• 文章背景

作者简介

通讯作者

吴国华 博士

上海交通大学特聘教授，博士生导师，二级教授，国家技术发明奖一等奖获得者，俄罗斯工程院外籍院士，国家基础加强重点计划首席科学家，上海市优秀学科带头人。兼任轻合金精密成型国家工程研究中心副主任、中国铸造学会副理事长、中国镁合金专业委员会副理事长等职。兼任Journal of Magnesium and Alloys、Transactions of Nonferrous Metals Society of China、China Foundry、中国有色金属学报等期刊编委。已主持国家基础加强重点计划、国家863计划、前沿创新特区计划、国家973计划课题、国家航空航天重大专项、国家重点研发计划课题、国家自然科学基金等科研项目70余项。科研成果在多个国家重大航天与航空专项中获得应用，获国家技术发明一等奖等省部级以上科技奖励11项，获国际镁科学技术创新应用大奖。主要研究方向：高性能轻合金材料开发与成形。

通讯作者

童鑫 博士

上海交通大学助理研究员，硕士生导师。主要从事轻质高性能铝锂合金材料及成形技术研究，主持国家自然科学基金、上海市自然基金、上海航天科技创新基金等国家和省部级项目6项，参与国家基础加强重点计划等项目多项。兼任中国材料研究学会镁合金分会副秘书长，Materials 期刊编委以及Journal of Magnesium and Alloys、Microstructures 等多个期刊青年编委/客座编辑。在International Journal of Plasticity、Additive Manufacturing 等刊物发表论文90余篇，ESI 高被引论文4篇，H 值30，授权国防专利和国家发明专利20余项。

第一作者

李琪 博士

上海交通大学博士生，导师为吴国华教授，主要研究方向为先进铝锂合金及其焊接成形技术。以第一作者身份在Journal of Materials Processing Technology、Materials Characterization 等期刊发表论文4篇，授权国家发明专利1项。

铝锂合金是一类通过在铝合金中添加锂元素而获得的轻质高性能材料，具有低密度、比强度和比刚度高、抗疲劳性能与耐损伤容限性能优良等特点，在航空航天、国防军工、低空经济、智能机器人等领域具有广阔的应用前景。

焊接能够降低铝锂合金大型复杂结构的一次成形难度，是发挥铝锂合金性能优势、实现结构减重的关键制造技术。例如，铝锂合金双激光束焊接已实现航空蒙皮-桁条结构的整体化制造，铝锂合金TIG 焊则可应用于航天火箭燃料贮箱等核心构件的连接与修复。然而，铝锂合金焊缝具有独特的晶粒结构特征，呈现出柱状晶、等轴细晶与纤维状晶共存的组织形态，对接头的力学性能及其各向异性均会产生重要影响。

最近，上海交通大学吴国华教授、童鑫助理研究员和博士生李琪等人以铝锂合金为对象，系统总结了不同成分铝锂合金的焊接性及各种焊接方法的工艺特点，着重探讨了接头熔合区、等轴晶区的晶粒特征演化机制及其对接头力学行为的影响规律，指出了本领域仍然存在的问题，并对铝锂合金焊接领域的发展趋势进行了展望，这将为推动铝锂合金在航空航天等复杂结构上的应用提供重要的理论与技术指导。

图1. 铝锂合金的焊接应用、晶粒结构及调控方法

• 图文导读

首先，综述了等轴晶区 (EQZ) 的形成机制与调控策略。EQZ 是铝锂合金焊缝的典型特征，该窄带区域由小尺寸晶粒 (约5 μm) 组成，通常位于熔合线附近。早期观点认为，EQZ 晶粒是轧制态母材在焊接热循环作用下发生再结晶后形成的，其依据在于EQZ 晶粒呈现出等轴的非枝晶形貌，且尺寸与再结晶晶粒相近。

然而，该再结晶机制难以解释为何其它轧制态铝合金在焊接后未形成类似的EQZ 结构。相比之下，异质形核机制提供了更具说服力的解释。对比固溶处理态母材 (含有Al₃Zr 和Al₃ (Zr, Li) 析出相) 与铸态母材 (不含此类析出相) 的焊后组织，仅在固溶处理态材料的熔合区中观察到了EQZ。这些高熔点 (约1200°C) 的异质形核颗粒在温度较低的熔合线附近维持固态，成为了有效的形核核心，提高了形核率并促进了细晶的形成；而在温度较高的熔池中心，这些颗粒发生熔化，异质形核作用随之消失。这一机制很好地解释了EQZ 为何仅作为窄带出现在熔合线附近。

EQZ 对凝固裂纹的敏感性较强，易成为应变集中的区域，因此当前的研究致力于消除铝锂合金焊缝中的EQZ 组织。然而，由于EQZ 位于半熔化区，该区域的熔体粘度高、流动性差，难以与熔合区的熔体充分混合，使得传统的合金化方案效果有限。

目前，针对EQZ 的调控策略主要分为三类：

其一，增加焊丝中的元素含量，例如采用高Si 含量的焊丝，其优异的流动性可使部分硅元素进入EQZ 内部，稀释熔体并降低异质形核位点密度，进而收窄EQZ 宽度，如图2(b) 所示；

其二，调控焊接热输入，通过降低热输入来减少熔池的过冷度，从而减少活性异质形核核心的数量，亦可达到减小EQZ 宽度的目的，且能略微增加EQZ 的晶粒尺寸；

其三，引入外场，如通过光束振荡促进熔体互掺，或利用超重力外场破坏停滞的溶体边界层，促使异质形核颗粒向熔池高温区输运并熔化，从而达到消除EQZ 的目的。

尽管上述策略在调控EQZ 上取得了一定成效，但兼具有效性与工业应用可行性的方法仍有待进一步探索。

图2. 铝锂合金焊缝中等轴晶区 (EQZ) 的凝固裂纹及消除EQZ 的策略：(a) EQZ 中的裂纹；(b) 采用焊丝来减小EQZ 宽度；(c) 通过光束振荡调控EQZ 的形貌

其次，文章综述了铝锂合金焊缝熔合区柱状晶的形成机制与调控策略。在焊缝凝固过程中，熔池内陡峭的温度梯度驱动晶体沿最大热流方向择优生长，原子密排方向与热流方向一致的晶粒获得生长优势，而与热流取向偏差大的晶粒则被抑制生长，最终形成粗大且具有明显取向性的柱状晶区。该显微组织会导致铝锂合金焊缝产生各向异性的力学性能。不仅如此，柱状晶之间狭长的晶界难以补缩，容易成为热裂纹萌生的区域，恶化焊缝的强度与韧性。通过细化熔合区晶粒可以阻碍柱状晶生长，围绕晶粒细化策略，现有研究主要从外加异质颗粒、合金化以及工艺调控三个方向开展，三者在细化机制上有所不同。

外加异质颗粒主要以TiC 为代表，通过异质形核机制来提高熔合区的形核率。如图3所示，在铝锂合金激光焊接过程中添加TiC 颗粒，可显著抑制柱状晶生长并促进等轴晶形成，使焊缝平均晶粒尺寸大幅减小，同时弱化基面织构倾向，有效消除柱状晶组织。合金化调控则借助Zr、Ti 等元素的添加，通过生长抑制与异质形核协同作用实现晶粒细化。其中，L1₂-Al₃Zr 作为高熔点异质形核颗粒，与α-Al 具有良好的晶体学匹配关系，可为α-Al 的凝固提供优质形核位点；而Ti 元素则凭借较高的生长限制因子，有效抑制晶粒在凝固过程中长大。在工艺调控方面，采用激光束振荡、复合脉冲电流或超声振动等外场手段，通过对熔池施加周期性的冲击或空化效应，促使生长中的枝晶破碎并形成新的晶核，提高形核率，从而消除粗大的柱状晶结构。如图4所示，低频脉冲电流可实现柱状晶向等轴晶的转变，而在引入超声振动后，空化效应与声流效应使得形核核心在熔合区内均匀分布，进一步细化了晶粒。

图3. TiC 焊丝对铝锂合金焊缝柱状晶的影响：(a) 抑制柱状晶生长；(b) TiC 形核核心的形貌；(c) 晶粒细化机制示意图

图4. 焊接工艺对铝锂合金焊缝柱状晶的影响：(a) 脉冲电流工艺；(b) 脉冲电流+超声振动复合工艺；(c) 脉冲电流与超声振动的晶粒细化机制

在抑制柱状晶的基础上，研究者进一步探索了柱状晶向等轴晶转变 (CET) 的定量规律。通过引入形核核心数密度、温度梯度与生长速率等关键参数，基于Hunt 模型构建了铝锂合金焊缝的CET 图谱，实现了对柱状晶与等轴晶比例的定量预测，如图5所示。通过工艺调控来满足低温度梯度、高冷却速率的条件，铝锂合金更容易在熔池中获得等轴晶组织。除工艺条件外，定量预测模型表明，有效形核核心的数密度在很大程度上决定了熔合区的晶粒形貌，足够数量的有效形核位点，即可有效抑制因温度梯度过大所导致的粗大柱状晶。这些定量分析模型为实现铝锂合金焊缝组织的调控提供了关键理论依据。

图5. 铝锂合金焊缝的柱状-等轴转变 (CET) 模型：(a) TIG 焊铸态铝锂合金Al-2Cu-2Li-0.5Mg-0.2Sc-0.15Zr；(b) 激光焊2195铝锂合金

• 结论与展望

铝锂合金焊接研究虽成果丰硕，但距离其在航空航天等高端领域的广泛应用，仍有若干关键挑战亟待突破。

等轴晶区 (EQZ) 仍是制约接头质量的关键瓶颈。尽管其形成机制已得到系统研究，但如何有效抑制EQZ 的形成或减轻其危害，仍缺乏行之有效的手段。亟需发展相场-应力场耦合的凝固模型，以便从力学行为与组织演化的角度来揭示EQZ 的裂纹萌生机制，从而应对其凝固裂纹挑战。

晶粒细化策略面临经济性与有效性的权衡。Sc、Zr 等合金元素虽能显著促进柱状晶向等轴晶转变，但其高昂成本严重制约了工业应用；光束振荡、超声辅助等手段则面临设备投入高、焊缝成形不佳等问题。从细化机制来看，当前研究主要聚焦于异质形核，而对提高熔池过冷度、利用溶质生长限制因子等策略的关注度不高。未来可借鉴传统铝合金中已成熟的TiB₂ 细化剂，有望在异质形核与生长限制的双重作用下实现低成本、高效率的晶粒细化。

焊后热处理工艺研究明显滞后。铝锂合金的力学性能高度依赖析出强化，但现有研究多聚焦于焊态组织调控，对焊后直接人工时效及固溶+时效等系统性热处理的研究较少。更重要的是，焊接接头中母材、等轴晶区、柱状晶区具有显著不同的组织特征，对热处理的响应也存在差异。亟需针对这种组织非均匀性，开发具有针对性的焊后热处理制度，以充分挖掘铝锂合金焊缝接头的性能潜力。

综上，未来需围绕三个方向开展系统研究：与EQZ 相关的凝固裂纹机制探索，低成本晶粒细化技术，以及接头异质结构的热处理工艺开发。这些研究将为实现铝锂合金焊接结构的高质量制造奠定重要的理论与数据支撑。

阅读英文原文：https://www.mdpi.com/1996-1944/19/4/738

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• Materials 期刊介绍

主编： Maryam Tabrizian, McGill University, Montreal, Canada;Yuguang Ma, South China University of Technology, China

主要关注材料科学与工程研究相关各个领域的最新研究成果，包括但不限于高分子、纳米材料、能源材料、复合材料、碳材料、多孔材料、生物材料、建筑材料、陶瓷、金属等，以及材料物理化学、催化、腐蚀、光电应用、结构分析和表征、建模等。目前，期刊已被 Scopus, SCIE (Web of Science), PubMed 等多个数据库收录

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