2055 Al-Li合金的低温轧制与短期时效处理：揭示T1沉淀物的形核路径及变形依赖的强化机制

《Materials Science and Engineering: A》：Cryogenic rolling and short-term aging of 2055 Al-Li alloy: Unveiling nucleation pathways of T1 precipitates and deformation-dependent strengthening mechanism

本研究系统考察了2055 Al-Li合金经不同冷轧变形量及短时时效后的显微组织和力学性能演变规律，揭示了变形量对合金织构、位错密度、滑移与析出行为及强化机制的影响，并建立了冷轧与时效协同强化的理论模型。

　　

Zhilong Du|Li Zhang|Anqing Li|Liguo Wang|Shaokang Guan

材料科学与工程学院，河南省先进轻合金重点实验室，郑州大学，郑州450001，中国

摘要

本研究系统地研究了2055 Al-Li合金在经过不同变形量的深冷轧制（CR）处理后，再进行短期时效（STA）处理时的微观结构和力学性能变化，重点关注了织构演变、位错密度、滑移行为和沉淀行为以及强化机制。结果表明，随着变形量从10%增加到90%，织构强度从强烈的Cube {100}〈001〉和Goss {110}〈001〉织构转变为中等的Brass {011}<211>、Goss {110}<100>和S {123}<634>织构。同时，Schmid因子（SF）逐渐减小，在变形量为90%时SF降至0.4以下，表明滑移激活变得更加困难。位错密度显著增加，且在变形量超过30%后形成了更窄、更规则的位错壁，并伴随着能够吸收位错的扭结带（KBs）的形成。对于T₁沉淀相，在变形量为10%时主要由Mg/Ag团簇驱动的均匀形核机制起作用；而在更高变形量下，出现了两种形核机制：位错壁外的均匀形核和位错壁内的非均匀形核。该合金在变形量为70%、时效时间为4小时时达到了最佳的强度-延展性平衡，其极限抗拉强度（UTS）为515 MPa，屈服强度（YS）为425 MPa，伸长率（EL）为6.3%。理论计算表明，在变形量小于50%时沉淀强化占主导作用，而在更高变形量下位错硬化占主导作用。本研究提出的热机械加工路线显著缩短了时效时间，为高性能Al-Li合金的高效制造提供了有价值的参考。

引言

Al-Li合金具有优异的材料性能组合，包括显著降低的密度、提高的比刚度和强度以及出色的耐腐蚀性，这些性能共同促进了其在航空航天结构、国防应用和其他对重量减轻和结构效率要求严格的工程领域的广泛应用[1]、[2]。最新一代Al-Li合金，如AA2195和AA2055，通过精确控制Cu/Li的化学计量比和降低Li含量，实现了更高的准静态强度和断裂韧性，同时保持了其他性能的平衡[5]。作为典型的时效硬化合金，它们的主要强化机制来源于T₁（Al₂CuLi）、θ?（Al₂Cu）、S?（Al₂CuMg）、δ?（Al₃Li）和β?（Al₃Zr）沉淀相[6]。其中，T₁相在{111}_Al晶面上析出，有效阻碍了位错的运动，成为2055 Al-Li合金的主要强化相[7]。因此，当前的研究主要集中在通过精确控制T₁相的形态、尺寸和分布来提升其力学性能[8]。多种先进的加工技术，如深冷轧制、非对称冷轧、两阶段均匀化、多方向锻造和双阶段时效，已被开发用于细化晶粒和调节Al-Li合金中的沉淀分布，从而协同增强其力学性能[9]、[10]、[11]。与其他技术相比，深冷加工能够抑制动态回复，将位错“冻结”在晶粒中，并同时将晶粒细化到纳米级别[12]。这一过程保持了高密度位错的均匀分布和增强的晶格畸变能[13]，促进了后续时效过程中的元素扩散和沉淀相的快速形成[14]，从而生成了均匀分布的细化沉淀相，减少了微观结构的异质性，最终通过协同硬化机制提升了合金的强度-韧性平衡[15]。在T8时效前进行10%的深冷轧制（CR）处理后，无Ag的Zn微合金化2195 Al-Li合金的抗拉强度（664.1 MPa）和伸长率（8.1%）显著提高，这归因于低角度晶界（LAGBs）比例的增加以及位错和T₁沉淀相的更均匀分布[16]。相关研究证实，CR过程中动态回复的抑制增强了位错硬化和T₁相的非均匀形核，细化了晶粒和沉淀相，提高了2195 Al-Li合金的强度和耐腐蚀性。此外，CR后的人工时效效率相比室温轧制有了显著提高，时效峰值时间从20小时缩短至8小时[17]。随着变形量的增加，CR处理的细小T₁沉淀相数量也显著增加，从而实现了更显著的沉淀强化效果[18]。这些研究表明，CR通过位错硬化和沉淀强化机制提升了Al-Li合金的力学性能，并缩短了后续人工时效的时间。然而，仍有以下方面需要进一步探讨：（1）随着深冷轧制变形的进行，位错滑移模式的变化；（2）控制T₁沉淀相形核的途径；（3）位错与沉淀相对对整体强度提升的贡献；（4）深冷轧制变形对时效动力学和效率的影响。

本研究对2055 Al-Li合金实施了深冷轧制结合短期时效处理，系统研究了不同变形量对合金微观结构和力学性能的影响。严格分析了变形程度对织构和位错演变、滑移行为及沉淀行为的影响，并阐明了关键力学机制，填补了相关领域的研究空白。此外，还定量比较了该方法与其他热机械加工路线的时效效率，旨在为高强度Al-Li合金的高效制造建立理论基础。

材料与深冷轧制工艺

图1示意性地展示了完整的加工流程，包括具体的峰值时效温度曲线。本研究中使用的原材料是经过热轧和固溶处理后的水淬（WQ）2055 Al-Li合金板，其成分通过电感耦合等离子体质谱仪（ICP，Thermo Scientific iCAP PRO X，美国）测定，具体信息见表1。首先，在氩气保护下将原材料熔化于实验室坩埚中，得到合金锭。

晶粒结构与织构演变

图2显示了不同变形量下WQ和CR样品的RD×ND截面的极图（IPF）分布，直方图展示了平均晶粒直径以及LAGBs和HAGBs的比例。WQ样品中的晶粒具有典型的规则形态，而CR-10样品中的晶粒几乎没有变形。随着变形量从30%增加到90%，晶粒发生明显伸长，晶粒宽度逐渐减小。

深冷轧制变形对位错增殖的影响

深冷轧制通过在低温下固定位错来保持高密度位错。平均KAM值表明，随着变形量的增加，局部位错密度上升。总体位错密度可以通过XRD结果使用以下公式计算：$$其中ε表示晶格应变，D表示平均晶粒尺寸（nm）。ε与D之间的关系由Williamson-Hall（W-H）公式描述：$$