徐 振，徐 澤，王洪斌，曲九灝，李 帥，楊東亞

（遼寧科技大學 材料與冶金學院，遼寧 鞍山 114051）

在現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展中，鋁合金作為一種結(jié)構(gòu)材料具有不可或缺的地位。單位體積鋁合金的質(zhì)量比鋼小2/3，具有抗腐蝕性能好、可塑性強、比強度高、焊接性能好等特質(zhì)，在航天工業(yè)、武器制造、建筑工業(yè)、車輛生產(chǎn)、船舶制造等領域廣泛應用［1-4］。但是鋁合金的強度較低，目前主要采用微合金化方式改善鋁合金的材料結(jié)構(gòu)和力學性能。6000系鋁合金室溫條件下具有良好的抗腐蝕與抗氧化等特性，在汽車、船舶等機械制造業(yè)中應用廣泛，具有很好的市場應用前景。

1 合金元素在6000系鋁合金中的作用

在6000系鋁合金中添加Mg、Si、Fe、Mn等元素，能夠改變鋁合金的形核過程，實現(xiàn)對晶粒結(jié)構(gòu)的把控，提高再結(jié)晶溫度，消除合金中的某些有害相，改善合金的組織與性能［5］。

1.1 Mg和Si

在6000系鋁合金的微合金化中，Mg和Si是主要添加元素。Mg元素和Si元素含量不同的Al-Mg-Si合金，在時效過程中，發(fā)生了明顯的析出行為，這些析出相是β′相［6-7］。β′相并不是合金的穩(wěn)定相［8］，β′相的產(chǎn)生有益于提高合金的性能［9］。陳保安等［10］研究了在Mg和Si含量的不斷變化過程中，Mg/Si原子比越接近1.5，其析出相的含量越高，合金的強度更高，電學性能變得更好。當Mg/Si原子比遠離這個臨界值時，析出相含量都會有所降低。多出的Mg元素能使材料的抗蝕能力得到增強，但多出的Si元素對Mg2Si的溶解情況不會有明顯作用，會使材料的韌性降低。此外，陳保安等人的研究還證明了在Mg、Si元素的質(zhì)量比低于1.73時，有過剩Si存在達到一定程度時，就會降低對鑄態(tài)組織的強化作用。多出的Si元素在少于0.06%的情況下，反而能使其抗拉強度得到增強，并且它的抗蝕性幾乎沒有改變；Andersen等［11］研究了當過剩的Si超過0.06%的界限時，合金的力學性能就會降低。并且，Si元素還可以緩解Fe元素對合金性能的不利作用，因此很多的實用合金都是Si含量過剩的，但在合金中的雜質(zhì)Fe元素與過剩的Si元素比例達到一定值時，就會和Al組合，變?yōu)锳l-FeSi化合物。程萍等［12］研究表明，鋁基體與該物質(zhì)產(chǎn)生了電位差，進而使基體組織的腐蝕變得更快，這對合金的穩(wěn)定性十分不利。

利用相圖（CALPHAD）計算可以設計合金。Lu等［13］用CALPHAD微調(diào)固溶體中的Mg/Si原子比，精確控制第二相的類型和含量，并且避免有害組成相β-AlFeSi的形成。該實驗小組在制備的合金中僅發(fā)現(xiàn)了α-AlFeMnSi相的成分和彌散體，該相具有細晶粒，微米級成分，致密分布的亞微米級彌散體和極致密的納米沉淀物的優(yōu)化微觀結(jié)構(gòu)，為位錯滑動提供了有效的障礙，并可以引起穿晶斷裂。因此，所設計的合金具有比其他6000系鋁合金具有更好的綜合機械性能，包括出色的可成形性、強度和延展性［14-15］。Song等［14］研究表明，該合金具有149 MPa的低T4P強度和26.1%的高延伸率，適用于車身面板成型。Wang等［15］研究發(fā)現(xiàn)，在油漆烘烤時效期間，因為其沉淀物的數(shù)量密度是某些其他6000合金的兩倍，屈服強度從149 MPa快速提高到277 MPa。同時，伸長率保持在20.0%的高水平。

劉輝麗等［16］研究了在鋁合金從金屬熔體轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w的過程中，Mg2Si相的存在形式長短不一，隨著Mg2Si相含量增加，Mg2Si結(jié)晶相會連續(xù)在晶界處分布。當其質(zhì)量分數(shù)在1.8%以下時，在均勻化處理時，該相幾乎完全回溶；質(zhì)量分數(shù)超過1.8%時，Mg2Si相的形貌會發(fā)生明顯改變；質(zhì)量分數(shù)達到2.65%時，會出現(xiàn)大量Si的富集的情況，單質(zhì)Si相會在晶界顯現(xiàn)；當質(zhì)量分數(shù)為1.58%時，合金的力學性能達到上限，且繼續(xù)提高Mg2Si的含量并不能進一步使合金的強度提高，而且還會造成合金延伸率的下降［16］。

1.2 Mn

在合金的凝固過程中，Mn能阻止其再結(jié)晶作用，使再結(jié)晶溫度提高，對基體晶格畸變產(chǎn)生明顯的作用，從而阻礙再結(jié)晶晶粒長大，達到細晶強化的作用，并以此來提升合金的塑性、硬度等性能，以及抗晶間腐蝕的能力［17］。這些都與加入的Mn元素含量有關(guān)，加入約0.7%的Mn，細晶效果最好。Mn含量過少會導致細晶效果不明顯，含量過多會對合金的抗拉強度造成不好的影響［18］。另外，添加Mn元素可有效地中和雜質(zhì)元素Fe，這都由MnAl6化合物引起，它的彌散質(zhì)點不利于再結(jié)晶晶粒長大，并且還能夠進一步形成（Fe、Mn）Al6，而這種物質(zhì)能夠溶解雜質(zhì)Fe，使Fe的不利作用得到一定程度上的降低［18］。

陳漢輝等［18］研究證實，添加適量的Mn可以改善AlSiMgMn鋁合金的組織和力學性能。根據(jù)陳科等［19］的研究，Mn含量從0.2%逐漸上升到0.65%的過程中，晶粒尺寸從104 μm降低到44 μm，電導率從21.8 Ms/m降低到19.7 Ms/m，抗拉強度和延伸率先提升后下降，當Mn含量達到0.35%時，抗拉強度最大。此外，Mn的添加會導致合金的耐腐蝕性能變差［19］。

1.3 Fe

Fe是主要雜質(zhì)元素，控制不好Fe、Si元素比例，就會不停地析出β-Fe相，β-Fe相狹長針狀的特殊形態(tài)容易造成應力集中，對基體會造成十分嚴重的割裂作用［20］，產(chǎn)生裂紋。因此，合金中Fe元素的組織形貌以及其含量的控制非常重要。

宋東福等［20］的研究指出，當合金中Fe含量不同時，其析出情況也不同。Fe含量高的材料析出速度比較快，時效初期的含量較高；Fe含量少的材料析出速度比較慢，此時析出相呈現(xiàn)棒狀形貌，時效初期析出相的含量不多。另外，F(xiàn)e含量較少的材料在時效過程中表現(xiàn)為強度較高，并且在時效后期其具有較好的導電率［21］。

劉方鎮(zhèn)等［21］研究發(fā)現(xiàn)，大量的非平衡凝固的Mg2Si共晶相和β-Al（Mn，F(xiàn)e）Si相共晶相存在于6082鋁合金鑄態(tài)組織中。當合金在560℃經(jīng)過10 h的均勻化之后，Mg2Si共晶相溶解到α（Al）基體中，原來的β-Al（Mn，F(xiàn)e）Si共晶相向轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Al（Mn，F(xiàn)e）Si相。

1.4 Cu

在合金中加入Cu元素能明顯地改善合金的強度、硬度、延展性和耐熱性［22-24］。但同時使得它的耐腐蝕能力變?nèi)酰移淠透g能力隨Cu含量的增加變?yōu)橹饾u降低［25］。引發(fā)這一變化的主要原因就是晶間腐蝕。何立子等［25］研究證明了受溫度效應影響，晶界上析出CuAl2相，形成富銅區(qū)，然而別處的Cu含量卻比較低，CuAl2便與貧銅區(qū)形成原電池，而CuAl2做陰極，Cu含量低的地方做陽極，就發(fā)生了晶間腐蝕。另外，根據(jù)黃伯云等［26］的研究，由于CuAl2相的影響，合金在弱酸、弱堿或者中性水溶液中都容易發(fā)生點蝕的現(xiàn)象，原因是在蝕孔電池內(nèi)發(fā)生了自催化作用，形成了濃縮的酸性溶液。當溶液中存在Cu2+時，促進了還原反應，從而使點蝕過程加速進行，加入適當?shù)乃岣x子對其有緩解效果，所以在實際生產(chǎn)中掌握好Cu的含量是至關(guān)重要的［26］。

Dong等［27］研究了在時效過程中添加高含量的Cu后鋁合金的微觀結(jié)構(gòu)變化。在時效過程的早期，有針狀的GP區(qū)和含銅的β相繼析出。在這些析出物的邊緣觀察到一種由Cu原子組成的明亮對比階梯型結(jié)構(gòu)單元（step-unit）。隨著沉淀物增厚，階梯單元的數(shù)量增加。階梯單元是由一種原子配位的平移分布和Cu原子在沉淀物中的特定位置所決定的。這種原子配位分別稱為β中的T單元和GP區(qū)中的T單元。這些針狀沉淀物的增稠過程是通過形成單元T和溶質(zhì)原子的局部擴散來實現(xiàn)的。

2 稀土元素在6000系鋁合金中的作用

2.1 Y

鋁合金的性能很大程度上決定于材料的鑄錠組織結(jié)構(gòu)。李慧中等［28］研究表明，加入0.2%～0.3%的Y對合金組織的細化晶粒效果較為明顯。并且，根據(jù)李桂榮等［29］的研究，加入適量的Y，還能夠細化二次形成的樹枝狀晶，達到改善共晶化合物大小的目的。劉生發(fā)等［30］也發(fā)現(xiàn)其合金晶粒細化且二次枝晶間距明顯減小。在維持合金導電性能不變的情況下，抗拉強度和延伸率明顯提高。韓鈺等［31］的研究證明，當Y的含量逐漸增多，其細化作用逐漸降低。另外，適量的Y還有助于提升合金的抗拉強度以及延伸率，這主要與細晶強化和AlYSi稀土相的析出強化有關(guān)［31］。張建新等［32］研究了合金在導電性方面的特性，從材料均勻性的角度來看，Y的加入使鑄態(tài)組織發(fā)生變質(zhì)作用，有效降低了組織中的針孔率，使其導電性能得到些許改善。

2.2 Sc

Sc不僅是稀土元素，還是3d型過渡族金屬，Sc兼得兩者的優(yōu)點。崔海超等［33］研究表明，Sc不僅具有細化晶粒的效果，還能夠使再結(jié)晶溫度增加，阻礙晶粒的長大，能夠提高材料的強度、抗腐蝕性、抗拉強度和高溫穩(wěn)定性等。加入0.2%的Sc能夠有效提升合金的硬度，但此時對晶粒細化并無明顯影響；加入的Sc含量大于0.6%時，細化效果開始呈現(xiàn)下降趨勢，在晶界處也產(chǎn)生了明顯的偏聚現(xiàn)象。

以6066鋁合金為例，湯振齊等［34］的研究得出了Sc的最佳添加量為0.2%，此時鑄態(tài)合金的拉伸強度為210 MPa，比不添加Sc的該合金高出了30%［34］。該研究也證實了合金的顯微組織獲得了顯著的細化作用，合金性能得到提升。平均晶粒尺寸從45 μm降低到了20 μm。該合金最合適的時效過程是在175 ℃加熱4 h［34］。

2.3 La

在合金中加入稀土元素La能夠提高合金的力學性能，并且能使合金的形核率提高，降低晶粒長大速度，從而達到細晶效果。在適當?shù)臈l件下，加入的La含量的逐漸提升，會使得細化效果越來越好。楊天恩等［35］研究表明，隨著La的逐步加入，可以提升擠壓時效后合金的伸長率、硬度和抗拉強度。添加La造成的細晶強化作用和時效后Mg2Si的彌散強化使得這些性能得以提升。

國外學者Alkahtani等［36］研究結(jié)果表明，稀土元素La僅影響合金的熔融溫度，對Al-Si共晶析出溫度沒有明顯影響。另外，該稀土金屬在質(zhì)量分數(shù)為1.5%以下沒有改性作用。為了實現(xiàn)共晶硅顆粒的顯著改性，稀土金屬的質(zhì)量分數(shù)應超過1.5%，這同時導致相當大體積分數(shù)的不溶金屬互化物沉淀。這些復雜的金屬間化合物的沉淀預計會對合金性能產(chǎn)生負面影響。

3 未來研究方向

3.1 微合金化機制模擬表征

金屬元素Mg、Si、Mn、Cu等，以及稀土元素Y、Sc、La等在合金中的作用機制已經(jīng)有了很多的相關(guān)研究，但是定量研究卻比較少?，F(xiàn)在的研究多停留在組織結(jié)構(gòu)層面，在原子層面的深入探索相對較少，研究的著重點大多數(shù)都在長大階段，少有對形核初期的相關(guān)研究。一般來說，在相變的初期階段，各種納米尺寸的微觀結(jié)構(gòu)有著十分緊密的聯(lián)系，它們之間有著復雜的關(guān)系，在不斷的相互演化過程中所形成的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和分布影響著最終析出相的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和分布，進而影響合金最終的各種性能。加入其中的微量元素，會打破這種平衡，引發(fā)一系列的鏈式反應，進而改變最終析出相的結(jié)構(gòu)、形態(tài)、分布和數(shù)量，這可能很大程度改變合金的各種性能。未來可以借助計算機等設備來模擬合金時效初期的微觀結(jié)構(gòu)，了解其演變過程，進而為鋁合金微合金化機制的進一步研究提供原子圖像和量化數(shù)據(jù)，從而更深入地從原子層面上，了解微合金化對鋁合金的影響。目前，這方面的工作還有待深入研究，進而達到繼續(xù)優(yōu)化鋁合金的組織、性能的目的。

3.2 復合微合金化

在合金中同時添加兩種或多種微量元素會對微合金化的作用效果產(chǎn)生不同的影響。添加不同的微量元素并以此來優(yōu)化合金的性能是以后發(fā)展高綜合性能鋁合金的方式，也將是新一代鋁合金研究的重要方向。

4 結(jié)論

本文系統(tǒng)地總結(jié)了當前6000系鋁合金微合金化技術(shù)的研究發(fā)展情況，重點介紹了Mg、Si、Mn、Fe和Cu五種微量元素及Y、Sc和La三種稀土元素的微合金化作用，并對上述合金元素對6000系鋁合金組織性能的影響規(guī)律、作用機理及當前研究進展情況進行了詳實的闡述，對未來的金微合金化技術(shù)的發(fā)展提出了展望，預測微合金化機制計算機模擬表征技術(shù)和復合微合金化技術(shù)將成為6000系鋁合金微合金化技術(shù)未來的重要研究方向。相信隨著新型微合金化元素的不斷發(fā)掘以及對微合金化技術(shù)作用機制的更加深入了解與掌握，將能夠更加科學地控制合金的組織結(jié)構(gòu)，改善合金的性能，使6000系鋁合金的應用發(fā)展到一個前所未有的高度。