《Journal of Alloys and Compounds》：High Strength and Non Sensitized Al-5Mg Alloys Enabled by Ag-Mn Synergy through Multiscale Control of Precipitation and Electrochemical Homogeneity
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针对Al-Mg合金机械强度与耐蚀性固有矛盾，提出Ag-Mn微合金化多尺度协同设计策略。通过热力学计算、沉淀模拟、EBSD分析、电化学表征及多物理场耦合模型，揭示原子尺度界面结合强化与宏观应力腐蚀耦合机制，开发出强度＞390MPa且耐蚀性等效AA5083的Al-5Mg-0.2Mo-0.6Ag-0.7Mn新型合金体系，实现强度-腐蚀解耦。
徐莉 | 张海涛 | 王丛贺 | 郭成 | 吴志斌 | 长海美 | 李志平
教育部电磁加工材料重点实验室，东北大学，沈阳 110819，中国
摘要
在敏化Al–Mg合金中，机械强度与耐腐蚀性之间存在固有的权衡，这严重限制了它们在海洋和高温环境中的应用。本研究提出了一种基于Ag和Mn微合金化的多尺度合金设计策略，以实现Al–5Mg合金的强度-耐腐蚀性解耦。通过整合热力学计算、沉淀模拟、EBSD分析、电化学表征、DFT、力学测试和多物理场建模，系统地阐明了原子尺度、微观结构和宏观尺度上的控制机制。Mn通过Al?Mn沉淀物引入了显著的弥散强化作用，使抗拉强度超过400 MPa，但同时增加了晶间异质性和敏化敏感性。Ag通过促进不连续的T–Mg??(Al,Ag)?沉淀，破坏连续的β–Al?Mg?晶界网络，增强界面结合强度，并稳定钝化膜的形成，起到了关键的调节作用。优化后的Ag–Mn合金在保持非敏化腐蚀行为的同时，达到了高强度（屈服强度超过390 MPa），并且在敏化后的硝酸质量损失低于12.5 mg/cm2。多物理场模拟进一步证实了应力诱导电流的局部化现象减少，表明应力-腐蚀耦合得到了缓解。这些结果为设计适用于苛刻服役条件的高强度、抗敏化Al–Mg合金提供了预测框架。
引言
非热处理型的5xxx系列Al–Mg合金因其良好的强度-韧性平衡、优异的焊接性能以及固有的抗氯化物腐蚀能力，在海洋、 offshore和低温结构应用中得到广泛使用[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。典型的海洋用合金如AA5083-H321和AA5059-H116通常具有约215–270 MPa的屈服强度和约305–380 MPa的极限抗拉强度，为造船和offshore工程提供了可靠的基准[6]、[7]、[8]。然而，在长期服役过程中，当暴露于中等温度（50–200 °C）时，会引发敏化现象，其特征是β–Al?Mg?沿晶界的连续沉淀[9]。相互连接的β相网络的形成会产生明显的电化学异质性，并削弱晶界凝聚力，从而增加晶间腐蚀（IGC）和应力腐蚀开裂（SCC）的敏感性[6]。这种降解机制从根本上限制了高Mg Al合金在恶劣海洋环境中的结构可靠性。
尽管增加Mg含量可以增强固溶强化效果，但同时也加速了β相的沉淀和敏化过程，导致固有的强度-耐腐蚀性权衡。因此，在保持非敏化腐蚀性能的同时实现超过传统海洋合金（>380 MPa）的抗拉强度仍然是一个重要的科学和工程挑战。
微合金化已成为一种有效策略，可以在不改变基础Mg含量的情况下调节沉淀路径和晶界化学成分[10]、[11]、[12]。传统的添加元素如Mn和Cr会形成热稳定的分散体，细化晶粒并抑制再结晶[1]、[13]。Mn衍生的Al?Mn分散体提供了显著的弥散强化作用，但在敏化条件下也可能引入电化学异质性和刚性的晶间结构[14]。Mo在Al–Mg体系中的使用较少，但它能形成高熔点的金属间化合物（例如Al??Mo），这些化合物能够延缓早期β相的沉淀，并有助于形成保护性的Mo氧化物，从而可能增强钝化膜的稳定性[6]、[9]。Ag作为一种非传统的Al–Mg合金元素，可以促进不连续的T–Mg??(Al,Ag)?相的沉淀，与β相的形成竞争，破坏晶界连续性，并增强界面结合强度[9]、[15]。
基于这些考虑，本研究设计了一种Al–5Mg–0.2Mo–(0.6Ag)–(0.7Mn)合金体系。选择5 wt.%的Mg含量是为了与AA5083和AA5059保持直接可比性，同时保持固溶强化效果。添加0.2 wt.%的Mo可以确保形成足够的热稳定金属间化合物，而不会导致过多的脆性相积累[6]、[9]、[16]。0.6 wt.%的Ag含量是根据先前的研究结果确定的，该浓度下T-Mg??(Al,Ag)?沉淀得到优化，并能有效破坏连续的β相网络[1]、[17]、[18]。添加0.7 wt.%的Mn可以生成高密度的Al?Mn分散体，从而提高抗拉强度，超过AA5083-H321和AA5059-H116的水平，同时保持微观结构的稳定性[6]、[14]。
重要的是，以往的研究往往独立地研究微观结构演变和腐蚀行为[18]、[19]、[20]。然而，在实际服役条件下，机械载荷和电化学过程是内在耦合的。局部塑性变形会增加位错密度和储存的应变能，从而降低阳极溶解的活化能并加剧电流局部化[18]、[21]、[22]。因此，全面理解微合金化如何调节沉淀连续性以及应力辅助的电化学活化过程对于可靠的合金设计至关重要。
在这项工作中，建立了一个多尺度框架，将相变、晶界调控、原子尺度界面稳定性、钝化膜演变和应力-电化学耦合联系起来。热力学模拟和沉淀建模与EBSD表征相结合，用于分析微观结构演变。DFT计算量化了界面结合强度，而SKPFM、Mott–Schottky分析和硝酸质量损失测试评估了电化学均匀性和抗敏化能力。多物理场模拟进一步阐明了在施加载荷下的应力诱导电流局部化现象。
通过与AA5083-H321和AA5059-H116的对比，本研究证明了合理的Mo–Ag–Mn协同合金化可以同时实现提高的抗拉强度和非敏化腐蚀性能，从而克服了非热处理Al–Mg合金传统的强度-耐腐蚀性折中。这些发现为下一代高强度海洋铝合金的设计提供了机制上的洞察和预测策略。
部分摘录
合金设计与热机械加工
本研究使用高纯度元素和母合金制备了三种Al-Mg基合金板材——Al-5Mg-0.2Mo、Al-5Mg-0.2Mo-0.6Ag和Al-5Mg-0.2Mo-0.7Mn。这些材料在1103 K下熔化，浇铸到水冷铜模具中，并经过两步均匀化热处理（350 °C下8 h，然后510 °C下10 h）。空气冷却后，铸锭在400 °C下进行热轧（减少80%的厚度），在350 °C下进行中间退火（2 h），最后在400 °C下进行冷轧（减少40%的厚度），以达到2 mm的厚度
相演变和凝固行为
图1(a–d)中的非平衡凝固模拟显示了Mo、Ag和Mn添加对Al-5Mg基合金的热学和相变行为的影响。对于二元Al-5Mg-0.2Mo合金（图1a），凝固开始温度约为665 °C，其特征是高熔点金属间相Al?Mo与液态共存。随着凝固的进行，Al??Mo和Fcc-Al相开始出现
相形成和沉淀控制的微观结构演变
敏化Al–5Mg基合金的微观结构演变主要受微合金化引起的相形成和沉淀动力学变化的控制。Mn的添加显著提高了初始凝固温度，并促进了高熔点金属间相（主要是Al?Mo和Al??Mo）的早期形成。这些相作为有效的异质成核位点，细化了凝固后的晶粒结构并增强了热稳定性[6]、[7]。
结论
- 1.
Ag促进了T–Mg??(Al,Ag)?沉淀的延迟和不连续性，有效破坏了连续的β–Al?Mg?晶界网络，减轻了敏化动力学。Mn形成的稳定Al?Mn分散体提供了显著的弥散强化作用，但在与β相共存时可能促进刚性的晶间相结构。Ag和Mn之间的协同作用建立了受调控的沉淀结构，抑制了β相的连续性，同时保持了...
CRediT作者贡献声明
李志平：资源提供、形式分析。郭成：可视化处理、形式分析。王丛贺：监督。长海美：研究实施。吴志斌：验证、监督。张海涛：资源提供、资金获取、数据管理、概念构思。徐莉：写作——审稿与编辑、初稿撰写、方法学设计。
利益冲突声明
本手稿尚未在其他地方部分或全部发表，也没有被其他期刊接受审稿。所有研究参与者均提供了知情同意书，研究设计已获得相关伦理委员会的批准。我们已阅读并理解了您的期刊政策，认为本手稿和研究内容均不违反任何规定。不存在需要声明的利益冲突。
致谢
本研究得到了山东省重点研发项目（项目编号2021SFGC1001、2024TSGC0571）和应急管理部重点科技项目（项目编号2024EMST101001）以及优秀学生研究与创新项目（项目编号N25BSS059）和先进材料-国家科技重大专项（项目编号2025ZD0610903）的财政支持。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系
