Al-Cu-Mg-Ag耐熱鋁合金研究進(jìn)展

徐浩楠，杜 翥，何 雨，伏祥州，江樂(lè)嵐，陽(yáng) 淅，潘利文,2,3（通信作者）

（1廣西大學(xué)資源環(huán)境與材料學(xué)院 廣西 南寧 530004）

（2廣西有色金屬及特色材料加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣西 南寧 530004）

（3廣西生態(tài)型鋁產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心 廣西 南寧 530004）

0 引言

耐熱鋁合金具有密度低、比強(qiáng)度高、耐熱性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天等領(lǐng)域的耐熱部件。如：汽車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞、連桿，坦克裝甲車發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋、導(dǎo)彈外殼等。然而，傳統(tǒng)鑄造耐熱Al-Si和Al-Cu合金的應(yīng)用溫度已經(jīng)達(dá)到了極限狀態(tài)，不能滿足新型大功率發(fā)動(dòng)機(jī)（300～400 ℃）或其他更高耐熱領(lǐng)域的要求。傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)鑄造鋁合金Al-Cu、Al-Si-Mg和Al-Si-Cu-Mg的使用溫度均不超過(guò)250 ℃。主要原因是這些鋁合金的高溫強(qiáng)化相的熱穩(wěn)定性不足。如：θ'-Al2Cu、共晶Si、Mg2Si和Al2CuMg等強(qiáng)化相，長(zhǎng)時(shí)間在高于200 ℃的溫度下容易粗化或溶解失去強(qiáng)化作用[1]。

為了開(kāi)發(fā)新型耐熱鋁合金，研究者們?cè)贏l-Cu合金基礎(chǔ)上添加了少量的Mg元素和Ag元素，失效后在α-Al基體的{111}α平面上形成大量的細(xì)小Ω相（Al2Cu）。Ω相與Al-Cu-Mg合金中的S相和θ＇相比，強(qiáng)化效果更好、高溫下粗化速率更慢，顯著地改善了合金高溫力學(xué)性能[2]。在人工時(shí)效過(guò)程中，Mg元素的微合金化對(duì)基體中產(chǎn)生小而密集均勻分布的θ'相有著非常有利的作用。Mg元素的添加有效地提高了合金的工作環(huán)境溫度，是Al-Cu合金提高耐熱性、高溫強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性的突破口[3]。由此可見(jiàn)，添加Mg元素對(duì)創(chuàng)造合金更高工作環(huán)境溫度、進(jìn)一步提高輕質(zhì)材料的高溫性能具有重要的意義。在Al-Cu-Mg三元合金時(shí)效過(guò)程中，Cu原子與Cu-Mg團(tuán)簇聚集，促進(jìn)θ'相的形核和析出。在Al-Cu-Mg合金中加入Ag元素后，由于Ag原子更易與Mg原子結(jié)合，因此Ag原子捕獲到大量Mg原子形成Mg-Ag團(tuán)簇。Mg-Ag團(tuán)簇提供Ω相的形核質(zhì)點(diǎn)，促進(jìn)了Ω相的形核和析出，使合金中的強(qiáng)化相由θ'相轉(zhuǎn)變?yōu)棣赶郲4]。因此，Al-Cu-Mg-Ag合金有更好的拉伸性能、抗蠕變性能，并且可在200～250 ℃高溫下長(zhǎng)期使用。近年來(lái)的研究表明，通過(guò)其他方式的改進(jìn)作用，Al-Cu-Mg-Ag合金有望發(fā)展成為可部分取代鈦合金應(yīng)用在300～400 ℃的耐熱鋁合金。為此本文綜述了Al-Cu-Mg-Ag系耐熱鋁合金近幾年的最新研究進(jìn)展，旨在為本領(lǐng)域的研究起到拋磚引玉的作用。

1 Al-Cu-Mg-Ag系耐熱鋁合金的研究

目前，提高Al-Cu-Mg-Ag耐熱鋁合金高溫力學(xué)性能的途徑主要以添加合金化元素、外加增強(qiáng)相制成復(fù)合材料和工藝優(yōu)化這3個(gè)方面入手。

1.1 微合金化和復(fù)合化

近年來(lái)，添加Si、Cr、V、Y、Cr、Sc、Er等各種金屬元素對(duì)Al-Cu-Mg-Ag合金進(jìn)行改性，成為該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，在提高Al-Cu-Mg-Ag系合金的高溫力學(xué)性能等方面取得了較大的研究進(jìn)展。

LING等[5]研究表明，300 ℃下隨著V元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)（0、0.13%和0.25 %）的增加，Al-Cu-Mg-Ag-V合金的抗拉強(qiáng)度逐漸升高，分別為144、150和156 MPa。V元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%時(shí)的合金，在高溫下表現(xiàn)出更加優(yōu)異的力學(xué)性能。在V元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%時(shí)的合金中發(fā)現(xiàn)了V2Mg3Al18相，該相具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，有利于提高合金的高溫力學(xué)性能，而在V元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.13%時(shí)的合金中并未檢測(cè)到V2Mg3Al18相，因此V元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.13%時(shí)合金的高溫力學(xué)性能相對(duì)較差。

謝浩宇等[6]研究了添加Er元素對(duì)Al-Cu-Mg-Ag合金高溫力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，隨著合金中Er元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，300 ℃下合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度顯著下降。其中，在Er元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.21%時(shí)的合金，相比不含Er元素合金的屈服強(qiáng)度下降了33 MPa，這主要是由于Er元素阻礙了Mg-Ag團(tuán)簇的形成，進(jìn)而導(dǎo)致Ω相析出密度顯著降低，高溫力學(xué)性能并未得到改善。

MEI等[7]研究了添加Y元素對(duì)Al-Cu-Mg-Ag合金顯微組織和力學(xué)性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著Y元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，在T6處理后Al-Cu-Mg-Ag合金的室溫力學(xué)性能有所下降，但合金在300 ℃下的高溫力學(xué)性能有所提高。在300 ℃下，Y元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.32%時(shí)合金的抗拉強(qiáng)度達(dá)到了232 MPa，相比于不含Y元素合金的抗拉強(qiáng)度增加了17 MPa。雖然Y元素的加入會(huì)抑制Ω相的析出，但在添加Y元素的合金中檢測(cè)到了高熱穩(wěn)定性的Al8Cu4Y相，該相沿晶界均勻分布，在300 ℃下拉伸變形后仍能夠保持穩(wěn)定，即Al8Cu4Y相對(duì)晶界具有釘扎作用，阻礙了高溫下的位錯(cuò)移動(dòng)和晶界滑動(dòng)，從而延遲裂紋的形核和生長(zhǎng)，達(dá)到了優(yōu)化高溫下的力學(xué)性能的目的。

FAN等[8]研究了Mg和Ag元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)Al-Cu-Mg-Ag合金顯微組織和力學(xué)性能的影響，并且討論了Ω相對(duì)材料耐熱性的影響。結(jié)果表明，當(dāng)Mg和Ag元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別從0.6%、0.8%增加到1.0%、1.2%時(shí)，合金中將會(huì)析出穩(wěn)定且更細(xì)小的Ω相，而隨著熱暴露時(shí)間從10 h增加至100 h，Al-5.5Cu-1.0Mg-1.2Ag合金的抗拉強(qiáng)度從450.7 MPa降低至385.4 MPa，屈服強(qiáng)度從382.0 MPa降低至323.8 MPa，這表明隨著熱暴露時(shí)間的延長(zhǎng)，抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度下降趨勢(shì)不明顯，這得益于Ω相析出密度的增加，即合金的熱穩(wěn)定性得到增強(qiáng)。

劉銅銅等[9]發(fā)現(xiàn)，在向Al-Cu-Mg-Ag合金中添加微量Si元素的過(guò)程中，隨著Si元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的逐漸升高，300 ℃下合金的抗拉強(qiáng)度從原來(lái)的236 MPa減少至191 MPa，特別是在Si元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)0.10%時(shí)，合金中的部分Mg溶質(zhì)原子以MgSi相的形式析出，Mg-Ag團(tuán)簇的形成受到抑制，進(jìn)而阻礙Ω相的析出，促進(jìn)θ＇相的形成，最終導(dǎo)致了合金高溫力學(xué)性能下降。

LI等[10]的研究表明，Al-Cu-Mg-Ag-Sc合金在175 ℃峰值時(shí)效后存在少量θ＇相以及大量Ω相，但Si的加入減少了Al-Cu-Mg-Ag-Si-Sc合金中Ω相的數(shù)量。在Al-Cu-Mg-Ag-Sc中，Sc以Al3Sc相的形式析出，未在Ω相和θ＇相的界面上產(chǎn)生偏析，因此，Sc的加入不能改善Ω相和θ＇相的熱穩(wěn)定性。不過(guò)，由于350 ℃下的Al3Sc相具有較低的粗化速率，合金整體熱穩(wěn)定性相比于無(wú)Sc合金有所提升。

XIA等[11]研究了Al-Cu-Mg-Ag基體合金和該復(fù)合材料在180～220 ℃和150～275 MPa的外加應(yīng)力下的高溫蠕變行為。TiB2具有高模量、良好熱穩(wěn)定性且與鋁基體有良好的潤(rùn)濕性，TiB2增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料在高溫下非常穩(wěn)定，TiB2顆粒和熔融的Al基體之間不會(huì)發(fā)生界面反應(yīng)，這有利于材料在高溫下制備加工或長(zhǎng)時(shí)間應(yīng)用。研究結(jié)果表明，該復(fù)合材料中的TiB2顆粒傾向于分布在晶界處，TiB2顆粒的尺寸約為550～600 nm，還有部分更小的顆粒，尺寸約為250 nm。該復(fù)合材料表現(xiàn)出優(yōu)異的抗蠕變性能，在180～220 ℃和150～275 MPa的外加應(yīng)力下，閾值應(yīng)力增加了13～19 MPa，并且穩(wěn)定蠕變速率比Al-Cu-Mg-Ag合金低45～320%。

杜傳航[12]采用壓力浸滲工藝制備了體積分?jǐn)?shù)為20%的SiCw/Al-Cu-Mg-Ag復(fù)合材料。復(fù)合材料中主要的強(qiáng)化相有Al、β-SiCW、S相（Al2CuMg）和θ相(Al2Cu)。研究表明，Al和SiCW未發(fā)生反應(yīng)生成大量Al4C3，界面結(jié)合良好。在250 ℃下拉伸時(shí)，SiCw/Al-Cu-Mg-Ag復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度為375 MPa，延伸率顯著提高，達(dá)到13.9%。溫度繼續(xù)升高，由于基體合金快速軟化，復(fù)合材料的強(qiáng)度快速降低，在300 ℃下拉伸時(shí)，抗拉強(qiáng)度僅為185 MPa。復(fù)合材料基體軟化的同時(shí)，使得增強(qiáng)體與基體間的界面結(jié)合力快速降低，最終增強(qiáng)體與基體間界面發(fā)生脫黏導(dǎo)致材料破壞，SiC晶須無(wú)法有效承受載荷，材料的高溫力學(xué)性能降低且復(fù)合材料基體發(fā)生大量塑性變形，材料的塑性提高。

1.2 材料制備及工藝

材料加工工藝會(huì)影響Al-Cu-Mg-Ag合金的強(qiáng)化相的種類、密度、形態(tài)等，進(jìn)而影響合金的力學(xué)性能。

LI等[13]研究表明，在180 ℃時(shí)效期間，溶質(zhì)原子的聚集和沉淀將使Al-Cu-Mg-Ag-Si合金中產(chǎn)生顯著的強(qiáng)化作用。APT結(jié)果表明該系合金中形成了9種類型的溶質(zhì)團(tuán)簇（即Cu、Ag、Mg-Cu、Mg-Ag、Mg-Cu-Si、Mg-Ag-Cu、Mg-Ag-Si、Cu-Ag-Si和MgAgCuSi），其中，Mg-Ag-Cu和Mg-Ag-Cu-Si團(tuán)簇可能演變?yōu)棣赶?，Cu團(tuán)簇演變?yōu)棣认?，而Mg2Si相是由Mg-Ag-Si和Mg-Ag-Cu-Si簇的分解，通過(guò)失去Ag到Ω相生長(zhǎng)而形成。在Ω沉淀物和α-Al基體之間的界面上形成了富Mg-Ag的單層，顯著提高了Ω相的抗粗化能力，即使在180 ℃時(shí)效為100 h下，Ω相仍與Al基體保持共格，從而保持其對(duì)合金的強(qiáng)化效果。

ZHANG等[14]研究了高溫單次時(shí)效（T8H）、低溫單次時(shí)效（T8L）和低溫時(shí)效間斷之后進(jìn)行高溫時(shí)效（T8I4）3種時(shí)效方式對(duì)于應(yīng)變Al-Cu-Mg-Ag合金中θ＇和Ω相析出行為的影響。結(jié)果表明，較高的人工時(shí)效溫度有利于預(yù)拉伸Al-Cu-Mg-Ag合金中Ω相的析出，并且會(huì)抑制θ＇相的析出。T8H、T8L和T8I4試樣的拉伸性能均隨著試驗(yàn)溫度（50、200、300 ℃）的升高而呈下降趨勢(shì)。T8I4樣品在室溫和高溫下比T8H和T8L樣品具有更好的拉伸性能，因此，間斷時(shí)效可以顯著改變預(yù)拉伸Al-Cu-Mg-Ag合金的力學(xué)性能。

2 結(jié)語(yǔ)

微合金化是目前Al-Cu-Mg-Ag合金改性的主要方法，但根據(jù)合金化元素的不同，對(duì)合金高溫力學(xué)性能影響具有兩面性。Si、Er的加入阻礙了Mg-Ag團(tuán)簇的形成過(guò)程，抑制Ω相的析出，降低了Al-Cu-Mg-Ag合金的高溫性能。Cr元素對(duì)Ω相具有細(xì)化作用，且能使其析出密度增加，因此起到提高高溫性能的作用。Mg、Ag質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，促進(jìn)了Mg-Ag團(tuán)簇的形成，導(dǎo)致析出了更加密集的Ω相，改善了合金的熱穩(wěn)定性。隨著V、Sc和Y元素的加入，合金中成功引入了V2Mg3Al18相、Al3Sc相和Al8Cu4Y相，它們作為新型高熱穩(wěn)定性強(qiáng)化相對(duì)合金的高溫性能也具有優(yōu)化作用。復(fù)合材料化是提高Al-Cu-Mg-Ag合金高溫力學(xué)性能新途徑，在基體中外加引入高強(qiáng)、高熱穩(wěn)定性強(qiáng)化相制備成鋁基復(fù)合材料具有較好的可設(shè)計(jì)性，但制備工藝復(fù)雜，強(qiáng)化相與基體的潤(rùn)濕性是有待解決的問(wèn)題。另外，材料的熱處理工藝對(duì)該合金的性能也有顯著的影響，時(shí)效方式通過(guò)影響合金中θ＇和Ω相析出行為進(jìn)而影響合金的高溫力學(xué)性能，也是本領(lǐng)域仍在研究的重要內(nèi)容。