在航天航空领域的结构材料中，轻质高强一直是主要要求性能之一，在诸多候选材料中，Al-Li合金体系因其低密度、高比强度和高弹性模量，是主流候选材料体系，但目前常规的Al-Li合金，因成分设计中Li的添加量较低，导致其Al₃Li（δ'）相析出较少，由其诱发的强化效应也难以完全发挥。目前已有的改善措施包括添加Cu或Sc进行再合金化，但这些方法或多或少都有一定的局限性，近年来，关于稀土元素在合金中的改善作用被多次证实，因此，借由稀土元素进行再次微合金化，有望成为突破Al-Li合金强度瓶颈的重要方向。

近日，北京工业大学高坤元教授联合中铝材料应用研究院有限公司、银邦金属复合材料股份有限公司，在《Journal of Materials Science & Technology》期刊上在线发表了题为“Enhanced order strengthening from elevated antiphase domain boundary energy of Al₃(Li,Er) phase by Er microalloying in Al-7.7 at.% Li alloy”的研究论文，研究揭示了通过引入微量稀土元素Er，可以显著提升Al-Li合金中L12型Al₃(Li,Er)相的反相畴界能，从而实现更强的有序硬化效应。

文章链接：

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

【核心内容】

团队选择了最常见的稀土元素之一铒（Er）作为微合金元素，团队以Al-7.7at.% Li合金为基体材料（第三代Al-Li合金中Li含量<3 wt.%，团队设计的Al-7.7at.% Li基体合金可近似换算为Al-2.1wt.% Li），添加0.03at.%的Er对基体进行微合金化，通过对比未添加Er的基体合金，发现仅仅微量的Er即能显著改变析出相的形貌和组元（析出相由Al₃Li转变为Al₃(Li,Er)）。团队通过系统的表征手段并基于经典强化理论，讨论了Al-Li（-Er）合金的强化机理，且团队发现Er的加入还改变了析出相的能量学特征，相比于常规Al₃Li相0.150 J/m²的反相畴界能γAPB，Al₃(Li,Er)相的反相畴界能为0.200 J/m²，这种提升使位错通过析出相时所需的能量显著增加，从而实现更优的力学性能。

图形摘要

【研究方法】

研究所用的Al-Li与Al-Li-Er合金均通过电阻炉熔炼，通过电感耦合等离子体原子发射光谱确定实际成分，Al-Li合金和Al-Li-Er合金分别在580℃/24h和580℃/24h + 640℃/24h下进行均匀化处理，随后水冷至室温。团队采用显微硬度测试、TEM、APT等手段，对比分析了Al-Li与Al-Li-Er合金在200 ℃下单级时效以及分别在350℃和200℃下双级时效时的析出行为和组织演化，在TEM下观察到了均匀分布的L12相析出颗粒，Er的引入有效细化了颗粒尺寸，通过APT揭示了Al₃(Li,Er)相从核壳结构逐渐转变为均匀相的过程，并精确测定了组元比例。

【研究成果】

① 时效硬度响应显著增强

微量添加的Er对硬度的影响明显，时效硬化响应显著增强，Al-Li-Er合金在200℃单级时效24h后的峰值硬度达到1066±17MPa，明显高于未添加时的902 ± 27MPa。

Al-Li和Al-Li-Er合金的硬度曲线

② 析出相形貌与组织演化

TEM显示，Al-Li合金单时效、Al-Li-Er合金双级时效和Al-Li-Er合金单时效的三种样品中均匀分布有许多球形析出相，平均直径分别为31±6nm、28±4nm和22±4nm，Er添加后析出颗粒显得更细小且分布更均匀，同时在双级时效条件下出现了明显的核壳结构。

不同热处理条件下 Al-Li 与 Al-Li-Er 合金的暗场及 HAADF-STEM 显微图像对比

③ 三维原子探针揭示析出机制

APT结果表明，Er促进了Al₃(Li, Er)相的早期形核，在350℃下预时效的Al-Li-Er合金，形成的析出相为Al₃(Li_0.5Er_0.5)颗粒，在第二阶段时效过程中，先前富集Er的团簇作为异相成核位点促进了Al₃Li相的析出形成核壳结构：Al₃(Li_0.6Er_0.4)/Al₃(Li_0.998Er_0.002)颗粒。当时效时间增加到24h时，颗粒变大，数量密度明显降低，组元比例转变为Al₃(Li_0.7Er_0.3)/Al₃(Li_0.996Er_0.004)。经单次时效处理的Al-Li-Er合金在时效初期析出相具有Al₃(Li_0.7Er_0.3)/Al₃(Li_0.997Er_0.003)的核壳结构，随着时效时间延长至24 h，由于Er原子从核扩散到壳层，这种核壳结构转变为均匀的Al₃(Li_0.997Er_0.003)相结构。

Al-Li与Al-Li-Er合金三维原子分布与Li/Er等浓度面的热处理时序演变

Al-Li-Er合金时效过程中沉淀相的近程成分分布演变

④ 反相畴界能显著提升

计算表明，微量Er的加入使Al-Li合金的γAPB值从Al₃Li的0.150±0.008J/m²提高到Al₃(Li_0.9993Er_0.007)的0.200±0.003J/m²，相比之下提高了33%，Al-Li-Er合金在单次时效处理下的析出强化效果是由于析出相颗粒γAPB提高和析出相颗粒体积分数的增加共同作用的结果，其中以有序硬化为主，成为硬度增强的主导因素。

强化机制计算与实验对比

【总结与展望】

该研究对Al-7.7Li-（0.03Er）合金在单次时效和双级时效过程中析出物的析出行为和组织构成进行探究，揭示了通过稀土Er微合金化提升Al-Li合金强化机制的新途径，微量Er不仅改善了析出相的结构与分布，更通过提升反相畴界能，显著增强了有序硬化的效果并且允许在较低温度下进行简单的单次时效处理，这使得它在开发强铝合金方面具有很大的实际应用潜力。特别是对现有Al-Cu-Li合金固溶时效处理工艺的改进。