6系铝合金微合金化的研究进展

（１ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｎｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｔｏｎｇ ２２６０１９；２ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｆｏｒｍｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｊｉａｎｇｓｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ ２１２０１３）
Ａｂｓｔｒａｃｔ ６× × × （Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ）ｓｅｒｉｅｓ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌｌｏｙｓ ｅｘｈｉｂｉｔ ｓｕｐｅｒｉｏｒ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｗｉｔｈ ｍｅ－ ｄｉｕｍ ｓｔｒｅｎｇｔｈ，ａｎｄ ａｒｅ ｕｓｅｄ ｗｉｄｅｌｙ ｉｎ ａｅｒｏｓｐａｃｅ ａｎｄ ｃｉｖｉｌ ａｒｅａｓ．Ｍｉｃｒｏａｌｌｏｙｉｎｇ ｉｓ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ａｐｐｒｏａｃｈ ｏｆ ｉｍ－ ｐｒｏｖｉｎｇ ｔｈｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌｌｏｙｓ，ｂｕｔ ａｌｓｏ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｍｅａｎ ｆｏｒ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｎｅｗ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌ－ ｌｏｙｓ，ａｎｄ ｉｓ ｂｅｃｏｍｉｎｇ ｈｏｔ－ｓｐｏｔ ｏｆ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌｌｏｙ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｆｉｅｌｄｓ．Ｔｈｅ ｒｏｌｅｓ ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ｏｆ ａｌｌｏｙｉｎｇ ｅｌｅｍｅｎｔｓ （Ｍｇ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ｍｎ，Ｓｒ，Ｚｒ，Ｓｃ，ｅｔｃ．）ａｒｅ ｒｅｖｉｅｗｅｄ．Ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｍｉｃｒｏａｌｌｏｙｉｎｇ ｏｆ ６××× ｓｅｒｉｅｓ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌｌｏｙｓ ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｉｔ ｉｓ ｂｅｌｉｅｖｅｄ ｔｈａｔ ｆｕｔｕｒｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓ ｓｈｏｕｌｄ ｉｎｃｌｕｄｅ ｔｈｅ ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ ｔｈｒｅｅ ａｓｐｅｃｔｓ：ｓｅｅｋｉｎｇ ｃｏｓｔ－ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｍｉｃｒｏａｌｌｏｙｉｎｇ ｅｌｅｍｅｎｔｓ，ｆｕｒｔｈｅｒ ｐｒｏｖｉｎｇ ｕｐ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ｏｆ ｍｉｃｒｏａｌ－ ｌｏｙｉｎｇ ｒｏｌｅｓ，ａｎｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｍｉｃｒｏａｌｌｏｙｉｎｇ．
１．２ Ｃｕ ６×××系铝合金中的含 Ｃｕ 相 主 要 有 ＣｕＡｌ２ 相 （θ相）、
ＣｕＭｇＡｌ２ 相（Ｓ相 ），还 有 可 能 形 成 四 元 Ａｌ１．９ＣｕＭｇ４．１Ｓｉ３．３ 相 （Ｑ 相）。这些析出相的形状、尺寸和分布等 对 合 金 的 性 能 影
＊ 江 苏 省 工 业 科 技 支 撑 项 目 （ＢＥ２００８１１８）；南 通 市 科 技 应 用 研 究 计 划 项 目 （ＢＫ２０１１０１０） 张 福 豹 ：男 ，１９８２ 年 生 ，博 士 生 Ｅ－ｍａｉｌ：ｎｔｕｚｆｂ＠１２６．ｃｏｍ
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材料导报
２０１２ 年 ５ 月 第 ２６ 卷 专 辑 １９
６× × × 系 铝 合 金 微 合 金 化 的 研 究 进 展 ＊
张 福 豹１，２，许 晓 静２，罗 勇２，宋 涛２，张 允 康２，张 振 强２
（１ 南通大学机械工程学院，南通 ２２６０１９；２ 江苏大学先进成形技术研究所，镇江 ２１２０１３）
６× × × 系 铝 合 金 微 合 金 化 的 研 究 进 展／张 福 豹 等
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பைடு நூலகம்
响很大。在 Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ合 金 中 加 入 Ｃｕ 可 以 提 高 合 金 的 强 度 和硬度，尤其是 延 展 性 ，并 ［７，８］ 可 以 提 高 合 金 的 耐 热 性 能 ， ［９］ 降低合金的淬火敏感性 。 ［４］ 但 Ｃｕ的 加 入 会 降 低 合 金 的 耐 腐 蚀性能，且腐 蚀 抗 力 随 着 Ｃｕ 含 量 的 增 加 而 降 低 。 ［１０］ 另 外， Ｃｕ含量的增加还会增大合金的过烧敏感性 。 ［１１］
小的 Ｃｕ原子就会被吸引到 Ｍｇ原子和 Ｓｉ原子偏聚团和基体 的交界处来松弛应力，从 而 使 系 统 能 量 降 低。Ｍｇ 原 子 和 Ｓｉ 原子偏聚团附近的这 种 Ｃｕ 原 子 和 空 位 的 偏 聚，就 会 为 析 出 相 的 均 匀 形 核 提 供 有 利 场 所 ，并 加 快 合 金 的 时 效 强 化 过 程 。
摘要 ６×××系（Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ）铝合金作为综合性能 良 好 的 中 强 铝 合 金，在 航 天 工 业 和 民 用 等 领 域 具 有 广 阔 的 应用前景，微合金化是提高铝合金性能的有效途径，也是研制新型铝合金的重要手段，是国内外铝 合 金 研 究 的 热 点 之 一。综述了６×××系铝合金中元素 Ｍｇ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｓｒ、Ｚｒ、Ｓｃ等的作用，探讨 了 该 系 铝 合 金 目 前 存 在 的 问 题 和 发 展 方向，指出了寻求廉价且有效的微合金化元素、进一步探明 微 合 金 化 作 用 机 理 和 复 合 微 合 金 化 是 今 后 研 究 的 主 要 方 向。
对于 Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ合金中是否存在 Ｑ 相以及 Ｑ 相对合金的 强化作用尚有一些分歧。 板 条 形 状 的 Ｑ′析 出 相 是 六 方 晶 体 结构，晶格参数为ａ＝１．０４ｎｍ，ｃ＝０．４０５ｎｍ［１３］。 有 研 究 者 认 为［１４］，将 Ｃｕ添加到 Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ合 金 中 只 会 形 成 θ相 和 Ｓ 相， Ｍｎｒａｇａｍａ等 认 ［１５］ 为 Ｑ′析 出 相 仅 在 １７５℃ 时 效 １０ｈ 后 才 能 观察到，而且时效强化对 Ｑ′相没有作用。以往的许多报道都 认为 Ｑ′相只是出现在过时效状态的铝合金中。但是，也有一 些研究者发现［１］，Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ－Ｃｕ 合 金 在 时 效 过 程 中 的 析 出 相 有θ相和 Ｑ 相。金曼等 对 ［９］ Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ－０．６Ｃｕ合 金 经 １７０ ℃ 时效４ｈ后观察发现，合金中并没有出现 θ相和 Ｓ 相，Ｑ′析 出 相 出 现 在 合 金 基 体 中 ，并 对 合 金 的 时 效 硬 化 起 作 用 。
关 键 词 铝合金 ６×××系 微合金化 中 图 分 类 号 ：ＴＧ１４６．２ 文 献 标 识 码 ：Ａ
Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｆ Ｍｉｃｒｏａｌｌｏｙｅｄ ６××× Ｓｅｒｉｅｓ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ａｌｌｏｙｓ
ＺＨＡＮＧ Ｆｕｂａｏ１，２，ＸＵ Ｘｉａｏｊｉｎｇ２，ＬＵＯ Ｙｏｎｇ２，ＳＯＮＧ Ｔａｏ２， ＺＨＡＮＧ Ｙｕｎｋａｎｇ２，ＺＨＡＮＧ Ｚｈｅｎｑｉａｎｇ２
１ 合 金 元 素 在 ６× × × 系 铝 合 金 中 的 作 用
１．１ Ｍｇ、Ｓｉ Ｍｇ、Ｓｉ是６×××系铝合金 主 要 强 化 相 Ｍｇ２Ｓｉ相（β相）
的构成元素。根据 Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ三元 系 合 金 的 Ａｌ角 状 态 图，随
着 Ｍｇ含量和 Ｓｉ含量的变化，即随着进入固溶体中 Ｍｇ２Ｓｉ的 数量变化，合金的强度呈 现 直 线 变 化，当 Ｍｇ 和 Ｓｉ的 总 含 量 为２．５％～３．５％时，具有 最 大 的 淬 火 效 应、自 然 时 效 和 人 工 时效及 最 大 抗 拉 强 度 。 ［５］ 主 要 强 化 相 Ｍｇ２Ｓｉ的 ｍ （Ｍｇ）／ ｍ（Ｓｉ）为１．７３，当 合 金 中 Ｍｇ、Ｓｉ总 含 量 一 定，ｍ（Ｍｇ）／ｍ（Ｓｉ） 的变化将影响合金的性能，过 量 的 Ｍｇ可 以 提 高 材 料 的 抗 蚀 性能，过量的 Ｓｉ不会影 响 Ｍｇ２Ｓｉ的 溶 解 度，可 以 增 加 时 效 过 程析出相的成核率［６］，细化析 出 组 织，从 而 提 高 材 料 的 强 度， 但 Ｓｉ过剩会降低材料的韧 性。 同 时，Ｓｉ可 以 消 除 Ｆｅ对 铝 合 金性能的不利影响，所以大部分的实用合金均为 Ｓｉ过剩型合 金。然而 Ｓｉ在热处理过程中易在晶界处形成偏聚，在腐蚀环 境 下 ，基 体 易 与 晶 界 形 成 微 电 池 而 发 生 晶 间 腐 蚀 。
１．３ Ｍｎ 工业 Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ铝合金中常添加 Ｍｎ，目的是在铸锭 均 匀
化过程中形成细小、弥散分布的第二相粒子以阻 碍 合 金 的 再 结晶，细化晶粒，并使滑移变形均匀，提高合金的塑性 。 ［１６，１７］
Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ 合 金 的 主 要 杂 质 元 素 是 Ｆｅ，Ｍｕｌａｚｉｍｏｇｌｕ 等 研 ［１８］ 究认为，在 Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ合金中存在β、α两种 ＡｌＦｅＳｉ相。 β－ＡｌＦｅＳｉ属单斜晶，呈粗大针状 或 片 状，性 脆，往 往 以 粗 大 的 针状穿过 α（Ａｌ）相晶粒，削弱基体，降低合金的延伸率及冲击 韧性，会对 Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ合金的力 学 性 能、挤 压 性 能 和 加 工 型 材 的表面质量产生 不 利 影 响［２，１９］。α－ＡｌＦｅＳｉ为 体 心 立 方，呈 汉 字结构，脆性小，塑性好 。在 ［２０，２１］ Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ合 金 中 加 入 一 定 量的 Ｍｎ，Ｍｎ与 Ｆｅ可以相互替代，形成多元相，代 替 β－ＡｌＦｅ Ｓｉ相中的部分 Ｆｅ而构成β－ＡｌＦｅＭｎＳｉ相，改善β相的生 成 与 生长，使β相由针状向块状、团状α相转变，消除 Ｆｅ的有害作 用。同时，Ｍｎ的加入促进 了 均 匀 化 处 理 过 程 中 长 针 状 的 β－ ＡｌＦｅＭｎＳｉ相向粒状的 α－ＡｌＦｅＭｎＳｉ相转变，改善了合金的 性 能 。 ［１７］ 另外，这种含 Ｍｎ的 α相弥散颗 粒 可 作 为 合 金 时 效 强 化相β′（Ｍｇ２Ｓｉ）的非均匀成核核心，促进 β′相 的 析 出，从 而 强 化合金，使合金获得较好的强塑性配合 。 ［２２－２４］
在铸造工业中，Ｓｒ常被用作 Ａｌ－Ｓｉ铸造合金的变质剂，细 化共晶组织和基 体 晶 粒 ，变 ［２６，２７］ 质 有 效 时 间 长，效 果 和 再 现 性好，改善 了 铸 件 的 力 学 性 能 和 铸 造 性 能。 但 在 Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ 合金中微合金化 Ｓｒ的研究迄今为止尚很少。
过量的 Ｍｎ会 对 合 金 的 性 能 造 成 一 些 不 利 影 响。 由 于 Ｍｎ在铝基体中的扩散速度很慢，且热稳定性很高，含 Ｍｎ第 二相在固 溶 处 理 过 程 中 不 能 消 失，消 耗 了 一 部 分 Ｓｉ，造 成