5XXX系鋁鎂合金的研究進(jìn)展

蔣靖宇，賴松柏，路麗英，方 杰，劉 剛，孟 松，姜 鋒

(1.中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，長沙410083； 2.中國空間技術(shù)研究院，北京100094；3.東北輕合金有限責(zé)任公司，哈爾濱150060)

1 引言

5XXX 系鋁鎂合金，以鎂為主要的添加元素，是一種熱處理不可強(qiáng)化的鋁合金。 該合金密度較低，有較好的加工性和可焊性，同時耐腐蝕性能優(yōu)秀，屬于防銹鋁合金[1-2]，強(qiáng)度中等，高于1 系和3系鋁合金，低于2 系和7 系鋁合金。 綜合看來，性能十分優(yōu)秀，廣泛地運用于航天與船舶制造等領(lǐng)域[3-4]。 本文綜合討論目前國內(nèi)5XXX 系鋁鎂合金的基本現(xiàn)狀，分析其他元素的添加對鋁鎂合金組織性能的影響，探討在生產(chǎn)和加工過程中一些技術(shù)和問題，同時描述目前國內(nèi)外對鋁鎂合金材料在航空航天方面的應(yīng)用和研究熱點，并提出未來的研究前景。

2 成分設(shè)計

2.1 鎂在鋁合金中的作用

鎂元素在鋁合金中主要以固溶在α-Al 基體中和β 相(Al3Mg2、Al8Mg5)的形式存在。 鎂對鋁合金的強(qiáng)化機(jī)制以固溶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化為主。 鋁鎂二元相圖如圖1 所示[5]。

圖1 鋁鎂二元相圖[5]Fig.1 Binary phase diagram of Al-Mg [5]

從圖中可以看出，在共晶溫度450 ℃下，鎂在鋁中的溶解度為17.4%，而溫度在室溫時，溶解度為1%。 在半連續(xù)鑄造冷卻這種不平衡條件下，當(dāng)鎂含量高于5%～6%時，就會形成共晶或激冷Al3Mg2相[6]。 Al3Mg2相即β 相，理論上說，β相是一種強(qiáng)化相，能夠提高合金的力學(xué)性能。 但β 相傾向于沿晶界析出，并呈網(wǎng)狀分布，沒有彌散強(qiáng)化的效果。 所以在傳統(tǒng)Al-Mg 合金中，Mg 元素以固溶強(qiáng)化效果為主。 一般地，提高M(jìn)g 含量能夠提高合金的強(qiáng)度。 但是較高的Mg 含量會導(dǎo)致合金的塑性加工變得困難。 此外，沿晶界析出的β 相在變形過程中會變成裂紋源，不利于加工。同時，較高的Mg 含量也不利于耐蝕性，β 相對α-Al 基體來說是陽極，優(yōu)先發(fā)生腐蝕，使合金具有很大的晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕敏感性，特別是Mg含量大于7%時，工藝性能會明顯變差[7]。 Mg 含量小于3%時，合金的穩(wěn)定性較高，β 相不容易在晶界析出，此時固溶強(qiáng)化效果卻較弱。 為了同時保證加工性、耐蝕性和力學(xué)性能，引入其他元素，微合金化傳統(tǒng)Al-Mg 合金是一個重要的方法。

表1 列舉出了國內(nèi)外部分鋁鎂合金牌號和成分[8]。 從表中可以看出Mg 含量范圍較寬，含Mg最低的5010 合金中Mg 含量為0.2%～0.6%，最高的5A13 合金中的Mg 含量達(dá)到9.2%～10.5%。常見的變形鋁鎂合金中Mg 的含量為0.8% ～5.2%[9]。

2.2 其他傳統(tǒng)元素

通過微合金化，可以改善合金的微觀組織，提升力學(xué)性能和耐腐蝕性。 這些年來，國內(nèi)外針對鋁鎂合金進(jìn)行了不少的研究，開發(fā)出了一系列的鋁鎂合金。 通過表1 可以看出，除了鎂元素之外還微量添加了諸如Mn、Cr 等其他元素。 以下列舉了部分元素對鋁鎂合金組織性能的影響[10-11]。

Mn 添加到鋁鎂合金中的量一般小于0.5%。一部分Mn 在鋁鎂合金中固溶到基體中，同時另一部分則以MnAl6相的形式存在于組織中。 Mn可以提高合金的再結(jié)晶溫度，抑制晶粒粗化，并使合金強(qiáng)度略有提高，尤其是對屈服強(qiáng)度的提升明顯。 在高M(jìn)g 含量的合金中，添加Mn 可以減少焊接裂紋傾向，提高焊接和基體金屬的強(qiáng)度。

表1 部分鋁鎂合金的化學(xué)成分[8]Table 1 Ingredients of some Al-Mg alloys[8]/wt.%

Cr 與Mn 的作用類似，可以提高基體金屬和焊縫的強(qiáng)度，減少焊接熱裂傾向，提高耐應(yīng)力腐蝕能力，但會使塑性有所降低。 Cr 元素在Al 中常以CrFeAl7和CrMnAl13等金屬間化合物的形式存在，這些金屬化合物能夠細(xì)化晶粒，抑制再結(jié)晶，對合金有一定的強(qiáng)化作用[12]。

Ti 對鋁合金主要是起變質(zhì)作用，使α-Al 基體晶粒細(xì)化。 加少量Ti 可使鋁液在較小過冷度下形成大量細(xì)小的非均質(zhì)晶核，并由于過冷度較小，晶體生長速度較慢，從而使α 基體晶粒細(xì)化。 但Ti 量過多時，會起到相反的效果，TiAl3質(zhì)點快速聚集長大，并從鋁液中沉淀出來，起不到非均質(zhì)行核核心的作用，反而會使晶粒變粗。 正是基于這個原因，在強(qiáng)度較高的鋁合金中一般只加入少量的Ti，以提高合金的力學(xué)性能[13]。

Zr 元素在Al-Mg 合金中有著相當(dāng)重要的作用，添加少量的Zr 可以顯著細(xì)化晶粒，抑制再結(jié)晶，提高材料強(qiáng)度。 這是因為，Zr 在鋁合金中除了少量融入鋁基體中形成固溶體外，主要以Al3Zr的形式存在，初生的Al3Zr 粒子能夠阻止晶粒長大，而析出的細(xì)小彌散Al3Zr 質(zhì)點能夠釘扎位錯和亞晶界，提高再結(jié)晶溫度，從而抑制再結(jié)晶[14]。

在高M(jìn)g 合金中加入微量Be(0.0001% ～0.005%)，能降低鑄錠的開裂傾向，改善軋制板材的表面質(zhì)量，同時減少熔煉時Mg 的燒損，還能減少在加熱過程中材料表面形成的氧化物。

但是有些元素對合金有害，應(yīng)當(dāng)加以控制，例如，F(xiàn)e、Si 在鋁鎂合金中會導(dǎo)致更容易產(chǎn)生加工裂紋，同時還降低耐腐蝕性，因此，F(xiàn)e 的含量要控制在0.4%以內(nèi)。 另外，微量的Cu 也會降低合金的耐腐蝕性，Cu 的含量一般要低于0.2%。 雜質(zhì)Na 會損害鋁合金的熱變形性能，出現(xiàn)“鈉脆”，在高鎂含量合金中尤為突出，因此必須要嚴(yán)格控制Na 的含量[9]。

2.3 當(dāng)前的熱門添加元素

近些年來，Sc 元素的添加成為了鋁合金研究的一個熱門。 最早由前蘇聯(lián)的學(xué)者發(fā)現(xiàn)并研究它在鋁合金中的作用。 迄今為止，Sc 元素是最強(qiáng)力的鋁合金晶粒細(xì)化劑[14]，其作用原理與Zr 類似，但效果更為強(qiáng)烈。 Sc 在鋁基體中的最大溶解度為0.23 at.% (0.38 wt.%)，共晶溫度為660 ℃[15]。 Sc與Al 會形成Al3Sc 粒子(L12結(jié)構(gòu))。 Zhou[16]等證明，Al3Sc 是一種由Al3Sc + α(Al)+ Al3Sc……組成的多層核殼結(jié)構(gòu)，該粒子有著細(xì)化晶粒，抑制再結(jié)晶的效果。 同時，Al、Sc、Zr 三者之間有很強(qiáng)的相互作用，復(fù)合添加極容易形成Al3(Sc，Zr)粒子。

添加Sc 元素雖然對鋁鎂合金的性能有極大的提高，然而其高昂的售價導(dǎo)致了它無法大量使用，于是最近幾年不少研究者在尋找其他元素共同添加以降低Sc 的用量。 研究表明[17]，添加少量的Er 可以顯著細(xì)化晶粒，抑制再結(jié)晶，隨著Er含量的提高，可以保證在合金塑性保持不變的同時，大幅度提高強(qiáng)度和硬度。 彌散的Al3Er 質(zhì)點有強(qiáng)烈的釘扎作用，能夠?qū)⒃俳Y(jié)晶溫度提高50 ℃左右。 Song[18]等針對Al-Mg 中添加微量Er 元素的高周疲勞與粒子生成的關(guān)系進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)Al3(Er，Zr)粒子不同于Al3(ZrxSc1-x)粒子，Al3(Er，Zr)粒子是分為核殼結(jié)構(gòu)和非核殼結(jié)構(gòu)的，而高周疲勞實驗?zāi)茉黾臃呛藲そY(jié)構(gòu)的Al3(Er，Zr)質(zhì)點的數(shù)量。 另外，以往學(xué)者認(rèn)為Si 元素在Al-Sc(Zr)系合金中屬于雜質(zhì)，然而近幾年來，有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，微量的Si 對于Al3Sc 粒子的析出有加速作用。 C.Booth-Morrison 等[19]在Al-0.06Sc-0.06Zr(at.%)合金中分別加入了0.02 at.%和0.06 at.%的Si 發(fā)現(xiàn)，在時效初期，含0.06 at%Si 的合金的Al3(Sc，Zr)粒子析出速度明顯快于含Si 較低的合金。

Ce 的添加也能夠細(xì)化鋁鎂合金晶粒。 Ce 雖然對合金的強(qiáng)度影響不大，但是能夠大幅改善合金塑性。 同時Ce 的添加能夠提高合金疲勞壽命和斷裂韌性，減緩裂紋擴(kuò)展速率，裂紋更傾向于穿晶擴(kuò)展[20]。

3 制備與熱處理

3.1 制備與加工

目前，5XXX 系鋁鎂合金坯料主要采用傳統(tǒng)的半連續(xù)鑄造工藝制備。 傳統(tǒng)半連續(xù)鑄造，工藝簡單，設(shè)備要求不高，適合大規(guī)模生產(chǎn)，一般鑄造成扁錠或者圓錠。 熔煉一般使用電阻爐、感應(yīng)爐等。 熔煉過程中一般采用熔劑凈化法，以出去熔體里的H 或者Al2O3等雜質(zhì)[21]。隨著Mg 含量的提高，鋁鎂合金的燒損加重，除了靜置除渣之外，在鑄造時還需采用陶瓷板過濾的方法來除去雜質(zhì)。 傳統(tǒng)鑄造法的主要缺陷是鑄錠存在晶粒粗大、偏析嚴(yán)重、組織疏松、固溶度低等問題，對合金性能的影響很大。 為克服傳統(tǒng)熔鑄技術(shù)的弊端，近年來發(fā)展了電磁鑄造、振動鑄造以及二次水冷等新的熔煉鑄造技術(shù)。 這些技術(shù)不僅可以細(xì)化晶粒、改進(jìn)表面質(zhì)量和抑制開裂，還可以大大提高溶質(zhì)元素的固溶程度，增強(qiáng)合金的強(qiáng)度[22]。 隨后鑄錠需要通過均勻化退火，然后軋制或擠壓等方法進(jìn)行加工成型，消除鑄件的偏析、殘余應(yīng)力，減少組織疏松縮孔，細(xì)化粗大組織。

3.2 熱處理

鋁鎂合金的熱處理方式主要有均勻化退火與穩(wěn)定化退火。 一般，在工業(yè)生產(chǎn)中，鋁合金鑄錠中常常存在枝晶偏析等不平衡組織，導(dǎo)致了內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生和塑性與耐蝕性的下降，不利于使用，所以必須通過均勻化退火來消除這些不平衡組織，消除內(nèi)應(yīng)力，改善第二相分布，使鑄錠內(nèi)部均勻化。首先通過DSC 來確定合金的過燒溫度，均勻化溫度要求低于過燒溫度。 具體溫度的確定需要與保溫時間和后期的處理工藝一同考慮，一般在350～475 ℃之間。 穩(wěn)定化退火一般在塑性加工之后進(jìn)行，利用鋁鎂合金在回復(fù)過程中的位錯與缺陷的運動，來提高塑性，消除應(yīng)力，同時又保持加工硬化的效果。 穩(wěn)定化退火溫度較低，一般在300 ℃左右[10]。

4 力學(xué)性能

表2 列舉了部分鋁鎂合金在不同狀態(tài)下的力學(xué)性能，從表中可以看出，5XXX 系合金的抗拉強(qiáng)度大部分在200～400 MPa 之間，比7 系高強(qiáng)鋁合金(抗拉強(qiáng)度大多在500 MPa 以上)低，可見5XXX 系鋁鎂合金是一種中等強(qiáng)度鋁合金。這是因為7 系合金的時效硬化特征比5XXX 系合金強(qiáng)得多，7 系合金中的Zn、Mg 和Al 形成高濃度的三元固溶體T 相(Al2Mg3Zn3)， Zn 和Mg之間形成二元的η 相(MgZn2)，這2 種相在合金中的溶解度隨溫度的降低急劇下降，具有很明顯的時效硬化特征，但5XXX 系合金中，由于Al-Mg 中的金屬間化合物β 相(Al3Mg2，Al8Mg5)的沿晶沉淀傾向和彌散度的限制，時效硬化并不受到重視。

由于Al-Mg 合金的固溶時效問題，因此，它們大多以加工硬化(H)和穩(wěn)定化退火狀態(tài)(O)使用。 表2 中鋁鎂合金的狀態(tài)有O 和H 態(tài)，一般大多5XXX 系合金也以O(shè) 和H 態(tài)為主。 不同加工狀態(tài)的鋁合金強(qiáng)度是不同的，例如表2 中列舉的5005 合金，O 狀態(tài)的5005，它的延伸率是最好的，但是強(qiáng)度卻較低，尤其是屈服強(qiáng)度，經(jīng)過加工硬化后的H12 和H18 狀態(tài)，強(qiáng)度有了明顯提升，屈服強(qiáng)度接近抗拉強(qiáng)度，特別是全硬化狀態(tài)H18，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都最高，但是延伸率最低。 經(jīng)過穩(wěn)定化退火后的H38 態(tài)，消除了部分應(yīng)力，塑性改善，降低屈服強(qiáng)度有所，但抗拉強(qiáng)度得以保持。

表2 部分鋁鎂合金的力學(xué)性能[23-28]Table 2 Mechanical properties of some Al-Mg alloys[23-28]

5 研究新方向

5.1 超細(xì)晶

金屬材料根據(jù)晶粒尺寸分類可以分為4 個層次：單晶材料、微晶材料、超細(xì)晶材料和納米晶材料[29]。 超細(xì)晶材料具有高強(qiáng)高韌高耐蝕性等優(yōu)點，在特定條件下能展現(xiàn)出優(yōu)異的延伸率，是目前鋁鎂合金研究的一個新的熱門方向，研究者通過多次大變形、攪拌摩擦焊等方式來獲得超細(xì)晶以研究微觀組織、力學(xué)性能和腐蝕性能等方面。

Bazarnik 等[30]研究了高壓扭轉(zhuǎn)對5483 鋁合金產(chǎn)生的微觀組織變化與力學(xué)性能的影響。 研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過1/4 圈的扭轉(zhuǎn)之后晶粒尺寸就已經(jīng)得以非常明顯細(xì)化，從最粗的25 000 nm 細(xì)化到175 nm，經(jīng)過10 圈之后，晶粒已經(jīng)細(xì)化到平均70 nm的尺寸，其中80%的晶界屬于大角度晶界。同時，顯微維氏硬度大幅提高，從平均不到100 Hv，提高到最終的240 Hv，硬化效果十分明顯。

Zha 等[31]研究等徑角擠壓對Al-7Mg 合金組織與性能的影響，通過室溫下的等徑角擠壓(ECAP)制備的樣品同時具有高強(qiáng)度(507 MPa)和較好的延伸率(11%)。 在3 次擠壓加工之后，平均晶粒尺寸已經(jīng)降低到500 nm 以內(nèi)。 但是，不同于純鋁和低鎂含量鋁合金，Al-7Mg 很難通過ECAP 來獲得良好的晶粒組織。 因此，Al-7Mg 合金樣品的高強(qiáng)度是高鎂含量的固溶強(qiáng)化和ECAP大變形造成的高位錯密度和大量超細(xì)晶的晶界強(qiáng)化作用共同的結(jié)果。 按傳統(tǒng)的理解，鎂含量較高會導(dǎo)致鋁鎂合金強(qiáng)度提高的同時塑性降低。 然而，作者認(rèn)為，通過ECAP，產(chǎn)生了2 種晶粒模式，較高的鎂含量和2 種晶粒模式的共同作用產(chǎn)生了較高的延伸率和較高的強(qiáng)度共同存在的現(xiàn)象。

Sharma 等[32]研究了超細(xì)晶鋁鎂合金的疲勞腐蝕性能。 超細(xì)晶Al-7.5Mg 合金是通過冷凍研磨加高溫壓縮獲得的，對比傳統(tǒng)的5083(H111)合金與超細(xì)晶Al-7.5Mg 合金的疲勞性能，研究人員發(fā)現(xiàn)，超細(xì)晶合金在空氣環(huán)境中循環(huán)載荷下，超細(xì)晶合金比傳統(tǒng)合金的疲勞性能高，尤其是在高循環(huán)次數(shù)之后，傳統(tǒng)5083 合金的強(qiáng)度已經(jīng)明顯下降，而超細(xì)晶合金卻依然能夠保持較高強(qiáng)度。 但是在海水環(huán)境中，超細(xì)晶合金的疲勞性能下降卻快于傳統(tǒng)合金。 因此，超細(xì)晶合金也是有使用限制的。

5.2 超塑性

超塑性是指材料在一定的內(nèi)部條件和外部條件下，呈現(xiàn)出異常低的流變抗力、異常高的流變性能的現(xiàn)象。 實現(xiàn)超塑性的主要條件是一定的變形溫度和低的應(yīng)變速率，同時合金本身還要具有極為細(xì)小的等軸晶粒。 超塑性在難變形金屬的加工方面有很大的用途。

Cao 等[33]研究了Al-Mg-Sc-Zr 合金的超塑性。 研究發(fā)現(xiàn)，Al-6.1Mg-0.3Mn-0.25Sc-0.10Zr合金在525 ℃下以5×10-3/s 的速率拉伸，可以獲得高達(dá)3250%的延伸率。 主要是因為溫度合適，變形速率較低， 同時樣品的晶粒尺寸很細(xì)(0.25 μm)。 另外，共格的Al3(Sc，Zr)粒子能夠抑制變形高溫過程中的再結(jié)晶，對于提升超塑性也很有幫助。

Masuda 等[34]研究了鋁鎂合金超塑性變形中的動態(tài)各向異性。 發(fā)現(xiàn)在320%的超塑性變形Al-4.94Mg-1.53Mn 合金中，有部分原來的等軸晶出現(xiàn)了軸向的拉長，但是寬度沒有變化。 原因是在超塑性變形過程中出現(xiàn)了周邊晶界的扭轉(zhuǎn)，周邊的晶粒被轉(zhuǎn)動到拉伸的軸向，晶界角度降低到15°以內(nèi)，取向趨于一致。

6 航空航天應(yīng)用

在航空航天上使用對材料性能有以下幾點要求[35]：①輕質(zhì)高強(qiáng)：降低飛行器重量能大大節(jié)約發(fā)射成本，每減重1 kg，火箭的發(fā)射成本能降低10 000美元以上；②耐高溫和耐低溫：在航天器發(fā)射過程中與大氣層摩擦產(chǎn)生巨大的熱量，溫度能高達(dá)3000 ℃，而燃料儲藏罐中的液氧沸點為-183 ℃，液氫沸點為-253 ℃；③耐特種介質(zhì)腐蝕：某些推進(jìn)劑具有強(qiáng)腐蝕性，需要容器能夠耐受特殊的腐蝕；④耐應(yīng)力、耐空間環(huán)境等。

鋁鎂合金在航天器上的主要充當(dāng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)材料使用，例如載人航天的密封艙主體結(jié)構(gòu)[36]。 目前在載人密封艙材料的應(yīng)用上，我國和俄羅斯都采用的是鋁鎂合金，美國和歐洲也有少部分使用鋁鎂合金。 中國神舟系列飛船采用的是5A06 鋁合金，俄羅斯的聯(lián)盟號飛船和和平號空間站采用的是AMГ6(5086)鋁合金。 一般地，密封艙材料的要求主要有：比強(qiáng)度、比模量、塑性、斷裂韌度、加工成形性、焊接性、抗應(yīng)力腐蝕性，以及原料貨源穩(wěn)定性和成本等[37-38]。 在目前服役的鋁鎂合金密封艙材料中，5A06 的比強(qiáng)度較低，5086 的斷裂韌性一般。 隨著載人航天技術(shù)的發(fā)展，對密封艙材料有更高的要求。 中國在“十一五”和“十二五”的項目支持下，針對大型密封新型鋁鎂合金進(jìn)行了研究，開發(fā)出了5B70 新型鋁鎂鈧合金，該合金具有高比強(qiáng)度、高比剛度、良好的斷裂韌性、優(yōu)異的焊接性能，逐步取代原5A06 合金。

7 小結(jié)

鋁鎂合金的開發(fā)和發(fā)展主要是圍繞提高材料的強(qiáng)度、塑性、韌性、耐蝕性以及疲勞性能等綜合性能來開展研究，其新型合金可以通過調(diào)整合金成分、采用新的合金元素、采用新的加工工藝和制造技術(shù)等途徑進(jìn)行開發(fā)。 目前，5XXX 系鋁合金中應(yīng)用量最大和應(yīng)用領(lǐng)域最廣的仍然是傳統(tǒng)鑄造的Al-Mg 系合金，事實上這些傳統(tǒng)鋁鎂合金也還有許多性能潛力可挖掘。 因此，世界各國主要從以下幾個方面來改善和開發(fā)新型鋁鎂合金：

1)研究新的微合金化元素和方法，例如引入新的彌散強(qiáng)化粒子，提升合金的綜合性能；

2)進(jìn)一步減少Fe、Si 等各種雜質(zhì)含量，提高合金的純度，研究控制雜質(zhì)含量的方法；

3)開發(fā)新的加工，例如等徑角擠壓等，產(chǎn)生超細(xì)晶，改變傳統(tǒng)鋁鎂合金的組織；

4)研究鋁鎂合金相關(guān)的復(fù)合材料。

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