5XXX系铝镁合金的研究进展

蒋靖宇，赖松柏，路丽英，方 杰，刘 刚，孟 松，姜 锋

(1.中南大学材料科学与工程学院，长沙410083； 2.中国空间技术研究院，北京100094；3.东北轻合金有限责任公司，哈尔滨150060)

1 引言

5XXX 系铝镁合金，以镁为主要的添加元素，是一种热处理不可强化的铝合金。 该合金密度较低，有较好的加工性和可焊性，同时耐腐蚀性能优秀，属于防锈铝合金[1-2]，强度中等，高于1 系和3系铝合金，低于2 系和7 系铝合金。 综合看来，性能十分优秀，广泛地运用于航天与船舶制造等领域[3-4]。 本文综合讨论目前国内5XXX 系铝镁合金的基本现状，分析其他元素的添加对铝镁合金组织性能的影响，探讨在生产和加工过程中一些技术和问题，同时描述目前国内外对铝镁合金材料在航空航天方面的应用和研究热点，并提出未来的研究前景。

2 成分设计

2.1 镁在铝合金中的作用

镁元素在铝合金中主要以固溶在α-Al 基体中和β 相(Al3Mg2、Al8Mg5)的形式存在。 镁对铝合金的强化机制以固溶强化和弥散强化为主。 铝镁二元相图如图1 所示[5]。

图1 铝镁二元相图[5]Fig.1 Binary phase diagram of Al-Mg [5]

从图中可以看出，在共晶温度450 ℃下，镁在铝中的溶解度为17.4%，而温度在室温时，溶解度为1%。 在半连续铸造冷却这种不平衡条件下，当镁含量高于5%～6%时，就会形成共晶或激冷Al3Mg2相[6]。 Al3Mg2相即β 相，理论上说，β相是一种强化相，能够提高合金的力学性能。 但β 相倾向于沿晶界析出，并呈网状分布，没有弥散强化的效果。 所以在传统Al-Mg 合金中，Mg 元素以固溶强化效果为主。 一般地，提高Mg 含量能够提高合金的强度。 但是较高的Mg 含量会导致合金的塑性加工变得困难。 此外，沿晶界析出的β 相在变形过程中会变成裂纹源，不利于加工。同时，较高的Mg 含量也不利于耐蚀性，β 相对α-Al 基体来说是阳极，优先发生腐蚀，使合金具有很大的晶间腐蚀和应力腐蚀敏感性，特别是Mg含量大于7%时，工艺性能会明显变差[7]。 Mg 含量小于3%时，合金的稳定性较高，β 相不容易在晶界析出，此时固溶强化效果却较弱。 为了同时保证加工性、耐蚀性和力学性能，引入其他元素，微合金化传统Al-Mg 合金是一个重要的方法。

表1 列举出了国内外部分铝镁合金牌号和成分[8]。 从表中可以看出Mg 含量范围较宽，含Mg最低的5010 合金中Mg 含量为0.2%～0.6%，最高的5A13 合金中的Mg 含量达到9.2%～10.5%。常见的变形铝镁合金中Mg 的含量为0.8% ～5.2%[9]。

2.2 其他传统元素

通过微合金化，可以改善合金的微观组织，提升力学性能和耐腐蚀性。 这些年来，国内外针对铝镁合金进行了不少的研究，开发出了一系列的铝镁合金。 通过表1 可以看出，除了镁元素之外还微量添加了诸如Mn、Cr 等其他元素。 以下列举了部分元素对铝镁合金组织性能的影响[10-11]。

Mn 添加到铝镁合金中的量一般小于0.5%。一部分Mn 在铝镁合金中固溶到基体中，同时另一部分则以MnAl6相的形式存在于组织中。 Mn可以提高合金的再结晶温度，抑制晶粒粗化，并使合金强度略有提高，尤其是对屈服强度的提升明显。 在高Mg 含量的合金中，添加Mn 可以减少焊接裂纹倾向，提高焊接和基体金属的强度。

表1 部分铝镁合金的化学成分[8]Table 1 Ingredients of some Al-Mg alloys[8]/wt.%

Cr 与Mn 的作用类似，可以提高基体金属和焊缝的强度，减少焊接热裂倾向，提高耐应力腐蚀能力，但会使塑性有所降低。 Cr 元素在Al 中常以CrFeAl7和CrMnAl13等金属间化合物的形式存在，这些金属化合物能够细化晶粒，抑制再结晶，对合金有一定的强化作用[12]。

Ti 对铝合金主要是起变质作用，使α-Al 基体晶粒细化。 加少量Ti 可使铝液在较小过冷度下形成大量细小的非均质晶核，并由于过冷度较小，晶体生长速度较慢，从而使α 基体晶粒细化。 但Ti 量过多时，会起到相反的效果，TiAl3质点快速聚集长大，并从铝液中沉淀出来，起不到非均质行核核心的作用，反而会使晶粒变粗。 正是基于这个原因，在强度较高的铝合金中一般只加入少量的Ti，以提高合金的力学性能[13]。

Zr 元素在Al-Mg 合金中有着相当重要的作用，添加少量的Zr 可以显著细化晶粒，抑制再结晶，提高材料强度。 这是因为，Zr 在铝合金中除了少量融入铝基体中形成固溶体外，主要以Al3Zr的形式存在，初生的Al3Zr 粒子能够阻止晶粒长大，而析出的细小弥散Al3Zr 质点能够钉扎位错和亚晶界，提高再结晶温度，从而抑制再结晶[14]。

在高Mg 合金中加入微量Be(0.0001% ～0.005%)，能降低铸锭的开裂倾向，改善轧制板材的表面质量，同时减少熔炼时Mg 的烧损，还能减少在加热过程中材料表面形成的氧化物。

但是有些元素对合金有害，应当加以控制，例如，Fe、Si 在铝镁合金中会导致更容易产生加工裂纹，同时还降低耐腐蚀性，因此，Fe 的含量要控制在0.4%以内。 另外，微量的Cu 也会降低合金的耐腐蚀性，Cu 的含量一般要低于0.2%。 杂质Na 会损害铝合金的热变形性能，出现“钠脆”，在高镁含量合金中尤为突出，因此必须要严格控制Na 的含量[9]。

2.3 当前的热门添加元素

近些年来，Sc 元素的添加成为了铝合金研究的一个热门。 最早由前苏联的学者发现并研究它在铝合金中的作用。 迄今为止，Sc 元素是最强力的铝合金晶粒细化剂[14]，其作用原理与Zr 类似，但效果更为强烈。 Sc 在铝基体中的最大溶解度为0.23 at.% (0.38 wt.%)，共晶温度为660 ℃[15]。 Sc与Al 会形成Al3Sc 粒子(L12结构)。 Zhou[16]等证明，Al3Sc 是一种由Al3Sc + α(Al)+ Al3Sc……组成的多层核壳结构，该粒子有着细化晶粒，抑制再结晶的效果。 同时，Al、Sc、Zr 三者之间有很强的相互作用，复合添加极容易形成Al3(Sc，Zr)粒子。

添加Sc 元素虽然对铝镁合金的性能有极大的提高，然而其高昂的售价导致了它无法大量使用，于是最近几年不少研究者在寻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 可以显著细化晶粒，抑制再结晶，随着Er含量的提高，可以保证在合金塑性保持不变的同时，大幅度提高强度和硬度。 弥散的Al3Er 质点有强烈的钉扎作用，能够将再结晶温度提高50 ℃左右。 Song[18]等针对Al-Mg 中添加微量Er 元素的高周疲劳与粒子生成的关系进行了研究，研究发现Al3(Er，Zr)粒子不同于Al3(ZrxSc1-x)粒子，Al3(Er，Zr)粒子是分为核壳结构和非核壳结构的，而高周疲劳实验能增加非核壳结构的Al3(Er，Zr)质点的数量。 另外，以往学者认为Si 元素在Al-Sc(Zr)系合金中属于杂质，然而近几年来，有学者研究发现，微量的Si 对于Al3Sc 粒子的析出有加速作用。 C.Booth-Morrison 等[19]在Al-0.06Sc-0.06Zr(at.%)合金中分别加入了0.02 at.%和0.06 at.%的Si 发现，在时效初期，含0.06 at%Si 的合金的Al3(Sc，Zr)粒子析出速度明显快于含Si 较低的合金。

Ce 的添加也能够细化铝镁合金晶粒。 Ce 虽然对合金的强度影响不大，但是能够大幅改善合金塑性。 同时Ce 的添加能够提高合金疲劳寿命和断裂韧性，减缓裂纹扩展速率，裂纹更倾向于穿晶扩展[20]。

3 制备与热处理

3.1 制备与加工

目前，5XXX 系铝镁合金坯料主要采用传统的半连续铸造工艺制备。 传统半连续铸造，工艺简单，设备要求不高，适合大规模生产，一般铸造成扁锭或者圆锭。 熔炼一般使用电阻炉、感应炉等。 熔炼过程中一般采用熔剂净化法，以出去熔体里的H 或者Al2O3等杂质[21]。随着Mg 含量的提高，铝镁合金的烧损加重，除了静置除渣之外，在铸造时还需采用陶瓷板过滤的方法来除去杂质。 传统铸造法的主要缺陷是铸锭存在晶粒粗大、偏析严重、组织疏松、固溶度低等问题，对合金性能的影响很大。 为克服传统熔铸技术的弊端，近年来发展了电磁铸造、振动铸造以及二次水冷等新的熔炼铸造技术。 这些技术不仅可以细化晶粒、改进表面质量和抑制开裂，还可以大大提高溶质元素的固溶程度，增强合金的强度[22]。 随后铸锭需要通过均匀化退火，然后轧制或挤压等方法进行加工成型，消除铸件的偏析、残余应力，减少组织疏松缩孔，细化粗大组织。

3.2 热处理

铝镁合金的热处理方式主要有均匀化退火与稳定化退火。 一般，在工业生产中，铝合金铸锭中常常存在枝晶偏析等不平衡组织，导致了内应力的产生和塑性与耐蚀性的下降，不利于使用，所以必须通过均匀化退火来消除这些不平衡组织，消除内应力，改善第二相分布，使铸锭内部均匀化。首先通过DSC 来确定合金的过烧温度，均匀化温度要求低于过烧温度。 具体温度的确定需要与保温时间和后期的处理工艺一同考虑，一般在350～475 ℃之间。 稳定化退火一般在塑性加工之后进行，利用铝镁合金在回复过程中的位错与缺陷的运动，来提高塑性，消除应力，同时又保持加工硬化的效果。 稳定化退火温度较低，一般在300 ℃左右[10]。

4 力学性能

表2 列举了部分铝镁合金在不同状态下的力学性能，从表中可以看出，5XXX 系合金的抗拉强度大部分在200～400 MPa 之间，比7 系高强铝合金(抗拉强度大多在500 MPa 以上)低，可见5XXX 系铝镁合金是一种中等强度铝合金。这是因为7 系合金的时效硬化特征比5XXX 系合金强得多，7 系合金中的Zn、Mg 和Al 形成高浓度的三元固溶体T 相(Al2Mg3Zn3)， Zn 和Mg之间形成二元的η 相(MgZn2)，这2 种相在合金中的溶解度随温度的降低急剧下降，具有很明显的时效硬化特征，但5XXX 系合金中，由于Al-Mg 中的金属间化合物β 相(Al3Mg2，Al8Mg5)的沿晶沉淀倾向和弥散度的限制，时效硬化并不受到重视。

由于Al-Mg 合金的固溶时效问题，因此，它们大多以加工硬化(H)和稳定化退火状态(O)使用。 表2 中铝镁合金的状态有O 和H 态，一般大多5XXX 系合金也以O 和H 态为主。 不同加工状态的铝合金强度是不同的，例如表2 中列举的5005 合金，O 状态的5005，它的延伸率是最好的，但是强度却较低，尤其是屈服强度，经过加工硬化后的H12 和H18 状态，强度有了明显提升，屈服强度接近抗拉强度，特别是全硬化状态H18，抗拉强度和屈服强度都最高，但是延伸率最低。 经过稳定化退火后的H38 态，消除了部分应力，塑性改善，降低屈服强度有所，但抗拉强度得以保持。

表2 部分铝镁合金的力学性能[23-28]Table 2 Mechanical properties of some Al-Mg alloys[23-28]

5 研究新方向

5.1 超细晶

金属材料根据晶粒尺寸分类可以分为4 个层次：单晶材料、微晶材料、超细晶材料和纳米晶材料[29]。 超细晶材料具有高强高韧高耐蚀性等优点，在特定条件下能展现出优异的延伸率，是目前铝镁合金研究的一个新的热门方向，研究者通过多次大变形、搅拌摩擦焊等方式来获得超细晶以研究微观组织、力学性能和腐蚀性能等方面。

Bazarnik 等[30]研究了高压扭转对5483 铝合金产生的微观组织变化与力学性能的影响。 研究发现经过1/4 圈的扭转之后晶粒尺寸就已经得以非常明显细化，从最粗的25 000 nm 细化到175 nm，经过10 圈之后，晶粒已经细化到平均70 nm的尺寸，其中80%的晶界属于大角度晶界。同时，显微维氏硬度大幅提高，从平均不到100 Hv，提高到最终的240 Hv，硬化效果十分明显。

Zha 等[31]研究等径角挤压对Al-7Mg 合金组织与性能的影响，通过室温下的等径角挤压(ECAP)制备的样品同时具有高强度(507 MPa)和较好的延伸率(11%)。 在3 次挤压加工之后，平均晶粒尺寸已经降低到500 nm 以内。 但是，不同于纯铝和低镁含量铝合金，Al-7Mg 很难通过ECAP 来获得良好的晶粒组织。 因此，Al-7Mg 合金样品的高强度是高镁含量的固溶强化和ECAP大变形造成的高位错密度和大量超细晶的晶界强化作用共同的结果。 按传统的理解，镁含量较高会导致铝镁合金强度提高的同时塑性降低。 然而，作者认为，通过ECAP，产生了2 种晶粒模式，较高的镁含量和2 种晶粒模式的共同作用产生了较高的延伸率和较高的强度共同存在的现象。

Sharma 等[32]研究了超细晶铝镁合金的疲劳腐蚀性能。 超细晶Al-7.5Mg 合金是通过冷冻研磨加高温压缩获得的，对比传统的5083(H111)合金与超细晶Al-7.5Mg 合金的疲劳性能，研究人员发现，超细晶合金在空气环境中循环载荷下，超细晶合金比传统合金的疲劳性能高，尤其是在高循环次数之后，传统5083 合金的强度已经明显下降，而超细晶合金却依然能够保持较高强度。 但是在海水环境中，超细晶合金的疲劳性能下降却快于传统合金。 因此，超细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内部条件和外部条件下，呈现出异常低的流变抗力、异常高的流变性能的现象。 实现超塑性的主要条件是一定的变形温度和低的应变速率，同时合金本身还要具有极为细小的等轴晶粒。 超塑性在难变形金属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。 研究发现，Al-6.1Mg-0.3Mn-0.25Sc-0.10Zr合金在525 ℃下以5×10-3/s 的速率拉伸，可以获得高达3250%的延伸率。 主要是因为温度合适，变形速率较低， 同时样品的晶粒尺寸很细(0.25 μm)。 另外，共格的Al3(Sc，Zr)粒子能够抑制变形高温过程中的再结晶，对于提升超塑性也很有帮助。

Masuda 等[34]研究了铝镁合金超塑性变形中的动态各向异性。 发现在320%的超塑性变形Al-4.94Mg-1.53Mn 合金中，有部分原来的等轴晶出现了轴向的拉长，但是宽度没有变化。 原因是在超塑性变形过程中出现了周边晶界的扭转，周边的晶粒被转动到拉伸的轴向，晶界角度降低到15°以内，取向趋于一致。

6 航空航天应用

在航空航天上使用对材料性能有以下几点要求[35]：①轻质高强：降低飞行器重量能大大节约发射成本，每减重1 kg，火箭的发射成本能降低10 000美元以上；②耐高温和耐低温：在航天器发射过程中与大气层摩擦产生巨大的热量，温度能高达3000 ℃，而燃料储藏罐中的液氧沸点为-183 ℃，液氢沸点为-253 ℃；③耐特种介质腐蚀：某些推进剂具有强腐蚀性，需要容器能够耐受特殊的腐蚀；④耐应力、耐空间环境等。

铝镁合金在航天器上的主要充当内部结构材料使用，例如载人航天的密封舱主体结构[36]。 目前在载人密封舱材料的应用上，我国和俄罗斯都采用的是铝镁合金，美国和欧洲也有少部分使用铝镁合金。 中国神舟系列飞船采用的是5A06 铝合金，俄罗斯的联盟号飞船和和平号空间站采用的是AMГ6(5086)铝合金。 一般地，密封舱材料的要求主要有：比强度、比模量、塑性、断裂韧度、加工成形性、焊接性、抗应力腐蚀性，以及原料货源稳定性和成本等[37-38]。 在目前服役的铝镁合金密封舱材料中，5A06 的比强度较低，5086 的断裂韧性一般。 随着载人航天技术的发展，对密封舱材料有更高的要求。 中国在“十一五”和“十二五”的项目支持下，针对大型密封新型铝镁合金进行了研究，开发出了5B70 新型铝镁钪合金，该合金具有高比强度、高比刚度、良好的断裂韧性、优异的焊接性能，逐步取代原5A06 合金。

7 小结

铝镁合金的开发和发展主要是围绕提高材料的强度、塑性、韧性、耐蚀性以及疲劳性能等综合性能来开展研究，其新型合金可以通过调整合金成分、采用新的合金元素、采用新的加工工艺和制造技术等途径进行开发。 目前，5XXX 系铝合金中应用量最大和应用领域最广的仍然是传统铸造的Al-Mg 系合金，事实上这些传统铝镁合金也还有许多性能潜力可挖掘。 因此，世界各国主要从以下几个方面来改善和开发新型铝镁合金：

1)研究新的微合金化元素和方法，例如引入新的弥散强化粒子，提升合金的综合性能；

2)进一步减少Fe、Si 等各种杂质含量，提高合金的纯度，研究控制杂质含量的方法；

3)开发新的加工，例如等径角挤压等，产生超细晶，改变传统铝镁合金的组织；

4)研究铝镁合金相关的复合材料。

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