Al-Cu-Mg-Ag耐熱鋁合金研究進展

徐浩楠，杜 翥，何 雨，伏祥州，江樂嵐，陽 淅，潘利文,2,3（通信作者）

（1廣西大學資源環境與材料學院 廣西 南寧 530004）

（2廣西有色金屬及特色材料加工重點實驗室 廣西 南寧 530004）

（3廣西生態型鋁產業協同創新中心 廣西 南寧 530004）

0 引言

耐熱鋁合金具有密度低、比強度高、耐熱性好等優點，廣泛應用于汽車、航空航天等領域的耐熱部件。如：汽車發動機活塞、連桿，坦克裝甲車發動機氣缸蓋、導彈外殼等。然而，傳統鑄造耐熱Al-Si和Al-Cu合金的應用溫度已經達到了極限狀態，不能滿足新型大功率發動機（300～400 ℃）或其他更高耐熱領域的要求。傳統的發動機鑄造鋁合金Al-Cu、Al-Si-Mg和Al-Si-Cu-Mg的使用溫度均不超過250 ℃。主要原因是這些鋁合金的高溫強化相的熱穩定性不足。如：θ'-Al2Cu、共晶Si、Mg2Si和Al2CuMg等強化相，長時間在高于200 ℃的溫度下容易粗化或溶解失去強化作用[1]。

為了開發新型耐熱鋁合金，研究者們在Al-Cu合金基礎上添加了少量的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小Ω相（Al2Cu）。Ω相與Al-Cu-Mg合金中的S相和θ＇相比，強化效果更好、高溫下粗化速率更慢，顯著地改善了合金高溫力學性能[2]。在人工時效過程中，Mg元素的微合金化對基體中產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境溫度，是Al-Cu合金提高耐熱性、高溫強度和熱穩定性的突破口[3]。由此可見，添加Mg元素對創造合金更高工作環境溫度、進一步提高輕質材料的高溫性能具有重要的意義。在Al-Cu-Mg三元合金時效過程中，Cu原子與Cu-Mg團簇聚集，促進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原子結合，因此Ag原子捕獲到大量Mg原子形成Mg-Ag團簇。Mg-Ag團簇提供Ω相的形核質點，促進了Ω相的形核和析出，使合金中的強化相由θ'相轉變為Ω相[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 ℃高溫下長期使用。近年來的研究表明，通過其他方式的改進作用，Al-Cu-Mg-Ag合金有望發展成為可部分取代鈦合金應用在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展，旨在為本領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性能的途徑主要以添加合金化元素、外加增強相制成復合材料和工藝優化這3個方面入手。

1.1 微合金化和復合化

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

LING等[5]研究表明，300 ℃下隨著V元素質量分數（0、0.13%和0.25 %）的增加，Al-Cu-Mg-Ag-V合金的抗拉強度逐漸升高，分別為144、150和156 MPa。V元素質量分數為0.25%時的合金，在高溫下表現出更加優異的力學性能。在V元素質量分數為0.25%時的合金中發現了V2Mg3Al18相，該相具有優異的熱穩定性，有利于提高合金的高溫力學性能，而在V元素質量分數為0.13%時的合金中并未檢測到V2Mg3Al18相，因此V元素質量分數為0.13%時合金的高溫力學性能相對較差。

謝浩宇等[6]研究了添加Er元素對Al-Cu-Mg-Ag合金高溫力學性能的影響，結果表明，隨著合金中Er元素質量分數的增加，300 ℃下合金的抗拉強度和屈服強度顯著下降。其中，在Er元素質量分數為0.21%時的合金，相比不含Er元素合金的屈服強度下降了33 MPa，這主要是由于Er元素阻礙了Mg-Ag團簇的形成，進而導致Ω相析出密度顯著降低，高溫力學性能并未得到改善。

MEI等[7]研究了添加Y元素對Al-Cu-Mg-Ag合金顯微組織和力學性能的影響，實驗結果表明，隨著Y元素質量分數的提高，在T6處理后Al-Cu-Mg-Ag合金的室溫力學性能有所下降，但合金在300 ℃下的高溫力學性能有所提高。在300 ℃下，Y元素質量分數為0.32%時合金的抗拉強度達到了232 MPa，相比于不含Y元素合金的抗拉強度增加了17 MPa。雖然Y元素的加入會抑制Ω相的析出，但在添加Y元素的合金中檢測到了高熱穩定性的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定，即Al8Cu4Y相對晶界具有釘扎作用，阻礙了高溫下的位錯移動和晶界滑動，從而延遲裂紋的形核和生長，達到了優化高溫下的力學性能的目的。

FAN等[8]研究了Mg和Ag元素的質量分數對Al-Cu-Mg-Ag合金顯微組織和力學性能的影響，并且討論了Ω相對材料耐熱性的影響。結果表明，當Mg和Ag元素質量分數分別從0.6%、0.8%增加到1.0%、1.2%時，合金中將會析出穩定且更細小的Ω相，而隨著熱暴露時間從10 h增加至100 h，Al-5.5Cu-1.0Mg-1.2Ag合金的抗拉強度從450.7 MPa降低至385.4 MPa，屈服強度從382.0 MPa降低至323.8 MPa，這表明隨著熱暴露時間的延長，抗拉強度與屈服強度下降趨勢不明顯，這得益于Ω相析出密度的增加，即合金的熱穩定性得到增強。

劉銅銅等[9]發現，在向Al-Cu-Mg-Ag合金中添加微量Si元素的過程中，隨著Si元素質量分數的逐漸升高，300 ℃下合金的抗拉強度從原來的236 MPa減少至191 MPa，特別是在Si元素質量分數超過0.10%時，合金中的部分Mg溶質原子以MgSi相的形式析出，Mg-Ag團簇的形成受到抑制，進而阻礙Ω相的析出，促進θ＇相的形成，最終導致了合金高溫力學性能下降。

LI等[10]的研究表明，Al-Cu-Mg-Ag-Sc合金在175 ℃峰值時效后存在少量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＇相的界面上產生偏析，因此，Sc的加入不能改善Ω相和θ＇相的熱穩定性。不過，由于350 ℃下的Al3Sc相具有較低的粗化速率，合金整體熱穩定性相比于無Sc合金有所提升。

XIA等[11]研究了Al-Cu-Mg-Ag基體合金和該復合材料在180～220 ℃和150～275 MPa的外加應力下的高溫蠕變行為。TiB2具有高模量、良好熱穩定性且與鋁基體有良好的潤濕性，TiB2增強的鋁基復合材料在高溫下非常穩定，TiB2顆粒和熔融的Al基體之間不會發生界面反應，這有利于材料在高溫下制備加工或長時間應用。研究結果表明，該復合材料中的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。該復合材料表現出優異的抗蠕變性能，在180～220 ℃和150～275 MPa的外加應力下，閾值應力增加了13～19 MPa，并且穩定蠕變速率比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數為20%的SiCw/Al-Cu-Mg-Ag復合材料。復合材料中主要的強化相有Al、β-SiCW、S相（Al2CuMg）和θ相(Al2Cu)。研究表明，Al和SiCW未發生反應生成大量Al4C3，界面結合良好。在250 ℃下拉伸時，SiCw/Al-Cu-Mg-Ag復合材料的抗拉強度為375 MPa，延伸率顯著提高，達到13.9%。溫度繼續升高，由于基體合金快速軟化，復合材料的強度快速降低，在300 ℃下拉伸時，抗拉強度僅為185 MPa。復合材料基體軟化的同時，使得增強體與基體間的界面結合力快速降低，最終增強體與基體間界面發生脫黏導致材料破壞，SiC晶須無法有效承受載荷，材料的高溫力學性能降低且復合材料基體發生大量塑性變形，材料的塑性提高。

1.2 材料制備及工藝

材料加工工藝會影響Al-Cu-Mg-Ag合金的強化相的種類、密度、形態等，進而影響合金的力學性能。

LI等[13]研究表明，在180 ℃時效期間，溶質原子的聚集和沉淀將使Al-Cu-Mg-Ag-Si合金中產生顯著的強化作用。APT結果表明該系合金中形成了9種類型的溶質團簇（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團簇可能演變為Ω相，Cu團簇演變為θ相，而Mg2Si相是由Mg-Ag-Si和Mg-Ag-Cu-Si簇的分解，通過失去Ag到Ω相生長而形成。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 ℃時效為100 h下，Ω相仍與Al基體保持共格，從而保持其對合金的強化效果。

ZHANG等[14]研究了高溫單次時效（T8H）、低溫單次時效（T8L）和低溫時效間斷之后進行高溫時效（T8I4）3種時效方式對于應變Al-Cu-Mg-Ag合金中θ＇和Ω相析出行為的影響。結果表明，較高的人工時效溫度有利于預拉伸Al-Cu-Mg-Ag合金中Ω相的析出，并且會抑制θ＇相的析出。T8H、T8L和T8I4試樣的拉伸性能均隨著試驗溫度（50、200、300 ℃）的升高而呈下降趨勢。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，間斷時效可以顯著改變預拉伸Al-Cu-Mg-Ag合金的力學性能。

2 結語

微合金化是目前Al-Cu-Mg-Ag合金改性的主要方法，但根據合金化元素的不同，對合金高溫力學性能影響具有兩面性。Si、Er的加入阻礙了Mg-Ag團簇的形成過程，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Ω相具有細化作用，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質量分數的提高，促進了Mg-Ag團簇的形成，導致析出了更加密集的Ω相，改善了合金的熱穩定性。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定性強化相對合金的高溫性能也具有優化作用。復合材料化是提高Al-Cu-Mg-Ag合金高溫力學性能新途徑，在基體中外加引入高強、高熱穩定性強化相制備成鋁基復合材料具有較好的可設計性，但制備工藝復雜，強化相與基體的潤濕性是有待解決的問題。另外，材料的熱處理工藝對該合金的性能也有顯著的影響，時效方式通過影響合金中θ＇和Ω相析出行為進而影響合金的高溫力學性能，也是本領域仍在研究的重要內容。