新型高强铝合金组织与性能研究

孙铭

摘要：随着我国对高尖端产业及其技术的研发不断深入，对于铝合金的各方面性能也提出了更高要求。本文以新型高强铝合金（Al-Zn-Mg-Cu-Si-Li铝合金）为研究对象，对其组织结构和各方面性能进行分析与研究，希望能够对相关单位和个人有所帮助，旨在促进我国铝合金研究事业的发质量发展。

关键词：铝合金；强度；机械性能

一、新型高强铝合金概述

（一）合金的概念

合金作为现代社会发展过程中的能对人类生活带来巨大改变的一种金属材料，有效推动了人类在各行业中的发展与进步。作为现代金属材料的主体，合金是一种以一两种金属元素为主体，在其中加入少量的其他金属元素共同烧结和熔炼出的金属性物质。常见的合金包括：（1）以钛元素为主体的钛合金；（2）以铁元素为主体的钢铁；（3）以铜元素为主体的铜合金；（4）以铝元素为主的铝合金。

（二）高强铝合金的概念

铝合金顾名思义，就是以铝元素为主体的合金。在铝合金中，其他的主要材料包括：Mg、Mn、Zn、Si和Cu，以及少量的Li、Ni、Ti和Fe。由于铝合金的密度较低、材质较轻、塑性较好且具备较高的强度和机械性能等特点，使其被广泛应用于建筑装饰、交通运输、机械电子和航天航空等多个领域中。随着现代科技的迅速发展，各行业都发生了巨大变革，对于铝合金的各项性能也提出了更高的要求，因此相关研究人员通过多年实验与研究，终于提出了一种在铝合金基础上性能更为优良的新型高强铝合金。

Al-Zn-Mg-Cu-Si-Li铝合金是一种新型高强铝合金，具有优异的强度、高韧性、延展性和耐应力腐蚀性。它的化学成分中，尤其是Zn、Mg和Cu元素的含量对性能影响很大。这种合金可以通过热处理强化和冷变形强化来提高其强度和硬度。失效后强度可以达到420MPa，比强度接近高强度钢。

除了优异的力学性能，Al-Zn-Mg-Cu-Si-Li铝合金还具有良好的加工性能和焊接性能。它的熔点较低，铸造性能好，可以采用各种铸造方法生产各种形状的零件。同时，这种合金可以通过热处理工艺进行强化，包括固溶处理、时效处理和淬火等，以满足不同工况下的性能要求。在航空航天领域，Al-Zn-Mg-Cu-Si-Li铝合金被广泛应用于制造飞机结构件、发动机零件和航天器构件等。由于其高强度、高韧性和耐应力腐蚀性能，它可以提高飞行器的结构强度和可靠性，降低重量和成本。此外，该合金还可以用于汽车、船舶和其他工业领域，以提高产品的性能和竞争力。

二、新型高强铝合金的组织性能分析

本次研究是在Al-Mg-Zn-Cu合金基础之上，采用控制变量法的方式分别加入Li和Si，并规定Cu、Mg和Zn的原子比为5%，然后对合金的整体组织结构及各项性能进行分析。由于在Li在Al中每增加1%，都会是合金的弹性模量增加5.8%，合金密度降低3.2%，因此需要做好Li的控制剂量。表1为以上几种元素之间的混合焓。如果混合焓如果<0，说明二者之间更容易合成金属间化合物，其绝对值与两种元素的结合能力成正比；如果混合焓>0，其绝对值与两种元素的结合能力成反比。

表1 几种元素之间的混合焓

元素	Al	Zn	Mg	Cu	Si	Li
	Al	1	-2	-1	-1	-4
		Zn	-4	1	-1	-7
			Mg	-3	-2	0
				Cu	-1	-5
					Si	-30
						Li

（一）Al-Zn-Mg-Cu-Si-Li铝合金组织结构分析

不同含量的Si、Li加入Al-Mg-Zn-Cu合金的X射线衍射分析图如图1所示。Si-Li系新型高强铝合金能谱分析如表2所示。根据图1和表2可以看出，由于Cu的元素含量为5at.%，且Cu在Al中的溶解度很低，只有约0.2%，二者只能形成有限固溶体，因此Al和Cu能够很容易地结合CuAl2这种化合物。Zn能够完全溶于Al中的主要原因是铝合金中的Zn具有极高的溶解度，其极限固溶度约为32.7%。当AlLi相这种晶格常数为0.635nm的面心立体结构出现在L5合金中时，空间群变为Fd-3m。Mg与晶体中的Si反应生产Mg2Si，在降低合金中工晶Si的含量的同时消耗了合金中的Si原子，主要原因是由于Mg与Cu原子结构存在一定差异，Mg原子比Cu原子更难固溶与ɑ-Al基体中导致出现晶格畸变能以及S5和S5L5合作中出现了Si元素含量为5at.%的Mg2Si。

图1 不同含量的Si、Li加入Al-Mg-Zn-Cu合金的X射线衍射分析图

表2 Si-Li系新型高强铝合金能谱分析

合金	区域	Al	Zn	Mg	Cu	Li	Si
L5	名义成分	80	5	5	5	5
	1	94.02	3.14	1.50	1.14	-
	2	55.93	5.15	3.24	35.48	-
	3	76.25	7.85	6.44	9.27	-
S5	名义成分	80	5	5	5		5
	1	93.83	3.28	0.88	1.11		0.65
	2	63.98	1.83	0.23	32.46		1.25
	3	24.82	56.89	11.26	6.61		0.17
	4	21.51	3.27	35.57	9.97		29.44
	5	6.45	0.48	50.71	2.16		39.95
	6	14.89	1.63	0.09	1.02		82.12
S15	名义成分	70	5	5	5		15
	1	82.86	12.80	0.30	2.73		14.95
	2	63.32	2.19	0.22	32.18		1.84
	3	17.63	0.79	39.93	10.54		30.87
	4	1.29	1.92	0.08	0.32		96.14
S5L5	名义成分	75	5	5	5	5	5
	1	93.07	3.71	1.37	1.20	-	0.40
	2	64.45	1.83	0.77	32.33	-	0.39
	3	29.61	32.87	26.07	9.53	-	1.66
	4	49.13	0.55	0.54	0.13	-	49.40
	5	5.28	0.45	58.96	0.11	-	34.94
S15L5	名义成分	65	5	5	5	5	5
	1	91.52	5.46	0.33	1.62	-	0.81
	2	64.01	1.77	0.40	32.51	-	1.06
	3	18.71	0.89	37.82	10.32	-	32.01
	4	50.34	0.95	1.02	0.49	-	46.95
	5	5.49	0.69	0.32	0.21	-	93.05

（二）Al-Zn-Mg-Cu-Si-Li铝合金性能分析

1.硬度

6061和7075铝合金与Al-Zn-Mg-Cu-Si-Li铝合金的硬度图如图2所示。图2中可以看出，6061和7075铝盒的整体硬度与Al-Zn-Mg-Cu-Si-Li铝合金相比，差距较为明显。在对含有Si元素的铝合金S15L5、S5L5、S15和S5进行对比时发现，铝合金中Si元素的含量与铝合金的硬度成正比关系。在对S15L5、S5L5、S15和S5进行对比时发现，合金中Li元素的含量也与合金的硬度成正比关系。因此，在对Al-Zn-Mg-Cu-Si-Li铝合金的硬度分析时可以得出以下结论：（1）合金中没有Li元素时，Si元素含量越高，合金硬度越高；（2）随着Li元素的加入，铝合金的硬度具有明显提升。

图2  6061和7075铝合金与Al-Zn-Mg-Cu-Si-Li铝合金的硬度图

2.耐磨性能

7075铝合金与Al-Zn-Mg-Cu-Si-Li铝合金磨损量示意图如图3所示。从图3中可以发现，图中的6种合金的磨损失重与其磨痕宽度成正比关系。7075的磨痕宽度和磨损失重最为明显，说明其耐磨性最差。S15由于其中含有一定的Si颗粒，能够有效承载磨损程度，因此S15合金的磨痕宽度和磨损失重均小于S5。而含有Li的合金从整体而言，无论是磨损失重还是磨痕宽度都较小，从这一点也说明Li元素对于铝合金的耐磨性提升较大。

图3  7075铝合金与Al-Zn-Mg-Cu-Si-Li铝合金磨损量示意图

3.压缩性能

Al-Zn-Mg-Cu-Si-Li铝合金的压缩应力-应变曲线示意图如图4所示。Al-Zn-Mg-Cu-Si-Li铝合金压缩曲线的各项性能指标如表3所示。由图4和表3可以看出，以上五种合金均具有较好的抗压强度，都保持在600Mpa以上，其中以L5合金的弹性模量和抗压强度最为突出。随着合金中Si含量的增加，合金的强度越不明显，主要是合金中所含有的初生Si在外加载荷作用时会在局部区域产生集中应力，导致材料容易发生断裂。因此，可以说含Si元素的合金其压缩性能不稳定。

图4 Al-Zn-Mg-Cu-Si-Li铝合金的压缩应力-应变曲线示意图

表3 Al-Zn-Mg-Cu-Si-Li铝合金压缩曲线的各项性能指标

合金	E/GPa	σ0.2/MPa	σb/MPa	ℇ（%）
L5	17.8	480	683	11.0
S5	18.3	455	670	9.7
S15	9.9	435	671	7.7
S5L5	18.9	668	668	4.9
S15L5	14.3	592	605	4.8

结语：综上所述，本文提出了一种Al-Zn-Mg-Cu-Si-Li系铝合金的新型超强合金，并针对其组织结构和性能进行分析。通过分析发现，在组织结构方面，S5合金中含有除CuAl2之外的Mg2Si。S5L5合金中，随着AlLiSi的加入，Mg2Si开始减少。S15逐渐开始出现初生Si。S15L5中Si颗粒随着Li的加入而转变成均匀分布基体中的AlLiSi相。在性能方面，随着Si和Li的加入，其各方面性能都与普通的铝合金相比更加优良。

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