近日，上海交通大学材料学院轻合金精密成型国家工程研究中心吴国华教授团队在变形铝锂（Al-Li）合金强塑性协同调控方面取得了重要研究进展，研究成果以“Achieving superior strength-ductility balance by tailoring dislocation density and shearable GP zone of extruded Al-Cu-Li alloy”为题，发表在国际塑性力学顶级学术期刊《International Journal of Plasticity》上。上海交通大学吴国华教授和童鑫助理研究员为该论文的共同通讯作者，博士生徐轩曦为第一作者，江苏大学汪存龙副教授为该论文的共同作者。该研究工作得到了国家自然科学基金的资助。
铝锂合金具有密度低、比强度和比刚度高、耐蚀性优良等特点，在航空航天、水下域等领域具有广阔的应用前景。研究表明，每向铝合金中添加1 wt%的Li，合金的密度降低3%，刚度提高6%。作为典型的第三代高强变形铝锂合金，2050、2195、2198等铝锂合金常应用于飞机的蒙皮、框架和桁条等关键承力结构。为了提高变形铝锂合金的强度，常采用形变热处理工艺（T8处理）来向合金基体中引入位错，以促进T1等强化相的析出，提高强化相在变形过程中对位错的钉扎作用。然而，T8态高强度变形铝锂合金的塑性往往较低，存在强塑性协同调控困难的问题，限制了高性能变形铝锂合金材料在航空航天等关键领域的推广应用。因此，亟需针对铝锂合金的形变热处理展开研究，并探明铝锂合金在塑性变形过程中各类析出相与位错的相互作用机制，从而协同调控变形铝锂合金的强塑性。
基于此，吴国华教授团队针对挤压变形Al-3.5Cu-1Li合金开发了一种全新的形变热处理工艺，创新性地在预变形之前引入预时效处理来促进亚稳态GP区的形成，从而缓解了预变形过程中因位错缠结造成的局部应力集中，获得了均匀的位错分布；进一步地，再通过低温间断时效获得GP区（数纳米）和T1相（数十纳米）共存的多尺度异构组织。研究发现，与传统T8处理的合金相比，这种特殊的多尺度异构组织能有效促进位错交滑移来提高合金的应变硬化能力，改善合金塑性变形时位错分布的均匀性。结果表明，上述制备工艺使合金在保持较高屈服强度的基础上，将合金延伸率提高了一倍以上，所制备的合金综合力学性能优异（屈服强度657 MPa，抗拉强度700 MPa，延伸率13.5%），突破了变形铝锂合金强塑性难以协调的关键瓶颈。基于铝锂合金在塑性变形中的组织演变特点，构建了铝锂合金塑性变形过程中析出相与位错的相互作用模型，探明了变形铝锂合金的强韧化机制，为高性能变形铝锂合金材料开发与强韧化协同调控提供了理论依据。
近年来，在丁文江院士的大力支持下，吴国华教授团队在高性能铝锂合金材料开发与成形技术方面取得了一系列原创性科研成果，旨在推动我国高性能铝锂合金的发展与应用。
图1 新型形变热处理对位错分布的影响
图2 间断时效处理后的析出相形貌与结构
图3变形失效样品中位错与析出相的相互作用过程
图4 新型形变热处理中形成的组织结构对应变分布的影响
图5 本研究与已发表论文中实验结果的比较
撰稿人：童鑫