DOI:10.14186/j.cnki.1671－6620.2026.03.004
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元素掺杂对铝锂合金性能影响的研究进展
铝锂合金是以铝为基体，在其中加入锂为主要合金元素，再加其他元素进行改性，经过一定的冶炼、铸造、热处理和加工工艺制备而成的一种新型轻质高强度铝合金.铝合金加入Li 之后，它的强度、刚度以及弹性模量均会得到提升.铝合金中加入1%质量分数的Li 后，密度可以降低3%， 弹性模量增加6%[1].由于铝锂合金低密度、高比强度、优异的抗腐蚀性能，在航空航天、交通运输等领域具有不可替代的应用价值[2-4]，但是其室温塑性不好、断裂韧性不足、加工性能受限等缺点也限制了其工程化的应用[5].元素掺杂是调控铝锂合金微观组织和宏观性能的主要方法，通过引入一定的合金元素来改变基体的强化机理、析出相的生成规律和缺陷演化行为，成为突破铝锂合金性能瓶颈的主要途径.
新型铝锂合金具有诸多优点：一方面有低密度、高弹性模量、高比强度、高比模量的基本性能，可以进行结构轻量化设计；另一方面又有低疲劳裂纹扩展速率和良好的高低温适应性，可以保证极端工况下服役可靠.目前虽面临新型复合材料的冲击，但是其自身独有的优势在未来发展中仍具有竞争力，因此欧美等国十分重视研制和开发新型铝锂合金材料.
1 铝锂合金基本特性及元素掺杂量对其性能的影响
1.1 铝锂合金的基本特性
铝锂合金的基本特性见表1.
表1 铝锂合金的基本特性
Table 1 Basic characteristics of aluminum-lithium alloys
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1.2 元素掺杂量对铝锂合金性能的影响
大量研究结果表明，仅仅在铝锂合金中少量甚至微量的加入某种元素，就能对其组织构造及综合性能产生明显的影响，例如，改变原有的析出相的大小、形状、分布和体积分数，或者生成新的强化相，细化晶粒、控制再结晶和晶粒取向等[15-16]. Al-Cu-Li 系铝锂合金主要的时效强化相有T1 相、δ′相和θ′相. T1 相(Al2CuLi)为平衡相，该相呈现出盘状或片状，晶体结构为密排六方结构，晶格常数a ＝b ＝0.50 nm，c ＝0.93 nm[17].θ′相为亚稳相，晶体结构为四方结构，其晶格常数a ＝0.404 nm，c ＝0.58 nm.δ′相是亚稳相，晶格结构为立方超点阵晶体结构(L12)， 晶格常数为a ＝0.405 nm[18].
1.2.1 主合金元素
Cu 的加入可以提高铝锂合金的强度和韧性.在Al-Cu-Li 系合金中会析出T1 相，该相可以阻止位错的扩散，同时对位错起到钉扎的作用，加强效果比δ′相更强，能有效提高合金的强度. Li 和Al 可以形成稳定的金属间化合物Al3Li(δ′相)，δ′相为面心立方结构，与铝基体(面心立方)具有很好的晶格匹配性(错配度很小)，可以均匀、弥散地析出在基体中；弥散的δ′相能有效地阻止位错的移动，从而大大提高合金的屈服强度和抗拉强度.
1.2.2 微量元素
微量元素在铝锂合金中添加占比虽然较低，但可通过调控析出相演变、细化晶粒、优化晶界结构等方式，对合金的强韧性、耐腐蚀性及热稳定性等关键性能产生显著调控作用.Zr、Mn、Mg、Ag、Zn 及稀土(RE)等微量元素的作用机制与调控效果各有侧重，部分元素间还可产生协同强化效应，各微量元素的作用见表2.
表2 微量元素对铝锂合金的影响
Table 2 Effects of trace elements on aluminum-lithium alloys
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2 元素掺杂对铝锂合金力学性能的影响
2.1 元素掺杂对铝锂合金强度和硬度的影响
2.1.1 单一元素掺杂的影响
在铝锂合金中加入单一元素会对其强度、硬度产生明显的影响.以Cu 为例，当Cu 含量处于合适的范围时，在时效的过程中会大量地析出T1相，该相呈现为细片状，并且与基体存在着半共格的状态，可以有效地阻止位错的运动[18].李劲风等[27-28]研究发现：Al-Cu-Li 系铝锂合金的强度随Cu 含量增加而增加；曾广俊[29]研究发现，随着Cu 质量分数由3.76%分别增至4.19%和4.46%，T6 态时效时Cu 含量较高的UHS1 铝锂合金(4.19%)强度最大，其屈服强度和抗拉强度分别为564.4 MPa 和595.1 MPa；Cu 含量最高的UHS2铝锂合金(4.46%)经T8 时效处理后的抗拉强度达655.4 MPa. Mg 在铝中有较大的固溶度，加入Mg 后可以降低锂在铝合金中的固溶度，在一定的锂含量下，可以使δ′相(Al3Li)的体积分数增加，从而提高合金的强度.李劲风等[28]发现，与不加入Mg 相比，合金中仅加入Mg 时，T6 时效态下强度明显提高，合金的硬度、屈服强度也均有较大提高.铝锂合金中加入Zr 可以明显细化晶粒析出弥散相，提高强度、硬度.一般在铝合金中加入0.05%~0.16%质量分数的Zr 来形成初生的Al3Zr粒子，该粒子和基体有良好的共格性，能有效阻止晶界迁移和再结晶.
2.1.2 复合元素掺杂的协同效应
多种元素复合掺杂在铝锂合金中可以产生协同效应，使合金的强度、硬度大大提高.以Mg＋Ag复合掺杂为例，两者共存可以加快合金的时效速率，提高合金的强度、硬度. Peng 等[30]研究结果表明，含Mg、Ag 的铝锂合金的抗拉强度比单纯加入Mg 或者Ag 的合金提高了50~100 MPa.罗先甫等[22]研究了Al-3.7Cu-1.2Li-X(X 代表Mn、Zr等微合金化元素)中分别少量添加Mg＋Ag、Mg＋Zn 及Mg＋Ag＋Zn 后T6 与T8 时效态下的拉伸性能.综合而言，Mg＋X(X ＝无、Ag 或/和Zn)微合金化通过促进T1 相析出，能有效提高T6 时效态下Al-Cu-Li 系铝锂合金强度，其微合金强化效果呈现如下规律：Mg＋Ag＋Zn>Mg＋Ag>Mg＋Zn>Mg.
2.2 元素掺杂对铝锂合金韧性和疲劳性能的影响
铝锂合金的韧性(以伸长率、冲击韧性为核心指标)和疲劳性能(以疲劳强度、疲劳寿命、疲劳裂纹扩展速率为核心指标)是其工程化应用的关键性能，二者均与合金微观组织密切相关.韧性主要受晶界脆性、强化相尺寸与分布、第二相粒子形态这三个因素的影响，疲劳性能则取决于裂纹萌生阻力与裂纹扩展速度的综合表现.单一元素掺杂可实现对韧性、疲劳性能的定向调控，复合元素掺杂则通过协同优化微观组织，实现强韧、强疲劳性能的匹配提升，现有研究中单一元素调控机制明确，复合元素协同效应研究多为强度调控的伴生成果.
2.2.1 单一元素掺杂的影响
单一元素掺杂对铝锂合金韧性、疲劳性能的调控具有明确的“含量依赖性” 与“功能靶向性”，不同元素通过不同微观机制实现性能调控，部分元素存在“性能调控阈值”，过量添加会导致韧性、疲劳性能劣化.
Li 是铝锂合金轻量化的核心元素，其含量直接决定强韧匹配性，存在质量分数1%~3%的最优添加区间.当Li 质量分数低于1%时，δ′相(Al3Li)析出量不足，强度低但韧性优异(伸长率可达25%以上)；当Li 质量分数在1%~3%时，δ′相均匀弥散析出，实现强度与韧性的平衡，如Al-1.5Li-0.3Cu合金抗拉强度达450 MPa，室温伸长率保持在25%；当Li 质量分数超过3%时，会生成粗大的δ-AlLi 脆性相，晶界脆性剧增，断裂韧性下降50%以上，疲劳裂纹萌生概率显著提升.添加适量Li 可通过固溶强化提升合金的疲劳强度，而过量Li 形成的脆性相成为疲劳裂纹核心萌生源，导致疲劳寿命缩短[31].Cu 作为主合金元素，其含量直接决定铝锂合金的断裂形式与韧性水平，在韧性与强度平衡之间起关键调控作用.宗珂朴等[10]研究发现，当Cu 的质量分数为3.4%时，合金有较好的综合力学性能， 抗拉强度为360.4 MPa，伸长率为17.1%.当Cu 质量分数为2.0%时，合金韧性优异但强度不高，仍为韧性断裂；当Cu 质量分数升至3.2%时，断裂形式转为韧脆混合断裂；而当Cu 质量分数超过3.6%后，合金中会生成大量粗大的强化相，晶界脆性显著增加，断裂形式变为脆性断裂，韧性与疲劳性能均大幅劣化.
低含量Zn 对铝锂合金韧性与强度具有协同提升作用，存在明确的含量优化区间.王美琪[24]研究表明，在Al-Cu-Li 合金中添加0~1.5%的Zn时，随着Zn 添加量的增加，合金的屈服强度、抗拉强度与伸长率同步提升.其核心机制为低含量Zn优化了强化相的分布，未产生有害第二相；但当Zn 添加量超过阈值后，易生成粗大的有害金属间化合物，破坏基体连续性，导致合金韧性显著下降，疲劳裂纹萌生概率增加.Mg 对铝锂合金韧性的调控呈现先升后降的变化规律，刘志鹏等[32]研究表明，当Al-Cu-Li-Sc-Zr 合金中Mg 质量分数为1%时，固溶态合金的伸长率为7.62%.随着Mg 含量的增大，合金中的针状铝锂相逐渐减少，产生新的Al2MgLi 共晶相，合金的晶粒尺寸不断减小；但当Mg 含量过高时，晶界处粗大的共晶相不断增多，导致晶界脆性增加，合金塑性与韧性均大幅下降，同时粗大共晶相成为疲劳裂纹萌生的核心位点，会降低合金疲劳性能.
Sc、Ce、Y 等均为稀土性能调节剂，可净化晶界、细化晶粒、抑制有害相析出.Sc 可通过细晶强化、形成Al3Sc 弥散，相实现强塑匹配性与疲劳性能的同步提升.胡奎深等[33]研究表明，室温下添加Sc 的Al-Li-Cu-Mg 合金强塑匹配性更优，抗拉强度与伸长率均有提升，300 ℃时抗拉强度虽下降较快，但伸长率显著提高. Chen 等[34]模拟测试显示，界面掺杂Sc 可大幅提升材料应变伸长量，且Al3Sc 相能精炼析出相，提升塑韧性.此外，陈玉祥等[35]发现，Sc 可促使裂纹扩展路径偏转、提高位错密度，从而增强Al-Cu-Li 合金的抗疲劳裂纹扩展能力.Ce 作为低成本稀土元素，可温和提升铝锂合金韧性、改善脆性，且不改变合金主要强化析出相种类.余成等[36]研究证实，Ce 可促进T1相细小均匀弥散分布，提升合金强度与断裂韧性，改变合金断裂行为、减少沿晶断裂趋势，缓解“强度提升则脆性增加”的矛盾；Ding 等[37]发现，添加Ce 的Al-4.15Cu-1.25Li 合金在T8 时效态下，伸长率较无Ce 合金提升2.5%，疲劳寿命延长30%，实现强度与韧性协同提升.Y 侧重优化铝锂合金高温性能，其核心机制为改善合金高温析出相结构、提升高温界面稳定性、降低高温晶界脆性.桂全红等[38]研究表明：添加Y 的8090Al-Li 合金经挤压轧制及峰时效处理后，屈服强度、抗拉强度及伸长率均表现优异，塑性改善显著；同时，Y可提升合金高温疲劳强度保持率，有效拓展铝锂合金的高温服役范围.
2.2.2 复合元素掺杂的协同效应
目前，关于复合元素掺杂对铝锂合金韧性、疲劳性能的针对性协同调控研究较少，现有协同效应成果主要为“以强度提升为核心的复合掺杂”过程中的伴生效应，其体系均明确较优配比与协同机制，部分为航空航天用铝锂合金主流成分设计方案.
主合金元素复合体系为Li＋Cu＋Mg.较优配比为Li 质量分数1% ~ 3%，Cu 质量分数3.0%~6.0%，Mg 质量分数0.2%~3.0%，当Cu/Mg 质量比为1.5 时，强韧匹配达最优比例.该体系通过成分配比优化，屈服强度可达300 MPa 以上，伸长率保持在15%左右，疲劳强度提升25%，实现了固溶强化与析出强化的协同，是铝锂合金基础成分设计的经典体系[22].时效强化复合体系Mg＋Ag可加快T1 相析出速率并优化其分布，避免单一Mg 掺杂的应力集中问题，使Al-Cu-Li 合金抗拉强度提升50~100 MPa，疲劳裂纹萌生阻力提升35%，且伸长率无明显下降，实现强韧协同匹配并改善疲劳性能[27].多元强化复合体系Mg＋Ag＋Zn通过促进T1 相高密度弥散析出提升强度，同时借助Zn 优化晶界腐蚀结构. Al-3.7Cu-1.2Li 合金添加该体系后，T8 时效态抗拉强度达647.2MPa，应力腐蚀疲劳寿命提升40%，适用于海洋大气等腐蚀环境[13].稀土三元复合体系Gd＋Nd＋Yb(各元素添加量0.1%~1.0%)搭配0.1%~0.15%Zr，通过四重强化作用解决单一稀土优化效果有限的问题，可使Al-Cu-Li-X 合金实现超高强高韧目标，疲劳裂纹扩展速率降低50%以上，适用于高端航空航天结构件[39].
3 元素掺杂对铝锂合金耐腐蚀性能的影响
铝锂合金常见腐蚀形式有点蚀、晶间腐蚀、剥落腐蚀及应力腐蚀开裂，其耐腐蚀性本质取决于晶界析出相、无沉淀带(PFZ)宽度、表面氧化膜完整性及基体与第二相的电位差.元素掺杂可通过调控析出相形态与分布、细化晶粒、净化晶界、抑制有害相生成等方式，实现对铝锂合金耐腐蚀性能的定向调控，不同类型元素的作用机制、调控效果及剂量效应存在显著差异，可按主合金元素、微合金元素、稀土元素、杂质元素分类.
3.1 主合金元素对耐腐蚀性的调控
Cu、Li 作为Al-Cu-Li 系合金的核心主合金元素，二者质量比w(Cu)/w(Li)是决定晶界腐蚀敏感性的核心参数，直接主导晶间腐蚀与剥落腐蚀倾向[40].当w(Cu)/w(Li)超过4.0 时，晶界易析出连续密集的T1 相，该相与基体电极电位差显著，形成强微电偶效应，大幅加剧晶间腐蚀风险；当质量比降至2.5~4.0 时，晶界T1 相含量减少，δ′相呈不连续的粗化分布，微电偶效应减弱，耐腐蚀性逐步提升；当质量比低于1.0 时，晶界含Cu析出相进一步减少，合金晶间腐蚀敏感性最低.
Li 含量存在明显剂量效应：当质量分数低于2%时，合金表面可形成致密氧化膜，耐腐蚀性较好；超过3%后，易生成粗大δ-AlLi 脆性相，晶界结合强度下降，应力腐蚀开裂倾向急剧增大. 此外，Cu 含量过高会导致粗大T1 相及金属间化合物增多，成为腐蚀萌生核心，劣化局部耐蚀性能；而适量Cu 可提升合金强度，但需与Li 配比协同，兼顾强韧与耐腐蚀性平衡.
3.2 微合金元素对耐腐蚀性的调控
微合金元素添加量通常低于1.0%，但可通过细化晶粒、调控析出相、加宽PFZ、净化晶界等机制，显著改善铝锂合金耐蚀性，这是实现强韧-耐蚀协同的关键途径.
Mg 是提升合金抗应力腐蚀开裂(SCC)性能的核心元素，可降低晶界溶质偏聚，加宽无沉淀带，提升极化电阻，降低腐蚀电流密度[41].研究表明：Mg 质量分数控制在1.0%~1.5%时，Al-Cu-Li合金抗应力腐蚀性能可接近5XXX 系铝合金水平，适配海洋大气环境服役部件；Mg 与Ag、Zn 复合添加时，可协同促进T1 相弥散析出，进一步降低晶间腐蚀敏感性，但过量Mg 易生成粗大Al2MgLi 共晶相，加剧局部腐蚀，需严格把控添加范围[32].
单独添加Ag 对耐蚀性调控效果有限，需与Mg 协同作用，既可加快时效析出、细化T1 相，又能减少晶界连续析出相，改变晶间腐蚀形态；峰值时效阶段合金仅表现为点蚀伴随轻微晶间腐蚀，腐蚀程度大幅降低[23].低含量Zn 可优化晶界结构、提升应力腐蚀抗力，与Mg、Ag 形成三元复合体系时，能进一步改善晶界析出相分布；但Zn 过量易生成粗大有害金属间化合物，诱发局部点蚀，耐腐蚀性显著下降[24].
Zr 添加量仅需0.05% ~ 0.15%，即可析出Al3Zr 弥散相，强烈抑制再结晶、细化晶粒，阻断晶界腐蚀通道，降低腐蚀电流密度、提升腐蚀电位，大幅改善合金耐腐蚀性[42].Ti 可形成Al3Ti 纳米相，钉扎晶界、细化晶粒，同时优化表面氧化膜连续性，提升合金耐腐蚀性与韧性，其与Zr 协同作用效果更优[43-44].
3.3 稀土合金元素对耐腐蚀性的调控
Sc、Ce、Y、Er、Gd 等被誉为铝锂合金耐腐蚀性能调节剂，可从细化晶粒、净化晶界、变质析出相、修复氧化膜多维度实现耐腐蚀性协同优化，有效克服传统铝锂合金晶间腐蚀、剥落腐蚀严重的短板.
Sc 可显著改善合金晶间腐蚀与剥落腐蚀性能，与Sr 等元素复合添加后，耐腐蚀性优于2024-T6合金，但其成本偏高，主要适用于高端航天领域[45-46].Ce 作为低成本高效稀土，可细化晶粒并促进T1 相均匀弥散分布，并在合金表面原位形成CeO2/Ce(OH)3 转化膜，有效阻挡氯离子渗透，降低晶间腐蚀敏感性，同时延长疲劳寿命，是工业化改性的优选稀土元素[47-48].Y 侧重优化高温耐腐蚀性，通过稳定高温析出相、提升界面结合力，减少高温晶界脆化与腐蚀失效；Er可减少点蚀坑数量与尺寸，其质量分数为0.4%时，耐腐蚀性达到最优，过量添加则效果反转.复合稀土(Gd＋Nd＋Yb)搭配微量Zr，可实现熔体净化、晶界稳定、析出相弥散的多重协同，进而大幅提升海洋环境下的腐蚀疲劳性能，疲劳裂纹扩展速率降低50%以上，适配高可靠航天贮箱材料[39].
3.4 杂质元素对耐腐蚀性的调控
Fe、Si 是铝锂合金中最主要的有害杂质，二者协同作用，易生成Al7Cu2Fe、AlFeSi 等粗大金属间化合物，其电极电位远高于铝基体，成为点蚀与局部腐蚀的核心萌生源，大幅加剧腐蚀失效[49-50].除Fe、Si 外，Na、K、Ga、S、P、H 等微量杂质危害同样突出：Na、K 等碱金属固溶度极低，晶界偏聚严重，会缩小PFZ 宽度、引发晶界脆化，显著加剧晶间腐蚀与SCC 敏感性；S、P 易形成脆性化合物，破坏晶界连续性与表面氧化膜完整性；H 则在晶界富集形成氢缺陷，诱发氢致开裂，提升腐蚀疲劳敏感性，在湿热、海洋环境下其危害尤为显著[51].因此，高端航空航天用铝锂合金必须实施杂质精准管控，通常要求Na、K 质量分数低于(5~10)×10－6，氢质量分数低于1×10－6，严控杂质总量是提升合金耐蚀性、断裂韧性与服役寿命的关键技术手段.
4 总结与展望
(1)元素掺杂可显著提升铝锂合金的力学性能.Cu 会使T1 相(Al2CuLi)析出，进而提升强度，Li 与Al 形成δ′相(Al3Li)实现弥散强化；Zr 可细化晶粒，Mg＋Ag＋Zn 三元复合添加明显促进T1 相析出，且该复合掺杂的Al-3.7Cu-1.2Li 合金T8 时效态下抗拉强度达到647.2 MPa，Sc、Ce 等可提高合金强塑匹配性和抗疲劳裂纹扩展能力.元素掺杂对铝锂合金的耐腐蚀性能影响具有双向性，Mg可以增加Al-Cu-Li 合金的极化电阻并减弱腐蚀速率，Zr 可以细化晶粒并拓宽PFZ 区(无沉淀析出带)，Sc 可以提高抗晶间腐蚀能力，做有益的调控；而Fe、Si 容易形成Al7Cu2Fe、AlFeSi 等粗大金属间化合物，增强点蚀和局部腐蚀，Cu/Li 质量比降低可以提高合金的抗晶间腐蚀力.
(2)元素掺杂不仅可有效调控铝锂合金的力学性能与耐腐蚀性能，而且能通过晶粒细化、弱化各向异性、优化时效行为等途径，改善合金热加工、冷成形及焊接性能.Zr、Mn 可抑制再结晶、降低各向异性，Mg、Ag 复合添加可优化时效响应、拓宽热处理窗口，而Cu、Li 含量过高则会劣化加工性能.
(3)目前，铝锂合金元素掺杂研究虽然取得了显著进展，但仍然存在一些问题：高性能元素成本高，应用性价比相对低，如Sc 可有效提高合金的综合性能，但是成本高，不利于在合金中的推广应用；合金的“强韧性－耐腐蚀性－可加工性”三者性能之间难以协同调控，如有些元素在提高强度的同时会增加其脆性，且焊接性和成形性仍需要优化；合金在极端工况下的服役性能也存在明显不足，如在海洋环境下氯离子会对合金氧化膜产生破坏，在高温下降低其强度，相关原因与机制都未被完全阐明，且杂质元素的精确控制技术有待突破.
(4)同时，随着航空航天领域的高速发展，铝锂合金作为轻量化合金的典型材料，其应用前景将极为广阔.未来铝锂合金的发展方向将依托工业大数据、高通量计算、机器学习等智能化方式，优选合适掺杂元素及掺杂量，研制新型合金并精准调控合金关键性能，以期在合金的强韧性、耐腐蚀性、焊接性及成形性协同调控方面取得重大突破.
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Research progress on the influence of elements doping on the properties of aluminum-lithium alloys
