摘要：在航空航天领域，材料的轻量化与高性能始终是核心追求。Al-Li（铝锂）合金凭借其低密度、高比强度等优势，成为替代传统铝合金的明星材料。然而，塑韧性差、各向异性等问题长期制约其广泛应用。最新研究通过成分优化与工艺创新，为这一难题提供了突破性解决方案。本文将带您深
导读
在航空航天领域，材料的轻量化与高性能始终是核心追求。Al-Li（铝锂）合金凭借其低密度、高比强度等优势，成为替代传统铝合金的明星材料。然而，塑韧性差、各向异性等问题长期制约其广泛应用。最新研究通过成分优化与工艺创新，为这一难题提供了突破性解决方案。本文将带您深入了解Al-Li合金的“进化之路”与未来潜力。
铝合金中添加锂（Li）可显著降低密度（每添加1%的Li，密度降低3%），同时提升弹性模量（增加6%）和时效强化效果。自20世纪50年代第一代Al-Li合金（如美国2020合金）问世以来，该材料历经四代迭代。第三代合金通过降低Li含量（1.0%~1.8%）并引入Cu、Mg等元素，解决了早期合金的高脆性问题，开发出2195、2198等高性能产品；第四代合金（如2070、2050）进一步优化强度与断裂韧度，成为大型客机的理想选择。然而，Al-Li合金仍面临三大挑战：1.塑韧性不足：晶界析出粗大相、氢脆等问题易引发断裂；2.各向异性严重：轧制织构导致材料不同方向性能差异显著；3.耐腐蚀性弱：成分不均匀引发局部电偶腐蚀。
针对这些问题，研究团队通过微合金化、热变形工艺优化及新型热处理技术，显著提升了Al-Li合金的综合性能。
【文章来源及内容】
由太原理工大学材料科学与工程学院边丽萍教授研究团队，联合先进镁基材料山西省重点实验室等机构在《特种铸造及有色合金》2025年第3期发表了题为《Al-Li合金研究进展》的综述文章。文章系统梳理了Al-Li合金的发展历程、关键组织因素及最新研究进展，重点探讨了合金化元素（如Cu、Ag、Zn）的协同作用、热变形工艺对微观组织的影响，以及热处理技术如何优化析出相分布。研究指出，通过调控析出相和织构，新型2A55 Al-Li合金的强度可达640 MPa，伸长率达13.7%，为航空航天轻量化设计提供了重要支撑。
【内容解读】
1. Al-Li合金的发展与挑战
- 第一代（1950s）：2020合金因脆性高被淘汰；
- 第二代（1970s）：高Li含量导致各向异性突出；
- 第三代（1990s）：降低Li含量，引入Cu、Mg，开发出2195等高性能合金；
- 第四代（21世纪）：2070合金兼顾强度与断裂韧度，成为大型客机优选材料。
图1依据化学成分对Al-Li合金进行分类
核心问题：塑韧性、各向异性、耐腐蚀性。
2关键组织因素
Al-Cu-Li-Mg系合金作为可时效强化Al-Li合金，高强度主要取决于时效过程中产生的析出强化机制。其析出序列十分复杂，可能具有Al-Cu/Li、Al-Cu-Li/Mg系综合纳米析出相特征，典型时效析出相有T1-Al2CuLi、θ′-Al2Cu、δ′-Al3Li和S′-Al2CuMg等，见图2。
图22050Al-Li合金SAED谱和TEM-DF图像
在热变形过程中，存在因塑性变形而产生的变形织构和与动态再结晶有关的再结晶织构。Al-Li合金经常规轧制、挤压后，板材晶粒形貌呈扁平的薄饼状，并具有强烈的晶体学织构；其变形织构包括黄铜织构（Brass）、S织构、铜织构（Copper）组成的β丝织构，其中黄铜织构含量较高。在再结晶过程中，板材初始的轧制织构逐步向再结晶织构转变，主要为立方织构（Cube）、高斯织构（Goss）和铜织构。但变形Al-Li合金进行中间退火处理无法消除织构以及织构诱导的异常晶粒长大，导致组织不稳定和力学性能各向异性。退火阶段初期，合金首先发生回复，晶粒呈沿轧制方向拉长的扁平状或纤维状；升高温度或保温一定时间后，变形组织中生成新的无畸变晶粒，合金中位错密度明显降低，伴随着晶粒长大、亚晶界消失，甚至可能出现再结晶织构等。研究表明，动态再结晶（DRX）机制作为Al-Li合金热加工过程的主要软化机制，精确调控有助于细化合金组织结构、消除合金各向异性和提高热加工性能。
3Al-Li合金研究进展
3.1成分设计
合金化是调控Al-Li合金微观组织和改善力学性能的有效方法之一。微量甚至痕量添加一些元素都可能改变合金组织形貌、尺寸、分布和体积分数，或者形成新的析出相，以及控制再结晶和晶粒取向等。
3.1.1主合金化元素
Cu、Li作为Al-Li合金中δ′相、T1相和θ′相等强化相的主要构成元素，其含量及比例直接影响Al-Li合金的组织性能。对主合金化元素含量设计有两种方式：①通过添加Li含量≥2%，增加δ′-Al3Li相的体积分数。但δ′相容易诱发共面滑移，从而使合金塑韧性显著降低。此外，较高的Li添加还会导致合金在加工过程形成强织构，造成合金力学性能各向异性。②提高Al-Li合金中Cu添加量（2.5%～4.5%），降低Li含量（≤1.2%），形成新的θ′和T1相复合强化，合金强度提高。图3为Al-Li合金强度与总摩尔分数x（Cu+Li）的关系，各合金编号对应的数字为x（Cu）/x（Li）值。结果表明，当x（Cu）/x（Li）保持不变时，随x（Cu+Li）增大，Al-Li合金抗拉强度、屈服强度均提高；同理，Al-Li合金强度也随x（Cu）/x（Li）增大而提高。因此，在主元合金成分设计时，不仅要提高主成分Cu、Li总量，还要保证合金x（Cu）/x（Li）比值较高。基于此，目前国内开发的超高强2A55 Al-Li合金（Cu/Li）T8峰时效处理后的抗拉强度、屈服强度、伸长率分别可达640 MPa、614 MPa和13.7%。
图3Al-Li合金T8态近峰时效强度与x（Cu+Li）、x（Cu）/x（Li）的关系
3.1.2微合金化元素
（1）用于晶粒细化的微合金化元素
①中间合金，以中间合金Al-Ti-B或Al-Ti-C的方式引入Ti和B可以实现铝合金熔融金属在凝固过程中的晶粒细化。但Al-Li合金中添加Zr、Cr、Mn等元素时，则会与TiB2相互作用致“中毒”，难以实现晶粒细化。目前，加入更多的中间合金（Al-Ti-B-RE等）或者用Al-Ti-C替代Al-Ti-B可以将此问题最小化。
②过渡族元素，Mn、Zr、Sc等促进Al3Zr、Al6Mn、Al3Sc弥散颗粒的形成，阻碍再结晶过程中晶界运动，抑制晶粒长大，提高合金强度。然而，同时添加Zr和Mn将导致再结晶阻力降低，这是由于细小Al3Zr粒子具有较高的钉扎阻力，较粗大的Al20Cu2Mn3弥散相则会降低钉扎阻力且使得Al3Zr粒子数减少。相较而言，Al3Sc可阻碍铸造过程枝晶形成，促进变形阶段产生细小晶粒或亚晶，且具有更强的抑制再结晶能力，强化效果更优。
（2）用于强化的微合金化元素Mg作为新一代Al-Li合金中最重要的微合金化元素，其含量一般不低于0.2%，起固溶强化作用。低Li含量合金中，Mg添加在时效初期有利于G.P.区形成及θ′相析出，时效后期则会促进T1相形核与析出。除固溶外，Mg还可能形成T-Al2MgLi、S或S′-Al2CuMg、Al12Mg17强化相。
Ag添加（0.10%～0.65%）可提高Al-Li合金中T1相的体积分数。Ag经时效处理后会在T1相与Al基体界面上偏聚，见图4，通过制造扩散障碍阻止T1相粗化，有助于合金的热稳定性。通常，Mg和Ag在Al-Li合金中具有相似作用，同时添加使合金具有更高的强度。
图4Ag在T1相与Al基体界面上偏聚
微量Zn添加（0.25%～0.50%）可影响Al-Li合金时效析出序列，获得较好的强化效果：①促进S′和T1相析出，获得良好的强塑性匹配效果；②降低铝基体中Li的固溶度，增加δ′相与基体的错配度，促进其析出；③同时加入Mg、Ag、Zn，时效态合金具有更高体积分数的T1相析出、强塑性最佳（见表2）。
3.2均匀化处理
将铸锭进行均匀化处理的目的主要是为了消除铸锭中的非平衡共晶相、晶内偏析和铸造应力，为后续成形提供保障；其次，均匀化过程对弥散颗粒的析出起重要作用，显著影响后续热变形过程中铝基体晶粒的再结晶行为。Al-Li合金主要均匀化处理工艺为：①单级均匀化均匀化处理温度一般低于530 ℃，保温时间低于48 h，内部枝晶组织基本消除。②双级均匀化铸锭先在较低温度下进行一级均匀化处理，含Mg、Zn、Ag等的低熔点共晶相先溶解，铸态枝晶结构逐渐消失；随后在较高温度下进行二级均匀化处理，高熔点Al2Cu等较难溶相也逐渐溶解到基体中。
3.3热机械加工
3.3.1Al-Li合金热变形行为研究
热塑性变形是解决Al-Li合金零件精密变形难题的关键方法之一。基于材料应力-应变关系构建本构模型预测流变行为是制定成形工艺参数的重要手段。目前，本构模型可分为现象学本构模型、物理本构模型和人工神经网络模型。①现象学模型利用变形温度、应变速率以及与应变的结合对模型流变应力进行拟合和预测。然而，该模型并没有考虑材料的微观结构演变，无法准确反映材料变形过程。②物理本构模型考虑了变形过程中材料的位错密度、晶粒尺寸、动态再结晶等物理参数和微观组织演变，是Al-Li合金热塑性变形本构关系的主要发展趋势。基于动态材料模型所建立的热加工图能精准预测合金材料在不同变形工艺参数下的微观组织演变、热加工性能和流变失稳性能之间的本构关系，是近年来优化材料变形参数的有力工具。CHEN X X等通过热压缩试验研究了2196 Al-Li合金热变形过程的流动行为，提出了一种综合考虑变形温度、应变速率和应变补偿的修正本构模型。依据热加工图和组织演变分析，确定其最佳变形工艺。此外，诸多研究者针对Al-Li合金热压缩过程中的变形行为和微观组织变化进行了研究。LI Y等提出了统一本构方程，对2050 Al-Li合金蠕变时效成形过程中与析出硬化和蠕变变形有关的主要微观和宏观变量演变进行了分析和建模。③人工神经网络模型主要通过回归分析预测流变应力，但Al-Li合金在高温和高应变速率条件下的变形行为是非线性的，并不能精准预测材料的流变应力。
3.3.2Al-Li合金热变形工艺
对于快速凝固Al-Li合金，热变形能有效消除合金铸件中的残留孔隙，提高合金的性能。同时，热变形过程中，①变形导致位错不断增殖、塞积和缠结，使得位错密度增加，诱发合金加工硬化；②由于动态回复和动态再结晶的发生，导致位错逐渐被消除或转化为低能态组织，从而使位错密度降低，造成合金软化。Al-Li合金的常规热加工路径为：铸造-均匀化-轧制/挤压-固溶处理-（预变形）时效，见图5。
图5Al-Li合金热变形加工工艺示意图
常见的Al-Li合金热变形加工方法有轧制、挤压、锻造等，见图6。传统轧制工艺一般用于制备不同厚度的板材，其参量包括形变温度、中间退火温度、变形程度等。形变温度与成形性和成形品质密切相关。YANG S L等通过热压缩试验研究了A1-Cu-Li合金不同温度、应变速率下的热变形行为，确定了最佳热变形参数：温度为400～430 ℃，应变速率为0.1 s-1。轧制中间退火工艺可有效提升合金的持续变形能力，进而提高合金性能。如2195 Al-Li合金经400 ℃中间退火时，在板材无明显缺陷的前提下总变形可大于94%。因此，对不同成分Al-Li合金可选择再结晶开始温度进行中间退火。不同变形量则会表现为不同微观组织形貌。1420 Al-Li合金轧制变形量达70%时，晶粒呈长条状纤维组织，晶界处形成大量等轴晶；变形量增加至80%，纤维组织沿纵向拉长，晶界及晶内密布细小等轴晶；当变形量为90%时，变形过程发生动态再结晶，形成细小均匀的等轴晶组织。针对传统单向多道次轧制Al-Li合金板材存在不同程度边裂、强烈变形织构的情况，采用交叉轧制工艺可以很好解决这一问题。交叉轧制区别于传统轧制是其在每道次轧制前都改变板材轧向，从而改善铝合金板材的各向异性，提升成形性。
图6Al-Li合金的DRX机制及常用热加工方法示意图
1.冲压机2.胚料3.容器4.平模5.宽展模6.小纵横比剖面
相比于轧制和锻造，挤压可以使金属材料最大程度地进行塑性变形，能够精准制造出各种复杂截面形状的型材。在热挤压过程中，挤压工艺参数（挤压温度、挤压速度和挤压比）决定了型材最终的成形品质，其微观组织会发生一系列变化，如动态回复、动态再结晶、第二相粒子的演化及晶体学织构的转变等。若挤压工艺设计不合理，则会导致挤压加工难以进行或合金组织不均匀，表层形成完全再结晶组织，中心为未再结晶组织。
3.4热处理
Al-Li合金作为典型的可热处理强化合金，适宜的热处理工艺制度不但能改变基体晶粒尺寸、再结晶程度及织构等，还能够影响析出相的尺寸与分布，是获得最佳强度和综合性能的关键。
（1）固溶（淬火）处理固溶（淬火）处理能将合金制备过程残留的第二相重新溶解并形成过饱和固溶体，为后续时效强化相析出提供形核条件。固溶处理效果主要与固溶温度、时间及淬火介质、淬火转移时间有关。常见的固溶处理包括单级和双级处理。与单级固溶相比，双级固溶处理能有效提高溶质过饱和度，促进时效过程中析出。Al-Li合金最佳的固溶处理温度、时间一般为510～540 ℃、30～60 min，其抗拉强度可达500 MPa以上。固溶处理后需快速淬火，否则已溶解的第二相会在冷却过程中再次析出，造成过饱和度下降和时效非均匀析出。一般情况下，Al-Li合金采用冷水淬火，且淬火转移时间不超过5 s。
（2）时效处理单级时效工艺（T6）经150～190 ℃、20～50 h达峰值状态，合金具有较高的强度、硬度，但其抗应力腐蚀性能和断裂韧度较差。新型Al-Li合金T1作为主要强化相析出，易于在位错处形核；在｛111｝Al面上析出的片状T1相能有效地均匀化滑移，有利于提高韧性和减小各向异性。基于这一形核机制，研究者提出在时效前引入预变形（拉伸、冷轧、冷压）可显著改善合金的综合力学性能。
对难以施加预变形的异形构件，通过双级或多级时效也可实现析出相的高密度析出，如固溶态合金首先在低温下预时效，使溶质元素在缺陷处聚集形成G.P.区或亚稳相，而后在高温下时效，析出细小而均匀的强化相，获得高强度和良好韧性。
【主要结论】
针对Al-Li合金成分调控、热模拟试验及本构模型构建、热机械加工、热处理工艺等问题，研究者已开展了诸多基础理论研究。然而，在新型Al-Li合金成分设计、成形制造及热处理强化一体化研究方面仍存在一些关键难题。
（1）微合金化方面应充分考虑各合金元素、微观组织和性能相关性，如不同含量Mg、Ag、Zn复合强化效果及机理，稀土元素（Sc、Ce）弥散强化和细化晶粒作用等，以开发具有高强韧、耐腐蚀等综合性能匹配的Al-Li合金。
（2）热变形方面应建立更为精确的热变形本构模型，提高热模拟试验结果的准确性，进一步结合先进变形工艺（如多向锻造、交叉轧制、搅拌摩擦焊等）提高合金综合性能。
（3）形变热处理方面充分利用新型快速固溶热处理，如采用高能电脉冲和形变时效工艺优势，形成更高效的热处理工艺制度，深入研究脉冲电流加速基体再结晶、调控第二相回溶析出等组织调控机制、大幅提高Al-Li合金的综合性能。
基于上述条件，通过优化合金成分、热变形及热处理工艺等手段调控基体织构和析出相析出行为，获得良好综合性能、各向同性的Al-Li合金。
【引用格式】
- 中文：李莎，边丽萍，平宏伟，等. Al-Li合金研究进展［J］. 特种铸造及有色合金，2025，45（3）：342-350.
- 英文：LI S, BIAN L P, PING H W, et al. Research progress in Al-Li alloy［J］. Special Casting & Nonferrous Alloys, 2025, 45(3): 342-350.
扩展阅读：欢迎登陆www.special-cast.com，阅读、下载、引用《特种铸造及有色合金》期刊上发表的论文。
编辑/排版：江姗
校对：刘晨辉
审核：张正贺
来源：特铸杂志
