通过使用轻质Al-Mg-Zn-Cu合金，实现了房间环境的协同改善以及材料在高温下的强度提升

《Materials Science and Engineering: A》：Synergistic improving room and elevated-temperature strength by lightweight Al-Mg-Zn-Cu alloy

本研究开发了一种新型轻质Al-Mg-Zn-Cu合金，通过T-Mg32(AlZnCu)49纳米析出相实现室温（576 MPa抗拉、518 MPa屈服）与高温（200°C时409 MPa抗拉、359 MPa屈服）力学性能协同优化，密度较商用合金降低1.8%-4.9%。通过TEM和HAADF-STEM分析发现，T'相在过时效中部分转变成η'相（<10%），其边缘Mg、Cu富集有效抑制粗化，赋予优异热稳定性。该研究为航空热端部件材料提供了新方案。

　　

蔡瑞民|王洪斌|白青玲|李洪祥|张迪

北京科技大学先进金属与材料国家重点实验室，中国北京市100083

摘要

商用2xxx系列铝合金因其纳米沉淀物的优异高温稳定性而被广泛用作耐热材料。然而，它们的室温强度显著低于η强化7xxx系列合金，这一直是铝合金在室温和高温强度之间的长期权衡问题。本文报道了一种由T-Mg₃₂(AlZnCu)₄₉沉淀物强化的轻质铝合金，该合金在室温和高温下均表现出优异的强度。具体而言，该合金在室温下的抗拉强度为576 MPa，屈服强度为518 MPa；在200°C时的抗拉强度仍达到409 MPa，屈服强度为359 MPa。此外，这种合金的密度比同类商用耐热铝合金低约1.8%–4.9%。高密度的半相干T'相是主要的强化相。值得注意的是，经过长时间时效处理后，部分T'相会原位转变为η'相；但由于η'相的比例不到10%，因此合金的强度仍主要由T'相决定。此外，在峰值时效状态下，T'相边缘的Mg和Cu富集在一定程度上延缓了其粗化行为。这些发现有望激发通过这种沉淀强化策略开发更多耐热铝合金的兴趣。

引言

铝合金具有低成本、易于回收、高强度和轻量化的特点，是实现航空航天领域轻量化与可持续发展的重要材料[1]、[2]、[3]。目前，2xxx系列铝合金常被用作机身蒙皮和机翼等部件材料，因为它们在高温下的强度优于其他铝合金[4]、[5]、[6]。然而，与7xxx系列铝合金相比，2xxx系列的室温强度明显较低。随着航空航天器速度的不断提高，机身与空气之间的强烈摩擦会导致蒙皮局部温度达到约200°C，这对蒙皮及其他组件材料在室温和高温下的力学性能匹配提出了更高要求，这也大大限制了商用铝合金的应用[7]、[8]、[9]、[10]。微合金化可以解决这一问题，例如向合金中添加Sc和Zr元素以形成抗粗化的核壳结构沉淀物[11]、[12]、[13]、[14]，或添加Ag元素以沉淀细小、均匀且抗粗化的Ω相[15]、[16]、[17]、[18]。通过对Al-Cu合金进行Ge-Si微合金化，形成的Si-Ge颗粒在高温时效过程中为θ′相提供了形核位点，从而形成更细小且分布更密集的沉淀物，提高了高温性能[19]、[20]。然而，这些合金元素的高成本也限制了它们的广泛应用。

目前，含有Zn/Mg<1.0且通过T-Mg₃₂(AlZnCu)₄₉相强化的Al-Mg-Zn-Cu系列交叉合金[21]、[22]因其在室温下的优异强度[23]、[24]、耐腐蚀性[25]和可焊性[27]而受到学者们的广泛关注。这种交叉合金在成分上与传统7xxx系列Al合金（Zn/Mg > 2.2）有显著区别，后者的主要强化相为η-MgZn₂沉淀物。侯等人研究了Al-5.1Mg-0.15Cu-xZn合金的时效处理[28]，发现Zn含量的增加可以显著增强和加速合金的时效硬化反应。更为重要的是，在峰值时效阶段，合金的硬度长时间保持稳定，表明强化的Mg₃₂(AlZnCu)₄₉相具有良好的结构稳定性。Al-Mg-Zn-Cu交叉合金的出现有望解决当前航空航天材料在室温和高温下力学性能匹配不佳的问题。作为一种在航空航天领域具有巨大潜力的材料，Al-Mg-Zn系列合金的高温性能尚未得到充分研究，其沉淀序列也尚未完全探索[29]、[30]。

尽管Al-Mg-Zn系列合金在航空航天应用中具有巨大潜力，但其高温性能和沉淀序列仍需进一步研究。为了解决室温和高温强度之间的长期权衡问题，本研究介绍了一种轻质Al-Mg-Zn-Cu交叉合金。通过透射电子显微镜（TEM）和高角度环形暗场扫描TEM（HAADF-STEM）研究了不同热处理后的合金微观结构。本研究的核心创新点有二：首先，它展示了室温和高温强度的协同提升，有效超越了商用2xxx和7xxx系列合金的性能局限；其次，阐明了T-Mg₃₂(AlZnCu)₄₉相独特的热稳定性机制，这归因于沉淀物边缘Mg和Cu的富集所诱导的核壳结构。通过表征从峰值时效到过时效的微观结构演变，特别是T'相向η'相的原位转变，本研究揭示了这些增强力学性能的根本机制。因此，这些发现为开发下一代耐热铝合金提供了可行的策略。

实验部分

实验

本研究使用的合金主要成分为Al-5.3Mg-4.2Zn-0.5Cu-0.1Mn-0.1Zr-0.05Ti-0.03Cr-0.03Fe-0.02Si（重量百分比），冷轧板由CHINALCO提供。表1列出了本文涵盖的主要热处理工艺。使用200克载荷和15秒的停留时间，在维氏硬度计上测量硬度。至少进行了五次独立的硬度测量并取平均值。经过峰值时效（T6）处理的样品在室温下进行了拉伸测试

力学性能

图2a显示了Al-Mg-Zn-Cu合金的两阶段时效（T6）硬度曲线，与淬火（AQ）状态相比，经过T4P处理后合金表现出显著的时效硬化响应。第二阶段时效在T4P处理后进行，26小时后达到176.5 HV的峰值；有趣的是，合金的时效稳定性超过了200小时，这可能与其主要强化相的热稳定性有关。

核壳结构的形成

合金的强度受其沉淀行为的影响较大[50]。经过T4P处理后，由于合金中形成了许多球形GP区，与淬火状态相比，合金表现出显著的时效硬化响应[24]、[30]。曹等人研究表明，淬火后的预时效处理会因温度升高而消除大量淬火空位，进一步延缓了Cu的扩散

结论

本研究制备了一种由T-Mg₃₂(AlZnCu)₄₉沉淀物强化的轻质铝合金，该合金在室温和高温下均表现出优异的强度。其沉淀序列为过饱和固溶体（SSSS）→ GP区 → T' → T' + η' → T + η。主要结论如下：

(1)

在室温下，合金的抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为576±2.6 MPa、518±2.8 MPa和16.2%；而在200°C时，抗拉强度为

CRediT作者贡献声明

李洪祥：可视化分析、实验研究。王洪斌：软件开发、实验研究。张迪：写作 – 审稿与编辑、资金获取、概念构思。白青玲：可视化分析、实验研究。蔡瑞民：写作 – 审稿与编辑、初稿撰写、方法学设计

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

我们感谢国家自然科学基金（编号：52471111和51971019）对本研究的财务支持。