圖1 鋁合金性能變化：

（a）影響材料質量的因素；（b）溶質對鋁合金密度的影響

由于兼具低密度、高彈性模量、高比強度和比剛度等突出優點，鑄造鋁鋰合金是制備復雜大型構件的合適的金屬材料，也是航空航天、國防和軍事工業的理想結構材料。根據鑄造鋁鋰合金的微觀組織特征，探索合金化和微合金化的作用可以穩定其主導地位，進一步擴大其應用場景。本文全面總結了鑄造鋁鋰合金的研究進展。根據最新的研究重點，系統分析了合金化和熱處理對微觀組織和力學性能的影響；總結了改善合金性能的潛在方法；針對鑄造鋁鋰合金的實際工程需求，討論并展望了尚存的科學挑戰和未來的研究方向。

上世紀80年代，德國研究人員率先開發出一種Al-12Si-5Li鑄造鋁鋰合金，密度極低僅為2.36 g·cm^-3，機械性能優于傳統的Al-Si合金。此后不久，Haynes等人又開發出一種含Si的鑄造Al-Li合金，其屈服強度和伸長率高于傳統的A356合金，密度降低了5%-10%。他們成功利用這種合金制造出了形狀復雜的薄壁零件。俄羅斯學者則將研究重點放在了Al-Li-Cu系合金上。Il'in等人開發了一種Al-3Li-1.5Cu-0.2Cd合金，其抗拉強度約為376 MPa，但伸長率僅為1.2%。在此基礎上，Nikitin等人添加了多種微合金化元素，如Mn、Zr、Cd和Nb。經時效處理，合金的抗拉強度可超過370 MPa，伸長率為6.5%。在發達國家，鑄造鋁鋰合金已廣泛應用于航空航天、武器裝備等領域：美國 Howmet公司用Al-Li合金鑄件代替飛機部件，重量減輕了約5%。英國EH101直升機使用了鋁鋰合金鑄件，使飛機整機質量減輕了約20 kg。此外，美國“奮進”號航天飛機的外貯箱和波音747的起落架、俄羅斯“能源”運載火箭的燃料貯箱和米格-29戰斗機的儀表板、歐洲空中客車飛機的整流罩都成功地采用了鑄造鋁鋰合金。使用鑄造鋁鋰合金可以增加有效載荷，提高經濟效益。

與國外相比，我國對鑄造鋁鋰合金的研究起步較晚，基礎相對薄弱。近年來，國內高校開始在現有基礎上研發高性能鑄造鋁鋰合金。在Al-Li-Mg系合金方面，Shi等人開發出了Al-3Li-2Mg-1Zn-0.2Sc-0.1Zr合金，其密度僅為2.479 g·cm^-3，彈性模量為82.6 GPa，伸長率顯著提高。然而，屈服強度與含Cu的Al-Li合金之間存在差距。對于Al-Li-Cu系合金，Wu等人通過改變Li和Cu的含量優化出Al-3Li-2Cu-0.2Zr合金，使其具有良好的彈性模量，但僅調節主元素的含量對強度和塑性的提高是有限的。對于Al-Li-Cu-Mg系合金，Qi等人研究了Cu添加量和熱處理方案對鑄造Al-Li-Mg合金微觀組織和力學性能的影響。他們報告稱，在175 °C下時效32 h的Al-2.5Li-2Mg-1Cu-0.12Zr合金可獲得良好的強度和塑性組合。Zhang等人研究了Mg和Sc對微觀組織演變和力學性能的影響。結果表明，Al-2Li-2Cu-0.5Mg-0.2Sc-0.2Zr合金具有優異的力學性能和熱穩定性。之后，Zhang等人開發的Al-2.5Li-1.5Cu-1Zn-0.5Mg-0.2Sc-0.15Zr合金是現有報告中綜合性能最好的鑄造鋁鋰合金。該合金的屈服強度為401 MPa，極限抗拉強度為565 MPa，經過雙階固溶和時效處理后的伸長率為8.2%。然而，國內對鑄造鋁鋰合金的研究仍停留在實驗室水平，還沒有成功應用的案例。因此，開展相關研究，開發高性能鑄造鋁鋰合金迫在眉睫。

圖2 峰時效條件下Al-2.5Li-2Mg-xCu-0.12Zr合金的δ′相和δ′-PFZ帶的暗場圖像：（a1, b1）0Cu；（a2, b2）0.5Cu；（a3, b3）1Cu；（a4, b4）1.5Cu

含Cu相

θ′-Al₂Cu是含Cu鋁合金中常見的亞穩強化相。特別地，在Al-Li-Cu合金中隨著時效的進行，δ′相會包裹于θ′相周圍析出，形成δ′/θ′雙相結構（圖3），進而抑制θ′相的長大并改變δ′相的空間分布。T1相為半共格平衡相，在{111}α面上呈盤片狀析出。研究表明，鋁合金中慣析面為{111}α的盤片狀相可產生最大臨界剪切應力，因此T1相在Cu相中最具強化效應。合金中常觀察到T1相的單側或雙側分布著半球狀δ′相，可能是δ′相被T1相切過或撞擊所致。S′相為Al-Li-Cu-Mg合金中的半共格亞穩相，如圖4所示。除沉淀強化作用外，塑性變形時彌散分布的T1和S′相還能促進位錯交滑移，減少共面滑移，進而改善合金塑性。值得注意的是，含Cu相之間會爭奪Cu原子和自由空位，因此它們之間存在競爭析出行為，最終影響合金的力學性能。

由于位錯、層錯、亞晶界等晶體缺陷可作為含Cu相的非均勻形核核心，變形鋁鋰合金通常通過T8熱處理形成高位錯密度以促使含Cu相大量析出，改善合金強塑性。而鑄造鋁鋰合金無法通過變形處理引入新的位錯，含Cu相的形核實際主要依靠淬火空位釋放形成的螺位錯或位錯環，但數密度相對較低，對合金強塑性的貢獻不夠顯著。

圖3 在150 °C時效40 h的δ′/θ′雙相的TEM圖像：

（a）暗場圖像；（b）明場圖像

圖4 S'/α-Al界面的高分辨TEM分析和應變場：

（a）S'相的高分辨TEM圖像；（b）方框區域的放大圖像；（c, d）傅里葉變換和逆傅里葉變換圖像；（e）幾何相位分析顯示εxx區域的應變張量分量；（f）沿線1的應變值隨距離的變化情況

圖5 Al₃Li和Al₃(Zr, Li)核殼結構相的HAADF-STEM圖像：

（a）δ′相；（b）Al₃(Zr, Li)核殼結構相；（c，d）Al₃(Zr, Li)內部以及與鋁基體界面處晶格結構圖像

鑄造鋁鋰合金成分復雜，需要針對性開發熱處理工藝以充分發揮各合金化元素的作用，調控物相構成，使合金獲得理想的服役態綜合性能。以下分別闡述固溶及時效熱處理對鑄造鋁鋰合金組織和強塑性的影響。

固溶處理

鑄造鋁鋰合金的凝固態組織第二相種類繁多，包括AlLi、含Cu相（Al₂Cu、Al₆CuLi₃等，主要存在于Al-Li-Cu系合金中）、含Mg相（Al₁₂Mg₁₇、Al₂MgLi等，主要存在于Al-Li-Mg系合金中）以及Al₃Zr與Al₃Sc的初生相和共晶相等，需要足夠的固溶溫度與時間保證第二相的充分溶解和溶質原子的充分擴散，以形成過飽和固溶體，為后續時效過程中強化相的析出提供足夠動力。但是，過高的固溶溫度或過長的固溶時間可能導致晶粒異常長大，甚至造成局部過燒，嚴重損害合金的塑性。同時，鑄造鋁鋰合金中的Li、Mg等元素具有較高的化學活性，長時高溫固溶時試樣表面易氧化。

由此可見，常規單級固溶處理很難使鑄造鋁鋰合金在不產生晶粒粗化、局部過燒和表面氧化的前提下獲得理想的固溶態組織。為改善固溶效果，國內在研合金多依據各第二相的相變反應溫度設計從低溫至高溫的雙（多）級固溶處理，其中低溫階段不高于固相線溫度，可分解大部分第二相，后續的高溫階段進一步分解少量殘余第二相，同時加快溶質擴散，使溶質在基體中均勻分布。例如，Zhang等人優化出Al-2Li-2Cu-0.2Zr合金的雙級固溶工藝，即460 ℃×32 h+520 ℃×24 h，使晶界非平衡第二相完全溶解，晶內偏析基本消除。

時效處理

時效是過飽和固溶體脫溶分解，沉淀相從基體中析出的過程。鑄造鋁鋰合金常使用單級人工時效處理，溫度與時間等參數決定著時效過程中多種析出相的尺寸和分布，進而顯著影響合金的力學性能。較低的時效溫度和時間能夠有效抑制δ′相和δ′-PFZ粗化，進而使得合金具備良好的塑性（如圖6所示）。當時效溫度提高后，δ相與Al₃M型彌散相加速長大，含Cu相獲得了析出所需要的較高的形核能，數密度顯著提升。并且，θ′和T1相的直徑厚度比、S′相的厚度也隨時效時間的延長不斷增加，合金有序強化、彌散強化、沉淀強化效果增強，具有較高的屈服強度。而當時效溫度和時間進一步提升時，δ′相加劇粗化并開始溶解，體積分數有所降低，S′相也出現異常聚集長大現象，合金力學性能將迅速惡化。由此不難看出，單級時效參數的選擇需要綜合考量，以獲得最佳的強塑性匹配。鑄造鋁鋰合金典型時效溫度為150-175 ℃，時間一般控制在8-32 h，合金處于峰時效或欠時效狀態。

針對單級時效強塑性矛盾問題，有時可采用先低溫后高溫的雙級時效方法：低溫時效時δ′相和δ′-PFZ不易粗化，同時有利于形成均勻的溶質原子團簇，為含Cu強化相提供形核位置，從而在隨后的高溫時效過程中獲得更多細小且均勻分布的含Cu相。Wu等人對鑄造Al-3Li-2Cu-0.2Zr合金進行了120 ℃×6 h+160 ℃×24 h雙級時效處理，使θ′相數密度顯著增加，與160 ℃×24 h單級時效相比, 在保持合金原有強度水平的前提下有效改善了延伸率。

圖6 時效參數對δ′相和δ′-PFZ的影響：（a，b）δ′相在175 °C時效8 h和64 h；（c）δ′相在125 °C時效128 h；（d）δ′相在225 °C時效4 h；（e，f）δ′-PFZ在175 °C時效8 h和64 h

輕質高剛度鑄造鋁鋰合金在航空航天和國防工業中具有廣闊的應用前景。然而，其力學性能和鑄造性能還不盡如人意，這限制了其在先進設備中的進一步應用。優化合金成分和熱處理制度是提高鑄造鋁鋰合金鑄造性能和力學性能的可靠方法，對挖掘其潛力、拓寬應用領域具有重要意義。然而，仍有一些問題亟待解決：

（1）目前對鑄造鋁鋰合金的合金化和微合金化的研究主要集中在提高力學性能上，很少關注其鑄造性，而寬鑄造窗口是合金獲得優異服役性能的前提條件。鑄造鋁鋰合金的凝固溫度區間大，熱裂敏感性高，容易產生氣孔、縮孔、吸氫等缺陷。因此，有必要進一步揭示合金成分對鑄造性能的影響，探索降低熱裂敏感性的有效方法，并針對大型復雜部件進行成分微調，從而加速工程化應用。

（2）目前，鑄造鋁鋰合金是以Al-Li-Cu(-Mg)體系為基礎，同時添加Zr、Sc和其他元素來輔助改性。然而，與傳統的商用鋁合金相比，其力學性能，尤其是塑性并不突出。后續應探討復合添加多種微合金元素對合金性能和微觀組織的影響。應重點關注精煉元素、稀土元素、高空位結合能元素和Al₃M型相生成元素。應嘗試引入原位自生TiC、TiB₂或Mg₂Si等強化顆粒，以進一步提高合金的強度和韌性。

（3）現有的熱處理制度主要是（雙）多級固溶加單級時效，耗時長、成本高，而時效過程又局限于單一的溫度和時間變量，難以充分發揮鋁鋰合金的潛力。一方面，有必要提高原材料和鑄造工藝的質量，以盡量減少偏析和粗大的次生相；另一方面，可以參考傳統鋁合金的間歇時效、回歸再時效和固溶前預時效等方法，抑制δ′相和δ′-PFZ的粗化，促進含Cu相和共格分散相的析出。