Al–Cu–Li–Sc合金中，Sc显著延缓了T?的Ostwald熟化[11]。相比之下，在含T?和θ′两种析出相的高Cu/Li比Al–Cu–Li–Sc–Si合金中，热暴露期间T?的溶解伴随着纳米级θ′的再析出。Sc在α-Al/θ′界面的偏聚以及θ′与含Si的Q′（Al?Cu?Mg?Si?）析出相之间的相互作用促进了θ′的形成和稳定性，使300 °C下的屈服强度从107 MPa提高至160 MPa[12]。这些发现表明，微量合金化和析出控制策略应根据初始析出显微组织进行定制，以提高高温下的显微组织稳定性和力学性能。

Mg和Ag是Al–Cu–Li合金中广泛使用的微量合金化元素，尽管大多数以往的研究主要集中在它们对人工时效过程和室温性能的影响上。Mg促进Mg–Cu协同团簇及相关前驱结构的形成，从而有利于T?的形核；而Ag则通过增加T?的数量密度并细化其分布来进一步增强T?析出，从而提高峰值时效强度[13], [14], [15], [16]。也观察到Ag在T?/α-Al界面的偏聚，理论计算表明这种偏聚可以降低界面能[17], [18]。因此，Ag通常被认为是提高Al–Cu–Li合金室温强度的有益微量合金化元素。在本研究中，所有合金中的标称Mg含量均维持在0.35 wt.%，以促进T?的形核和析出，同时使Ag的作用能够独立评估。

然而，Ag在长期热暴露过程中的作用可能与人工时效过程中的作用大不相同。据报道，含Ag的商用Al–Cu–Li合金（包括2195、2196和2198）在高温暴露期间会形成粗大的T?和T_B平衡相，并且在T?相中经常检测到Ag富集[8], [19], [20]。这些观察结果表明，Ag的分配可能与高温下平衡相的演变相关联。然而，由于商用合金含有多种合金化元素且成分固定，Ag对析出相演变和强度保持率的具体影响难以单独分离。因此，尚不清楚Ag在200–250 °C的长期暴露过程中是否仍能提供净效益，还是反而加速了亚稳强化析出相的退化。

本课题组近期针对Cu/Li比约为2.6的Al–2.8Cu–1.1Li–0.25Sc合金的研究表明，Ag提高了T8强度但降低了热稳定性。这种行为与热暴露期间T?的粗化加速和粗大T?相的更广泛形成有关。然而，尚不清楚当Li含量降至约0.6 wt.%且Cu/Li比增加至约4.7时，这种双重效应是否仍然存在[21]。降低的Li含量可能抑制T?和T_B等富Li平衡相的形成。此外，本合金的多相时效显微组织（包含T?、θ′、Q′和σ析出相）与先前研究所探讨的以T?为主的显微组织明显不同，因此在热暴露过程中可能对Ag产生不同的响应。这种低Li的Al–Cu–Li–Sc–Si体系为阐明Li可用性和竞争析出如何影响Ag对热稳定性的作用提供了独特的显微组织背景。

据此，向低Li的Al–Cu–Li–Sc–Si合金中分别添加了0、0.35和0.75 wt.% Ag。尽管在常规Al–Cu–Li合金中Ag的添加量通常控制在约0.3–0.5 wt.%范围内，但在一些高强合金（如2195和2196）中已报道了接近0.7 wt.%的Ag含量。因此，选择0.75 wt.% Ag作为相对较高Ag含量的参考成分，以确定进一步提高Ag含量是否能为T?析出和峰值时效强度带来额外益处，并评估其对热稳定性和热暴露期间强度保持率的影响。对T8状态以及200和250 °C热暴露后的力学性能进行了评估，并结合了多尺度显微组织表征。特别关注了T8状态下Ag诱导的T?、θ′、Q′和σ析出相的重新分布，强化析出相随后的粗化和溶解，以及热暴露过程中粗大T?和T_B平衡相的形成。研究目标是阐明Ag诱导的峰值时效强化与高温强度保持率之间的权衡关系，从而为耐热Al–Cu–Li合金的精确成分设计和显微组织调控提供指导。

各节摘要

实验

三种合金（分别命名为0.6Li0Ag、0.6Li0.35Ag和0.6Li0.75Ag）的实测化学成分列于表1中。成分通过电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP–AES）测定。合金铸锭采用高纯Al（99.99%）、Li（99.9%）和Ag（99.99%），以及Al–60Cu、Al–10Mg、Al–20Si和Al–2Sc中间合金制备，所有成分以wt.%表示。在石墨坩埚中于750 °C下在

固溶处理后的显微组织演变

图1展示了三种合金固溶处理后的显微组织。如图1a–c所示，三种合金中均存在少量残余第二相。对0.6Li0.75Ag合金的EDS分析（图1e–g和i–k，以及表2）表明，这些粒子主要是W（AlCuSc）和Al?Sc相，与以往报道一致[11], [22]。在SEM–EDS的空间和成分分辨率范围内未检测到富Ag的第二相粒子，这表明大部分Ag

Ag对T8状态显微组织和强度的影响

显微组织表征表明，Ag的添加显著改变了T8状态下T?、θ′、Q′和σ相之间的竞争析出。随着Ag含量的增加，T?的面密度显著增大，而θ′和σ的面密度减小，且Q′析出相的出现频率降低。根据Nie等人提出的强化模型，位于{111}_Al平面上的盘状T?析出相因其较大的

结论

本研究揭示了在低Li、高Cu/Li比的Al–Cu–Li–Sc–Si合金中，Ag的T8强化效果与热稳定性之间存在显著的权衡关系。主要结论如下：

• 1.
  Ag的添加使晶粒尺寸略有增大，但对应的晶界强化差异可忽略不计。固溶处理后未检测到富Ag的组成相粒子，表明大部分Ag仍溶解在α-Al基体中。
• 2.
  Ag显著促进了T?析出

CRediT作者贡献声明

白俊元：调查研究。王智琦：研究方法。李佳明：调查研究。赵志豪：指导。秦高武：撰写–审阅与编辑、指导、经费获取。薛浩：撰写–初稿、研究方法、调查研究、形式分析、数据管理、概念构思。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文所报告工作的已知竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到国家重点研发计划（编号2023YFB3700149）和国家杰出青年科学基金项目（编号51525101）的资助。

利益冲突

作者声明不存在任何利益冲突。

薛浩|王智琦|李佳明|白俊元|赵志豪|秦高武

山东滨州先进铝制造实验室（SLAAMB），滨州学院，威桥-中科院科技园，山东省滨州市，中国，256606