通过Cu/Sc/Zr协同微合金化技术，开发出具有优异强度-延展性协同性能的600 MPa级异质Al-5Mg-3Zn-0.6Mn合金

《Materials Science and Engineering: A》：Developing 600·MPa-grade heterogeneous Al-5Mg-3Zn-0.6Mn alloys with good strength-ductility synergy via Cu/Sc/Zr synergistic microalloying

Al-5Mg-3Zn合金微合金化研究中，Cu、Sc、Zr单元素及协同作用对微观结构与力学性能的影响。Cu促进再结晶与纳米级析出相形成，Sc/Zr协同生成Al3(Sc,Zr)纳米析出相抑制再结晶，形成双模组织。Cu-Sc-Zr共掺杂合金屈服强度达509.2MPa（+29.8%），抗拉强度607.1MPa（+23.6%），延伸率11.6%（>10%），实现高强度与良好塑性的平衡。

　　

叶永康|陈翔|张俊雷|董 Lu|邓林斌|查敏|王大伟|李祖来

昆明理工大学材料科学与工程学院，国家与地方联合工程实验室（先进金属凝固成形与装备技术），中国昆明，650093

摘要

本研究探讨了单独添加或同时添加Cu、Sc和Zr对经过T6处理（固溶处理后时效处理）的Al-5Mg-3Zn-0.6Mn合金微观组织和力学性能的影响，揭示了多元微合金化的协同强化效应。结果表明，单独添加Cu可以增加沉淀物的数量密度，促进再结晶，并细化晶粒。相反，同时添加Sc和Zr会生成纳米级的Al₃(Sc, Zr)相，这些相能有效钉扎位错并抑制再结晶，从而形成以细小亚晶粒为主的双峰微观结构，并显著细化晶粒。同时添加Cu、Sc和Zr的合金呈现出细小双峰晶粒与密集沉淀物相结合的混合微观结构，使其力学性能显著提升。具体而言，这种改良合金的屈服强度（YS）为509.2 MPa，抗拉强度（UTS）为607.1 MPa，延伸率（EL）为11.6%。与基体合金（Al-5Mg-3Zn-0.6Mn）相比，其YS和UTS分别提高了117.0 MPa（29.8%）和116.8 MPa（23.6%）。尽管延伸率有所下降，但仍保持在10%以上，实现了强度和延展性的理想平衡。强度的提高主要归因于晶粒细化、丰富的纳米级沉淀物以及较高的残余应力。总之，Cu、Sc和Zr的协同添加有助于在高强度Al-Mg-Zn合金中实现理想的强度-延展性平衡。

引言

随着工程应用中对高强度、高韧性及良好耐腐蚀性材料需求的增加，传统5xxx系列Al-Mg合金（Mg含量较低，<5 wt%）的相对较低强度已无法满足日益严格的使用要求。虽然提高Mg含量是一种直接的强化方法，但当Mg含量超过6 wt%时，通常会导致严重的加工问题，如热加工性能下降（开裂）[1,2]。作为可时效强化的Al合金中的关键元素，添加Zn可以在不显著降低其加工性能的情况下增强合金强度[3]。在时效过程中，细小的T相沉淀物的形成起到了强化作用[4],[5],[6]。基于这一原理，开发了一系列新的Al-Mg-Zn合金。然而，尽管先前的研究[6,7]表明提高Zn/Mg比例可以有效改善Al-Mg-Zn合金的力学性能，但这种方法往往会导致延展性和耐腐蚀性的降低[8]。这种权衡使得在保持良好耐腐蚀性的同时实现理想的强度-延展性平衡变得具有挑战性。此外，虽然高Zn含量可以增强合金强度，但也会增加合金密度，这不利于Al-Mg-Zn合金在轻量化材料领域的应用和发展。因此，有必要通过微合金化策略开发出Zn/Mg比例低的高强度和高韧性Al-Mg-Zn合金。

为了进一步优化Al-Mg-Zn合金的力学性能，用过渡金属和稀土元素进行微合金化已被证明是一种非常有效的策略。微量添加Mn[9]和Ag[10]等元素可以细化沉淀物、改变沉淀动力学并稳定微观结构，从而显著提高强度。例如，在Al-3.97Mg-0.49Zn-0.15Sc-0.1Zr合金中添加0.6 wt%的Mn可以促进纳米级片状Al(Fe, Mn)Si相的沉淀，这些相能有效钉扎晶界[9]。同样，添加0.79 wt%的Ag可以细化晶粒并改变沉淀动力学，使T′-Mg₃₂(Al, Zn, Ag)₄₉和η′-MgZn₂相在基体中共存。Ti[11]和Zr[12]也被证明可以增强合金强度。少量添加Ti和Zr可以在基体中形成连贯的Al₃Ti和Al₃Zr相，抑制再结晶，细化晶粒结构，并产生有效的沉淀强化效应。多项关于Cu掺杂合金的研究表明，少量添加Cu（0-1.0 wt%）会对Al-Mg-Zn合金的沉淀行为产生显著影响。在预时效过程中，Cu促进了精细、高密度GP区的形成，这些区域成为T-Mg₃₂(Al, Zn, Cu)₄₉相的形核位点，加速了时效过程并增强了沉淀强化[13,14]。此外，更多T相的形成减少了固溶体中的Mg含量，有助于抑制Potvin-Le Chatelier（PLC）效应[15]。

与此同时，将Yb[16]、Er[17]、Sc[18]和Pr[19]等稀土元素微合金化到Al合金中可以生成连贯的纳米级Al₃X（X = Yb, Er, Sc, Pr）相，这些相可以钉扎晶界、抑制再结晶、细化晶粒并改善合金力学性能。在这些元素中，Sc的效果尤为显著。与不含Sc的合金相比，含Sc的合金由于Al₃Sc相的强抗再结晶性而表现出明显的晶粒细化，从而显著提高了其强度[20]。与Zr共掺杂可以进一步细化含Sc的Al-Mg合金的微观结构；Zr部分替代了Al₃Sc相中的Sc，形成Al₃(Sc, Zr)相[20,21]。此外，Sc/Zr组合还被报道可以减轻Al-Mg合金中的PLC效应，解决了与溶质Mg相关的问题[22]。

研究表明，联合微合金化可以改善热处理Al-Mg-Zn合金的力学性能[23,24]。尽管Sc-Zr共掺杂[9]和Cu添加[13]都可以独立增强Al-Mg-Zn合金的性能，但关于Cu、Sc和Zr联合添加的特定协同效应的详细研究仍不充分。为填补这一空白，我们设计了四种Al-Mg-Zn合金：一种基体合金以及分别单独或同时添加Cu、Sc和Zr的变体。通过EBSD、SEM和TEM对其微观结构进行了表征，并通过拉伸测试结合数字图像相关（DIC）技术评估了其力学性能。本研究旨在揭示合金元素单独或联合添加对合金微观结构和力学性能的影响，特别关注Cu-Sc-Zr共掺杂的协同强化效应，为设计多元素微合金化的高强度Al-Mg-Zn合金提供了新的见解。

材料与方法

铸态合金是在电阻炉中熔化纯Al、纯Mg、纯Zn以及母合金Al-60Cu、Al-20Mn、Al-10Zr和Al-2Sc制备的。所得合金具有不同的成分，分别命名为N1-N4。四种合金的实际成分通过电感耦合等离子体（ICP）测定，如表1所示。所有铸锭在470°C下均化24小时后，切割成20 mm厚，然后在450°C下热轧至最终厚度6 mm。

结果

图2显示了四种合金的OM图像。N1和N2合金（图2a和b）呈现出岛状等轴晶粒结构，大晶粒之间散布着稀疏的细小等轴晶粒。总体而言，这两种合金的微观结构相对均匀。相比之下，N3和N4合金的晶粒明显更加细化，通常呈现为细长的纺锤形晶粒。图2c和d中蓝色框标记区域的放大观察显示...

微观结构演变

四种合金的微观结构存在显著差异。与N1相比，添加0.6 wt%的Cu增加了微尺度和纳米尺度沉淀物的数量密度，显著细化了晶粒，并提高了再结晶晶粒的比例；进一步添加0.25 wt%的Sc和0.1 wt%的Zr导致晶粒进一步细化，并形成了异质微观结构，同时显著降低了再结晶晶粒的比例；同时添加...

结论

本研究探讨了Cu、Sc和Zr微合金化对Al-5Mg-3Zn-0.6Mn合金微观结构的影响，并揭示了微观结构演变与力学性能之间的关系。主要结论如下：

• (1)
  少量Cu的添加增加了沉淀物（包括Al₆(Mn, Fe)和T′相）的数量密度，促进了再结晶，并显著细化了晶粒。相比之下，同时添加...

作者贡献声明

叶永康：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法学，研究，数据分析，概念化。陈翔：撰写 – 审稿与编辑，验证，监督，软件使用，资源协调，研究。张俊雷：撰写 – 审稿与编辑，监督，项目管理，资金获取，数据分析，概念化。董 Lu：监督。邓林斌：监督。查敏：监督，资源协调，资金获取。王大伟：

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

本工作得到了云南省基础研究项目（项目编号：202505AF350017）和国家自然科学基金（项目编号：52261008）的支持。