Al-Cu-Mg-Ag耐热铝合金研究进展

徐浩楠，杜 翥，何 雨，伏祥州，江乐岚，阳 淅，潘利文,2,3（通信作者）

（1广西大学资源环境与材料学院 广西 南宁 530004）

（2广西有色金属及特色材料加工重点实验室 广西 南宁 530004）

（3广西生态型铝产业协同创新中心 广西 南宁 530004）

0 引言

耐热铝合金具有密度低、比强度高、耐热性好等优点，广泛应用于汽车、航空航天等领域的耐热部件。如：汽车发动机活塞、连杆，坦克装甲车发动机气缸盖、导弹外壳等。然而，传统铸造耐热Al-Si和Al-Cu合金的应用温度已经达到了极限状态，不能满足新型大功率发动机（300～400 ℃）或其他更高耐热领域的要求。传统的发动机铸造铝合金Al-Cu、Al-Si-Mg和Al-Si-Cu-Mg的使用温度均不超过250 ℃。主要原因是这些铝合金的高温强化相的热稳定性不足。如：θ'-Al2Cu、共晶Si、Mg2Si和Al2CuMg等强化相，长时间在高于200 ℃的温度下容易粗化或溶解失去强化作用[1]。

为了开发新型耐热铝合金，研究者们在Al-Cu合金基础上添加了少量的Mg元素和Ag元素，失效后在α-Al基体的{111}α平面上形成大量的细小Ω相（Al2Cu）。Ω相与Al-Cu-Mg合金中的S相和θ＇相比，强化效果更好、高温下粗化速率更慢，显著地改善了合金高温力学性能[2]。在人工时效过程中，Mg元素的微合金化对基体中产生小而密集均匀分布的θ'相有着非常有利的作用。Mg元素的添加有效地提高了合金的工作环境温度，是Al-Cu合金提高耐热性、高温强度和热稳定性的突破口[3]。由此可见，添加Mg元素对创造合金更高工作环境温度、进一步提高轻质材料的高温性能具有重要的意义。在Al-Cu-Mg三元合金时效过程中，Cu原子与Cu-Mg团簇聚集，促进θ'相的形核和析出。在Al-Cu-Mg合金中加入Ag元素后，由于Ag原子更易与Mg原子结合，因此Ag原子捕获到大量Mg原子形成Mg-Ag团簇。Mg-Ag团簇提供Ω相的形核质点，促进了Ω相的形核和析出，使合金中的强化相由θ'相转变为Ω相[4]。因此，Al-Cu-Mg-Ag合金有更好的拉伸性能、抗蠕变性能，并且可在200～250 ℃高温下长期使用。近年来的研究表明，通过其他方式的改进作用，Al-Cu-Mg-Ag合金有望发展成为可部分取代钛合金应用在300～400 ℃的耐热铝合金。为此本文综述了Al-Cu-Mg-Ag系耐热铝合金近几年的最新研究进展，旨在为本领域的研究起到抛砖引玉的作用。

1 Al-Cu-Mg-Ag系耐热铝合金的研究

目前，提高Al-Cu-Mg-Ag耐热铝合金高温力学性能的途径主要以添加合金化元素、外加增强相制成复合材料和工艺优化这3个方面入手。

1.1 微合金化和复合化

近年来，添加Si、Cr、V、Y、Cr、Sc、Er等各种金属元素对Al-Cu-Mg-Ag合金进行改性，成为该领域研究的热点，在提高Al-Cu-Mg-Ag系合金的高温力学性能等方面取得了较大的研究进展。

LING等[5]研究表明，300 ℃下随着V元素质量分数（0、0.13%和0.25 %）的增加，Al-Cu-Mg-Ag-V合金的抗拉强度逐渐升高，分别为144、150和156 MPa。V元素质量分数为0.25%时的合金，在高温下表现出更加优异的力学性能。在V元素质量分数为0.25%时的合金中发现了V2Mg3Al18相，该相具有优异的热稳定性，有利于提高合金的高温力学性能，而在V元素质量分数为0.13%时的合金中并未检测到V2Mg3Al18相，因此V元素质量分数为0.13%时合金的高温力学性能相对较差。

谢浩宇等[6]研究了添加Er元素对Al-Cu-Mg-Ag合金高温力学性能的影响，结果表明，随着合金中Er元素质量分数的增加，300 ℃下合金的抗拉强度和屈服强度显著下降。其中，在Er元素质量分数为0.21%时的合金，相比不含Er元素合金的屈服强度下降了33 MPa，这主要是由于Er元素阻碍了Mg-Ag团簇的形成，进而导致Ω相析出密度显著降低，高温力学性能并未得到改善。

MEI等[7]研究了添加Y元素对Al-Cu-Mg-Ag合金显微组织和力学性能的影响，实验结果表明，随着Y元素质量分数的提高，在T6处理后Al-Cu-Mg-Ag合金的室温力学性能有所下降，但合金在300 ℃下的高温力学性能有所提高。在300 ℃下，Y元素质量分数为0.32%时合金的抗拉强度达到了232 MPa，相比于不含Y元素合金的抗拉强度增加了17 MPa。虽然Y元素的加入会抑制Ω相的析出，但在添加Y元素的合金中检测到了高热稳定性的Al8Cu4Y相，该相沿晶界均匀分布，在300 ℃下拉伸变形后仍能够保持稳定，即Al8Cu4Y相对晶界具有钉扎作用，阻碍了高温下的位错移动和晶界滑动，从而延迟裂纹的形核和生长，达到了优化高温下的力学性能的目的。

FAN等[8]研究了Mg和Ag元素的质量分数对Al-Cu-Mg-Ag合金显微组织和力学性能的影响，并且讨论了Ω相对材料耐热性的影响。结果表明，当Mg和Ag元素质量分数分别从0.6%、0.8%增加到1.0%、1.2%时，合金中将会析出稳定且更细小的Ω相，而随着热暴露时间从10 h增加至100 h，Al-5.5Cu-1.0Mg-1.2Ag合金的抗拉强度从450.7 MPa降低至385.4 MPa，屈服强度从382.0 MPa降低至323.8 MPa，这表明随着热暴露时间的延长，抗拉强度与屈服强度下降趋势不明显，这得益于Ω相析出密度的增加，即合金的热稳定性得到增强。

刘铜铜等[9]发现，在向Al-Cu-Mg-Ag合金中添加微量Si元素的过程中，随着Si元素质量分数的逐渐升高，300 ℃下合金的抗拉强度从原来的236 MPa减少至191 MPa，特别是在Si元素质量分数超过0.10%时，合金中的部分Mg溶质原子以MgSi相的形式析出，Mg-Ag团簇的形成受到抑制，进而阻碍Ω相的析出，促进θ＇相的形成，最终导致了合金高温力学性能下降。

LI等[10]的研究表明，Al-Cu-Mg-Ag-Sc合金在175 ℃峰值时效后存在少量θ＇相以及大量Ω相，但Si的加入减少了Al-Cu-Mg-Ag-Si-Sc合金中Ω相的数量。在Al-Cu-Mg-Ag-Sc中，Sc以Al3Sc相的形式析出，未在Ω相和θ＇相的界面上产生偏析，因此，Sc的加入不能改善Ω相和θ＇相的热稳定性。不过，由于350 ℃下的Al3Sc相具有较低的粗化速率，合金整体热稳定性相比于无Sc合金有所提升。

XIA等[11]研究了Al-Cu-Mg-Ag基体合金和该复合材料在180～220 ℃和150～275 MPa的外加应力下的高温蠕变行为。TiB2具有高模量、良好热稳定性且与铝基体有良好的润湿性，TiB2增强的铝基复合材料在高温下非常稳定，TiB2颗粒和熔融的Al基体之间不会发生界面反应，这有利于材料在高温下制备加工或长时间应用。研究结果表明，该复合材料中的TiB2颗粒倾向于分布在晶界处，TiB2颗粒的尺寸约为550～600 nm，还有部分更小的颗粒，尺寸约为250 nm。该复合材料表现出优异的抗蠕变性能，在180～220 ℃和150～275 MPa的外加应力下，阈值应力增加了13～19 MPa，并且稳定蠕变速率比Al-Cu-Mg-Ag合金低45～320%。

杜传航[12]采用压力浸渗工艺制备了体积分数为20%的SiCw/Al-Cu-Mg-Ag复合材料。复合材料中主要的强化相有Al、β-SiCW、S相（Al2CuMg）和θ相(Al2Cu)。研究表明，Al和SiCW未发生反应生成大量Al4C3，界面结合良好。在250 ℃下拉伸时，SiCw/Al-Cu-Mg-Ag复合材料的抗拉强度为375 MPa，延伸率显著提高，达到13.9%。温度继续升高，由于基体合金快速软化，复合材料的强度快速降低，在300 ℃下拉伸时，抗拉强度仅为185 MPa。复合材料基体软化的同时，使得增强体与基体间的界面结合力快速降低，最终增强体与基体间界面发生脱黏导致材料破坏，SiC晶须无法有效承受载荷，材料的高温力学性能降低且复合材料基体发生大量塑性变形，材料的塑性提高。

1.2 材料制备及工艺

材料加工工艺会影响Al-Cu-Mg-Ag合金的强化相的种类、密度、形态等，进而影响合金的力学性能。

LI等[13]研究表明，在180 ℃时效期间，溶质原子的聚集和沉淀将使Al-Cu-Mg-Ag-Si合金中产生显著的强化作用。APT结果表明该系合金中形成了9种类型的溶质团簇（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团簇可能演变为Ω相，Cu团簇演变为θ相，而Mg2Si相是由Mg-Ag-Si和Mg-Ag-Cu-Si簇的分解，通过失去Ag到Ω相生长而形成。在Ω沉淀物和α-Al基体之间的界面上形成了富Mg-Ag的单层，显著提高了Ω相的抗粗化能力，即使在180 ℃时效为100 h下，Ω相仍与Al基体保持共格，从而保持其对合金的强化效果。

ZHANG等[14]研究了高温单次时效（T8H）、低温单次时效（T8L）和低温时效间断之后进行高温时效（T8I4）3种时效方式对于应变Al-Cu-Mg-Ag合金中θ＇和Ω相析出行为的影响。结果表明，较高的人工时效温度有利于预拉伸Al-Cu-Mg-Ag合金中Ω相的析出，并且会抑制θ＇相的析出。T8H、T8L和T8I4试样的拉伸性能均随着试验温度（50、200、300 ℃）的升高而呈下降趋势。T8I4样品在室温和高温下比T8H和T8L样品具有更好的拉伸性能，因此，间断时效可以显著改变预拉伸Al-Cu-Mg-Ag合金的力学性能。

2 结语

微合金化是目前Al-Cu-Mg-Ag合金改性的主要方法，但根据合金化元素的不同，对合金高温力学性能影响具有两面性。Si、Er的加入阻碍了Mg-Ag团簇的形成过程，抑制Ω相的析出，降低了Al-Cu-Mg-Ag合金的高温性能。Cr元素对Ω相具有细化作用，且能使其析出密度增加，因此起到提高高温性能的作用。Mg、Ag质量分数的提高，促进了Mg-Ag团簇的形成，导致析出了更加密集的Ω相，改善了合金的热稳定性。随着V、Sc和Y元素的加入，合金中成功引入了V2Mg3Al18相、Al3Sc相和Al8Cu4Y相，它们作为新型高热稳定性强化相对合金的高温性能也具有优化作用。复合材料化是提高Al-Cu-Mg-Ag合金高温力学性能新途径，在基体中外加引入高强、高热稳定性强化相制备成铝基复合材料具有较好的可设计性，但制备工艺复杂，强化相与基体的润湿性是有待解决的问题。另外，材料的热处理工艺对该合金的性能也有显著的影响，时效方式通过影响合金中θ＇和Ω相析出行为进而影响合金的高温力学性能，也是本领域仍在研究的重要内容。