變形鋁合金在鋁產(chǎn)業(yè)中占據(jù)著舉足輕重的地位，近年來，隨著鋁產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展，我國變形鋁合金產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)了前所未有的進步，推動了鋁及鋁合金應(yīng)用領(lǐng)域逐步拓寬。

　　西安交通大學(xué)的抗蠕變鋁-銅-鈧系合金

　　西安交通大學(xué)金屬材料強度重點實驗室高一涵博士、楊沖博士與青年教師張金鈺在劉剛和孫軍教授的指導(dǎo)下，與美國約翰霍普金斯大學(xué)馬恩教授、重慶大學(xué)曹玲飛教授合作，在新型抗高溫蠕變AI-Cu系合金研發(fā)方面取得了突破性進展。

　　在AI-Cu合金中可形成有時效強化作用的AI2Cu相，加入少量的（<0.4%）鈧后可形成新的AI3Sc相，它不但有更強的時效強化作用，而且有異常的且非常強烈的晶粒細化作用，不過它們的時效工藝本來是不相同的，但研究者通過工藝處理，使兩個強化相粒子和諧共存，取長補短，使普通的AI-Cu合金不再普通，面貌煥然一新，具有超常的抗高溫蠕變性能：在300℃以>30N/mm2外加應(yīng)力的苛刻蠕變條件下，可安全工作350小時以上；如果外加應(yīng)力<20N/mm2，則安全蠕變時間可長于2000小時。其蠕變壽命比傳統(tǒng)2xxx系合金、6xxx系、7xxx系、4xxx系、AI-Sc合金、AI2O3或Sic粒子增強的鋁合金復(fù)合材料的長2~3個數(shù)量級。

　　新型AI-Cu-Sc合金為什么會有這么強的抗蠕變性能呢？研究者巧妙地采用納米第二相顆粒界面原子偏聚的顯微組織設(shè)計思想，通過在原子層次解析不同溶質(zhì)原子之間的交互作用，借相關(guān)的熱力學(xué)/動力學(xué)分析，通過常規(guī)的AI-Cu合金并借助Sc的微合金化作用，在不同尋常的熱處理工藝下，使Sc原子高濃度地偏聚于AI2Cu強化相質(zhì)點的界面，將它們包圍起來，顯著地抑制了它們在高溫下的粗化長大，延長了蠕變壽命。

　　高一涵團隊研制的生產(chǎn)含鈧AI-Cu系材料的工藝對提高傳統(tǒng)航空鋁合金的高溫性能有著重要意義，可創(chuàng)造出一批在250℃以上長期工作的AI-Cu-Mg-Sc合金，可為航空航天工業(yè)的新發(fā)展作出更大貢獻，為中國大飛機的制造提供高性能鋁材。合金成分雖未公布，但筆者認(rèn)為，Cu含量會>5%，Sc含量會<0.4%。

　　有研科技集團公司的高強高韌—低淬火敏感性鋁合金

　　北京有色金屬研究總院旗下的有研科技集團有限公司以熊柏青為首的研究團隊發(fā)明的AI-Zn-Mg-Cu系高強高韌—低淬火敏感性鋁合金至2018年6月12日已獲得美國專利授權(quán)，至此，專利授權(quán)國家達12個，分別為：中國、美國、法國、英國、加拿大、德國、挪威、澳大利亞、意大利、西班牙、奧地利、日本。筆者認(rèn)為，還可以申請巴西專利，因為巴西也是主要的航空器制造國。

　　這個新型鋁合金的面世，創(chuàng)造了中國鋁合金發(fā)展史上諸多首個——是中國首個有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的結(jié)構(gòu)鋁合金、是中國首個AI-Zn-Mg-Cu系高強高韌—低淬火敏感性航空航天鋁合金、是中國首個獲得國際發(fā)明專利大范圍授權(quán)的航空航天器結(jié)構(gòu)鋁合金、是中國首個超大厚度鍛件在軍民飛機上大規(guī)模應(yīng)用的合金，2016年~2018年，中鋁西南鋁業(yè)（集團）有限責(zé)任公司向航空器制造企業(yè)提供此種合金產(chǎn)品近1000噸，受到用戶的普遍贊譽。

　　合金成分

　　熊柏青等發(fā)明的高強高韌—低淬火敏感性AI-Zn-Mg-Cu系合金的化學(xué)成分（質(zhì)量%）：Zn6.7~8.7，Mg1.1~2.3，Cu0.5~1.9，Zr0.03~0.20；同時需要滿足，10.5≤（Zn+Mg+Cu）≤11.0，5.3≤（Zn/Mg+Cu）≤6.0，（0.24-D/4800）≤（Zr+Mn+Sc+Er+Hf）≤（0.24-D/5000），其中D為半連續(xù)鑄錠直徑或方形錠厚度，250mm≤D≤1000mm。所述合金的優(yōu)選成分（質(zhì)量%）：Zn7.5~8.4，Mg1.65~1.8，Cu0.7~1.5，Zr0.03~0.20，同時滿足：10.6≤（Zn+Mg+Cu）≤10.8，5.5≤（Zn/Mg+Cu）≤5.7。

　　對新合金可進一步添加微合金化元素Mn、Sc、Er、Hf等，但不論是單個添加還是加入2個或2個以上均需滿足（0.24-D/4800）wt%≤（Zr+Mn+Sc+Er+Hf）wt%≤（0.24-D/5000）wt%，其中D為半連續(xù)鑄造圓錠直徑或軋制用方錠的厚度，250mm≤D≤1000mm。

　　發(fā)明者對新合金的雜質(zhì)Si、Fe等的含量根據(jù)產(chǎn)品的不同作3種限制：

　　首先，在制造半成品及鑄造產(chǎn)品時，作為雜質(zhì)及隨晶粒細化劑混入的元素，合金中Fe≤0.50wt%、Si≤0.50wt%、Ti≤0.10wt%，其他雜質(zhì)元素每個≤0.08wt%、總和≤0.25wt%。

　　第二類，在加工制造結(jié)構(gòu)件半成品時，作為雜質(zhì)及隨晶粒細化劑帶入的元素，合金中應(yīng)Si≤0.10wt%、Fe≤0.12wt%、Ti≤0.06wt%，其他雜質(zhì)元素每種≤0.05wt%、總計≤0.15wt%。

　　第三類為要求有超高強度與韌性的產(chǎn)品，作為雜質(zhì)及隨晶粒細化劑帶入的元素，所述合金中應(yīng)Si≤0.03wt%、Fe≤0.05wt%、Ti≤0.04wt%，其他雜質(zhì)元素每種≤0.03wt%，總計≤0.10wt%。

　　在制造結(jié)構(gòu)件的上述合金中，應(yīng)Cuwt%≤Mgwt%；若制品厚度或其局部厚度&gt;250mm，合金的Cu含量≤1.40wt%。

　　另外，在專利陳述中，對合金產(chǎn)品（板材、擠壓材、鍛件、鑄件）種類與成分的關(guān)系都作了說明。

　　合金的熱處理

　　所發(fā)明的新合金必須進行嚴(yán)格的熱處理方能達到所要求的性能，鑄錠可進行單級或多級均勻化處理，單級均勻退火制度（450℃~480℃）/（1h~48h），2級或3級均勻化退火制度（420℃~490℃）/總時間（1h~48h）。然后對均勻化退火后的錠進行鋸切，對錠坯熱加工（軋制、擠壓、鍛造），加工前進行預(yù)加熱，預(yù)加熱制度（380℃~450℃）/（1h~6h）。若進行自由鍛-軋制組合工藝加工，預(yù)加熱制度也相同。

　　半成品的人工時效：T6峰值時效制度（110℃~125℃）/（8h~36h）；T7雙級時效制度，第一級（110℃~115℃）/（6h~15h），第二級（155℃~160℃）/（6h~24h），三級時效制度，第一級（105℃~125℃）/（1h~24h），第二級（170℃~200℃）/（0.5h~8h），第三級（105℃~125℃）/（1h~36h）。

　　合金的性能

　　工業(yè)化生產(chǎn)的220mm自由鍛件的合金成分（質(zhì)量%）：Zn7.63，Mg1.79，Cu1.38，Zr0.11，主要雜質(zhì)Fe0.06、Si0.05、Ti0.023；錠坯在（420℃±10℃）預(yù)熱6小時后，三次多方自由鍛造成2310mm（長）x1000mm（寬）x220mm（厚）的方形件，在室溫水中淬火后，進行總變形量為1%~3%的冷預(yù)壓縮，以消除殘余應(yīng)力，熱處理后測試各項性能。

　　鍛壓-軋制法生產(chǎn)的152mm厚板的錠坯于420℃±10℃加熱后進行三次多方向自由鍛成2950mm（長）x1000mm（寬）x360m（厚）的鍛坯，在410℃±10℃加熱3小時后軋成6980mm（長）x1000mm（寬）x152mm（厚）板，固溶處理與室溫水噴淋淬火后，進行總變形量為1%~3%預(yù)拉伸以消除殘余應(yīng)力，最后進行T76、T74、T73人工時效。

　　厚30mm的新合金板材的合金成分(質(zhì)量%）：Zn7.52，Mg1.78，Cu1.47，Zr0.19，主要雜質(zhì)含量，F(xiàn)e0.06、Si0.05、T0.02。半連續(xù)扁錠尺寸1100mm（寬）x270mm（厚），經(jīng)（465℃±5℃）/24h+（475℃±3℃）/24h均勻化退火與空氣中緩冷，再經(jīng)鋸切、銑面獲得1500（長）x1100mm（寬）x250mm（厚）的錠坯，在（420℃±10℃）/4h預(yù)熱后軋成12500mm（長）x1000mm（寬）x30mm（厚）板材，經(jīng)固溶處理、室溫水噴淋淬火與施加1%~3%的預(yù)拉伸變形消除殘余應(yīng)力后進行人工時效處理。

　　從成分上來看，中國合金的銅含量略低一點點，平均含量僅比美國7050、7055合金的低0.1個百分點；中國合金的平均鋅含量與美國7050合金的相等，比7055、7095、7099合金的低一些，但比7085合金的（7.5%）高0.2個百分點；中國合金的平均鎂含量為1.7%，與美國7095合金的相等，比美國7085合金的高0.2個百分點，但比美國7050、7055、7099合金的低。

　　在性能方面，中國合金顯示出的綜合力學(xué)性能，最好的強韌性。它的屈服強度（TYS）—伸長率（EL）—斷裂韌性（KIC）匹配得比目前任何一個高強韌合金的都更佳，即在屈服強度大體相當(dāng)時，中國合金具有極為明顯的伸長率與斷裂韌性優(yōu)勢，是一種的航空航天器結(jié)構(gòu)鋁合金，表明中國在向世界先進鋁合金研發(fā)強國前進的征程上又邁出了有重要意義的一步。

　　借寫此文的機會，順便解釋一下高強韌與低淬火敏感性的涵義。因為有人問過，如下解釋為訓(xùn)，筆者的體會是：首先它應(yīng)屬2xxx系或7xxx系合金，是用于制造受力結(jié)構(gòu)或打造強力結(jié)構(gòu)件的；它的雜質(zhì)含量低，至少比2024合金或7075合金低60%以上甚至低90%，否則就沒有進入高強韌與低淬火敏感性合金行列的資格，雜質(zhì)錳的含量也應(yīng)盡可能的低，必須低于0.10%，最好低于0.05%。

資訊來源：中國有色金屬報

圖片來源：網(wǎng)絡(luò)