北京工业大学聂祚仁院士团队《JMST》：Er微合金化通过增强第三代 Al-7.7Li 合金的反相畴界能提升析出强化效果

——导读——

　　Al-Li合金因低密度、高比强度和高弹性模量而被广泛用于航空航天工业。Li的加入不仅降低铝的密度，还能形成共格的L1₂有序δ′(Al₃Li)相，提供有序强化。然而，这种有序强化易在变形时引发平面滑移，导致力学性能各向异性。向低Li Al-Li合金中微量添加Sc可形成稳定L1₂-Al₃Sc相，经高低温双级时效后显著强化，但高温时效对Al-Cu-Li合金不利，会促使粗大T₂(Al₅CuLi₃)与TB(Al₇Cu₄Li)相析出，消耗强化相T₁(Al₂CuLi)，损害性能，因此，Sc无法通过双级时效改善Al-Cu-Li合金性能。相比Al₃Sc，Al₃Er在300°C形核率更高，原因是其化学驱动力更大且Er在铝基体中扩散更快，因此在低温时效中更易直接形成Al₃Er。迄今，微量Er对Al₃Li析出行为的影响报道极少，且Er对Al₃Li晶格强化及反相畴界能(γ_APB)的作用尚不清楚，本文系统研究了模型二元Al-7.7 at.%Li合金及添加0.03 at.%Er后的显微组织与显微硬度变化。利用TEM与APT详细对比双级时效与单级时效过程中的组织演化，并基于经典有序强化理论讨论Al-Li(-Er)合金的强化机制，重点阐明单级时效形成的Al₃(LiₓEr₁₋ₓ)相的有序强化贡献。通过有序硬化理论获得Al₃Li与Al₃(Li,Er)相的反相畴界能γ_APB。

　　图文链接：Enhanced order strengthening from elevated antiphase domain boundary energy of Al3(Li,Er)phase by Er microalloying in Al-7.7 at.%Li alloy

　　https://doi.org/10.1016/j.jmst.2025.07.023

——摘要——

　　采用显微硬度、TEM与原子探针层析（APT）研究了Al-7.7Li(-0.03Er)（at.%）合金在200°C单级时效与350°C/1 h+200°C双级时效过程中的硬度、组织与析出相成分。硬度结果表明，微量Er使双级时效峰值硬度由902±27 MPa提高到954±45 MPa，单级时效进一步提高至1066±17 MPa。TEM显示，三种峰值时效态均形成均匀分布的球形L1₂相，平均直径分别为31±6、28±4与22±4 nm。APT表明：双级时效样品先在第一阶段析出Al₃(Li₀.₅Er₀.₅)，第二阶段被Al₃Li包覆，形成Al₃(Li₀.₆Er₀.₄)/Al₃(Li₀.₉₉₈Er₀.₀₀₂)核/壳结构；时效24 h后，核/壳成分变为Al₃(Li₀.₇Er₀.₃)/Al₃(Li₀.₉₉₆Er₀.₀₀₄)，体积分数4.9%。单级时效样品在初期（10 min）即形成Al₃(Li₀.₇Er₀.₃)/Al₃(Li₀.₉₉₇Er₀.₀₀₃)核/壳析出相，24 h后转变为均相Al₃(Li₀.₉₉₃Er₀.₀₀₇)颗粒，体积分数5.1%。经典强化机制分析证实，该均相Al₃(Li₀.₉₉₃Er₀.₀₀₇)的反相畴界能γAPB为0.200±0.003 J/m²，比未加Er合金中的Al₃Li相（0.150±0.008 J/m²）高33%，从而增强了Al-Li(-Er)合金的析出强化效果。

——研究背景——

　　Al-Li合金因低密度、高比强度和高弹性模量而被广泛用于航空航天工业[[1],[2],[3]]。Li的加入不仅降低铝的密度，还能形成共格的L1₂有序δ′(Al₃Li)相，提供有序强化[[4],[5],[6],[7]]。然而，这种有序强化易在变形时引发平面滑移，导致力学性能各向异性[1,8]。第三代Al-Li合金降低Li含量、提高Cu含量，引入T₁(Al₂CuLi)相，以期在保持各向同性同时提升性能[9,10]。2099、2196、2A97等牌号因高比强度与优异疲劳裂纹扩展抗力而备受关注，其强度取决于T₁与δ′两相的叠加贡献[[11],[12],[13]]。但这些合金Li含量仅5–8 at.%，δ′形核化学驱动力不足，时效后δ′体积分数偏低，强化潜力未充分释放，成为性能进一步提升的瓶颈。

　　向低Li Al-Li合金中微量添加Sc可形成稳定L1₂-Al₃Sc相，经高低温双级时效后显著强化。高温（325°C）阶段，Al-Sc-Li合金中Al₃(Sc,Li)的体积分数与数密度均高于Al-Sc合金中的Al₃Sc，原因在于Al₃(Sc,Li)形核的弹性应变能与界面能更低[[14],[15],[16],[17]]；随后低温（170°C）时效借助已形成的Al₃(Sc,Li)作为异质形核位点，促进Al₃Li析出[[18],[19],[20],[21]]。Sc微合金化配合双级时效可充分调用合金元素形成强化相。此外，250°C高温时效时，Sc在Al-Cu合金中可形成富(Cu,Sc,空位)原子团簇，其热稳定性优于150°C时效的θ′(Al₂Cu)相[22,23]；但该高温时效对Al-Cu-Li合金反而不利，会促使粗大T₂(Al₅CuLi₃)与TB(Al₇Cu₄Li)相析出，消耗强化相T₁(Al₂CuLi)，损害性能[24]。因此，Sc无法通过双级时效改善Al-Cu-Li合金性能。

　　与Sc类似，稀土Er也能在铝中形成L1₂有序Al₃Er相，易于析出且稳定性高[[25],[26],[27],[28],[29],[30],[31],[32]]。相比Al₃Sc，Al₃Er在300°C形核率更高，原因是其化学驱动力更大且Er在铝基体中扩散更快[33,34]，因此在低温时效中更易直接形成Al₃Er。迄今，微量Er对Al₃Li析出行为的影响报道极少，且Er对Al₃Li晶格强化及反相畴界能(γ_APB)的作用尚不清楚。Lee与Park用有序硬化理论分析Al-Li-Ag单晶，发现0.4 wt%Ag使Al₃Li的γ_APB提高8%[35]；Al-2.30Li-2.85Cu-0.12Zr与Al-2.90Li-0.99Cu-0.12Zr合金中Al₃Li的γ_APB为0.15 J/m²，比二元Al-Li单晶(0.135与0.12 J/m²)高11–25%[36,37,38]。然而，Er对Al-Li合金强化及γ_APB的影响仍属空白。

　　本文系统研究了模型二元Al-7.7 at.%Li合金及添加0.03 at.%Er后的显微组织与显微硬度变化。利用TEM与APT详细对比双级时效与单级时效过程中的组织演化，并基于经典有序强化理论讨论Al-Li(-Er)合金的强化机制，重点阐明单级时效形成的Al₃(LiₓEr₁₋ₓ)相的有序强化贡献。通过有序硬化理论获得Al₃Li与Al₃(Li,Er)相的反相畴界能γ_APB。

——图文导览——

图2 样品暗场与HAADF-STEM像：(a,a1,a2)Al-Li合金200°C/24 h；(b,b1,b2)Al-Li-Er合金350°C/1 h+200°C/24 h；(c,c1,c2)Al-Li-Er合金200°C/24 h。插图分别为对应选区衍射花样。

图 3  样品 Li 元素三维原子图及等浓度面（12 at.% Li 与 2.5 at.% Er）：(a) Al-Li 200 °C/10 min；(b) Al-Li 200 °C/24 h；(c) Al-Li-Er 350 °C/1 h；(d) Al-Li-Er 350 °C/1 h + 200 °C/10 min；(e) Al-Li-Er 350 °C/1 h + 200 °C/24 h；(f) Al-Li-Er 200 °C/10 min；(g) Al-Li-Er 200 °C/24 h。

图 4  利用邻近浓度直方图对 Al-Li-Er 合金不同时效阶段析出相的成分分析：(a) 350 °C/1 h；(b) 350 °C/1 h + 200 °C/10 min；(c) 350 °C/1 h + 200 °C/24 h；(d) 200 °C/10 min；(e) 200 °C/24 h。采用 2.5 at.% Er（a）与 12 at.% Li（b–e）等浓度面界定各样品中的析出相。

图5 不同强化机制计算的强化增量及实际强度数据点随粒子尺寸的变化关系。

——结论——

　　本工作系统研究了Al-7.7Li-(0.03Er)合金在单级时效与双级时效过程中的析出行为、显微组织及析出相成分，并利用析出强化理论讨论了Al₃Li相与均质Al₃(Li,Er)相的反相畴界能γ_APB。主要结论如下：

　　向Al-7.7Li合金中添加0.03 at.%Er可显著提高时效硬化响应。200°C单级时效24 h，峰值硬度由902 MPa升至1066 MPa；350°C/1 h+200°C/24 h双级时效，峰值硬度达954 MPa；单级时效（200°C/24 h）的硬化响应高于双级时效。

　　双级时效Al-7.7Li-0.03Er合金先在350°C形成Al₃(Li₀.₅Er₀.₅)颗粒，随后在200°C初期（10 min）以该颗粒为核形成Al₃(Li₀.₆Er₀.₄)/Al₃(Li₀.₉₉₈Er₀.₀₀₂)核-壳结构；时效24 h后壳层成分变为Al₃(Li₀.₇Er₀.₃)/Al₃(Li₀.₉₉₆Er₀.₀₀₄)，体积分数4.9%，高于无Er合金的Al₃Li颗粒（4.6%）。

　　单级时效（200°C）Al-7.7Li-0.03Er合金在10 min即形成Al₃(Li₀.₇Er₀.₃)/Al₃(Li₀.₉₉₇Er₀.₀₀₃)核-壳析出相；时效24 h后，Er由核向壳扩散，转变为均质Al₃(Li₀.₉₉₃Er₀.₀₀₇)相，体积分数5.1%，高于双级时效。

　　微量Er使Al-Li合金中析出相的γ_APB提高33%，由Al₃Li的0.150±0.008 J/m²增至Al₃(Li₀.₉₉₃Er₀.₀₀₇)的0.200±0.003 J/m²。单级时效Al-Li-Er合金的析出强化源于γ_APB升高与体积分数增加的双重作用，且以有序强化为主导。

　　微量Er即可形成更高强化效率的Al₃(Li₀.₉₉₃Er₀.₀₀₇)相，并允许采用更简单的低温单级时效，具有显著的工业应用潜力，尤其适用于优化现有Al-Cu-Li合金的固溶-时效工艺。