6000系鋁合金微合金化研究進(jìn)展

徐 振，徐 澤，王洪斌，曲九灝，李 帥，楊東亞

（遼寧科技大學(xué) 材料與冶金學(xué)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(qiáng)、比強(qiáng)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(lǐng)域廣泛應(yīng)用［1-4］。但是鋁合金的強(qiáng)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(xué)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(jī)械制造業(yè)中應(yīng)用廣泛，具有很好的市場(chǎng)應(yīng)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(guò)程，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)效過(guò)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(guò)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(qiáng)度更高，電學(xué)性能變得更好。當(dāng)Mg/Si原子比遠(yuǎn)離這個(gè)臨界值時(shí)，析出相含量都會(huì)有所降低。多出的Mg元素能使材料的抗蝕能力得到增強(qiáng)，但多出的Si元素對(duì)Mg2Si的溶解情況不會(huì)有明顯作用，會(huì)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(shí)，有過(guò)剩Si存在達(dá)到一定程度時(shí)，就會(huì)降低對(duì)鑄態(tài)組織的強(qiáng)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(qiáng)度得到增強(qiáng)，并且它的抗蝕性幾乎沒(méi)有改變；Andersen等［11］研究了當(dāng)過(guò)剩的Si超過(guò)0.06%的界限時(shí)，合金的力學(xué)性能就會(huì)降低。并且，Si元素還可以緩解Fe元素對(duì)合金性能的不利作用，因此很多的實(shí)用合金都是Si含量過(guò)剩的，但在合金中的雜質(zhì)Fe元素與過(guò)剩的Si元素比例達(dá)到一定值時(shí)，就會(huì)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(jìn)而使基體組織的腐蝕變得更快，這對(duì)合金的穩(wěn)定性十分不利。

利用相圖（CALPHAD）計(jì)算可以設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)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(xì)晶粒，微米級(jí)成分，致密分布的亞微米級(jí)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(cuò)滑動(dòng)提供了有效的障礙，并可以引起穿晶斷裂。因此，所設(shè)計(jì)的合金具有比其他6000系鋁合金具有更好的綜合機(jī)械性能，包括出色的可成形性、強(qiáng)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(qiáng)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(shí)效期間，因?yàn)槠涑恋砦锏臄?shù)量密度是某些其他6000合金的兩倍，屈服強(qiáng)度從149 MPa快速提高到277 MPa。同時(shí)，伸長(zhǎng)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(guò)程中，Mg2Si相的存在形式長(zhǎng)短不一，隨著Mg2Si相含量增加，Mg2Si結(jié)晶相會(huì)連續(xù)在晶界處分布。當(dāng)其質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1.8%以下時(shí)，在均勻化處理時(shí)，該相幾乎完全回溶；質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)1.8%時(shí)，Mg2Si相的形貌會(huì)發(fā)生明顯改變；質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到2.65%時(shí)，會(huì)出現(xiàn)大量Si的富集的情況，單質(zhì)Si相會(huì)在晶界顯現(xiàn)；當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.58%時(shí)，合金的力學(xué)性能達(dá)到上限，且繼續(xù)提高M(jìn)g2Si的含量并不能進(jìn)一步使合金的強(qiáng)度提高，而且還會(huì)造成合金延伸率的下降［16］。

1.2 Mn

在合金的凝固過(guò)程中，Mn能阻止其再結(jié)晶作用，使再結(jié)晶溫度提高，對(duì)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(zhǎng)大，達(dá)到細(xì)晶強(qiáng)化的作用，并以此來(lái)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(xì)晶效果最好。Mn含量過(guò)少會(huì)導(dǎo)致細(xì)晶效果不明顯，含量過(guò)多會(huì)對(duì)合金的抗拉強(qiáng)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(diǎn)不利于再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大，并且還能夠進(jìn)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(shí)，添加適量的Mn可以改善AlSiMgMn鋁合金的組織和力學(xué)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(guò)程中，晶粒尺寸從104 μm降低到44 μm，電導(dǎo)率從21.8 Ms/m降低到19.7 Ms/m，抗拉強(qiáng)度和延伸率先提升后下降，當(dāng)Mn含量達(dá)到0.35%時(shí)，抗拉強(qiáng)度最大。此外，Mn的添加會(huì)導(dǎo)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(huì)不停地析出β-Fe相，β-Fe相狹長(zhǎng)針狀的特殊形態(tài)容易造成應(yīng)力集中，對(duì)基體會(huì)造成十分嚴(yán)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(dāng)合金中Fe含量不同時(shí)，其析出情況也不同。Fe含量高的材料析出速度比較快，時(shí)效初期的含量較高；Fe含量少的材料析出速度比較慢，此時(shí)析出相呈現(xiàn)棒狀形貌，時(shí)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(shí)效過(guò)程中表現(xiàn)為強(qiáng)度較高，并且在時(shí)效后期其具有較好的導(dǎo)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(dāng)合金在560℃經(jīng)過(guò)10 h的均勻化之后，Mg2Si共晶相溶解到α（Al）基體中，原來(lái)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(qiáng)度、硬度、延展性和耐熱性［22-24］。但同時(shí)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(yīng)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(yáng)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(diǎn)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(dāng)溶液中存在Cu2+時(shí)，促進(jìn)了還原反應(yīng)，從而使點(diǎn)蝕過(guò)程加速進(jìn)行，加入適當(dāng)?shù)乃岣x子對(duì)其有緩解效果，所以在實(shí)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(shí)效過(guò)程中添加高含量的Cu后鋁合金的微觀結(jié)構(gòu)變化。在時(shí)效過(guò)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(duì)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(guò)程是通過(guò)形成單元T和溶質(zhì)原子的局部擴(kuò)散來(lái)實(shí)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(duì)合金組織的細(xì)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(xì)化二次形成的樹(shù)枝狀晶，達(dá)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(xì)化且二次枝晶間距明顯減小。在維持合金導(dǎo)電性能不變的情況下，抗拉強(qiáng)度和延伸率明顯提高。韓鈺等［31］的研究證明，當(dāng)Y的含量逐漸增多，其細(xì)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(qiáng)度以及延伸率，這主要與細(xì)晶強(qiáng)化和AlYSi稀土相的析出強(qiáng)化有關(guān)［31］。張建新等［32］研究了合金在導(dǎo)電性方面的特性，從材料均勻性的角度來(lái)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(dǎo)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(guò)渡族金屬，Sc兼得兩者的優(yōu)點(diǎn)。崔海超等［33］研究表明，Sc不僅具有細(xì)化晶粒的效果，還能夠使再結(jié)晶溫度增加，阻礙晶粒的長(zhǎng)大，能夠提高材料的強(qiáng)度、抗腐蝕性、抗拉強(qiáng)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(shí)對(duì)晶粒細(xì)化并無(wú)明顯影響；加入的Sc含量大于0.6%時(shí)，細(xì)化效果開(kāi)始呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，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(shí)鑄態(tài)合金的拉伸強(qiáng)度為210 MPa，比不添加Sc的該合金高出了30%［34］。該研究也證實(shí)了合金的顯微組織獲得了顯著的細(xì)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(shí)效過(guò)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(xué)性能，并且能使合金的形核率提高，降低晶粒長(zhǎng)大速度，從而達(dá)到細(xì)晶效果。在適當(dāng)?shù)臈l件下，加入的La含量的逐漸提升，會(huì)使得細(xì)化效果越來(lái)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(shí)效后合金的伸長(zhǎng)率、硬度和抗拉強(qiáng)度。添加La造成的細(xì)晶強(qiáng)化作用和時(shí)效后Mg2Si的彌散強(qiáng)化使得這些性能得以提升。

國(guó)外學(xué)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(duì)Al-Si共晶析出溫度沒(méi)有明顯影響。另外，該稀土金屬在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%以下沒(méi)有改性作用。為了實(shí)現(xiàn)共晶硅顆粒的顯著改性，稀土金屬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)超過(guò)1.5%，這同時(shí)導(dǎo)致相當(dāng)大體積分?jǐn)?shù)的不溶金屬互化物沉淀。這些復(fù)雜的金屬間化合物的沉淀預(yù)計(jì)會(huì)對(duì)合金性能產(chǎn)生負(fù)面影響。

3 未來(lái)研究方向

3.1 微合金化機(jī)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(jī)制已經(jīng)有了很多的相關(guān)研究，但是定量研究卻比較少。現(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(duì)較少，研究的著重點(diǎn)大多數(shù)都在長(zhǎng)大階段，少有對(duì)形核初期的相關(guān)研究。一般來(lái)說(shuō)，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(fù)雜的關(guān)系，在不斷的相互演化過(guò)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(jìn)而影響合金最終的各種性能。加入其中的微量元素，會(huì)打破這種平衡，引發(fā)一系列的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，進(jìn)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(lái)可以借助計(jì)算機(jī)等設(shè)備來(lái)模擬合金時(shí)效初期的微觀結(jié)構(gòu)，了解其演變過(guò)程，進(jìn)而為鋁合金微合金化機(jī)制的進(jìn)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(duì)鋁合金的影響。目前，這方面的工作還有待深入研究，進(jìn)而達(dá)到繼續(xù)優(yōu)化鋁合金的組織、性能的目的。

3.2 復(fù)合微合金化

在合金中同時(shí)添加兩種或多種微量元素會(huì)對(duì)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(lái)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(dāng)前6000系鋁合金微合金化技術(shù)的研究發(fā)展情況，重點(diǎn)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(duì)上述合金元素對(duì)6000系鋁合金組織性能的影響規(guī)律、作用機(jī)理及當(dāng)前研究進(jìn)展情況進(jìn)行了詳實(shí)的闡述，對(duì)未來(lái)的金微合金化技術(shù)的發(fā)展提出了展望，預(yù)測(cè)微合金化機(jī)制計(jì)算機(jī)模擬表征技術(shù)和復(fù)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(lái)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(duì)微合金化技術(shù)作用機(jī)制的更加深入了解與掌握，將能夠更加科學(xué)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(yīng)用發(fā)展到一個(gè)前所未有的高度。