近年来，新能源汽车、低空经济等新兴市场的快速发展，截止目前，我国新能源汽车的产销量已突破1600万辆、市场占比超50%，同时，开放合肥、杭州、深圳等多个城市作为低空经济试点城市。在这些领域中6xxx系铝合金是应用最为广泛的合金体系之一，因此随着发展，对其强度要求也日益提高。目前，已知能够通过添加Cu元素开发高强的Al-Mg-Si-Cu合金，其屈服强度可达400 MPa以上，但Cu的加入会显著增加合金的晶间腐蚀敏感性，这一矛盾成为制约高强铝合金发展的关键难题，传统的热处理工艺优化虽能改善腐蚀性能，但往往在热处理之后，材料的力学性能会出现不同程度的降低。

近日，材料领域的国际期刊《npj Materials Degradation》在线发表了一篇题为"Trace Sn effects on mechanical properties and intergranular corrosion resistance in high-strength Al-Mg-Si-Cu alloy"的研究成果。该论文的团队通过引入微量Sn元素（0.025 wt.%），在维持合金高强度（屈服强度395 MPa，抗拉强度445 MPa）的同时，将晶间腐蚀最大深度从164μm显著降低至112μm，实现了高强度与优异耐腐蚀性能的协同提升，为高铜含量6xxx系铝合金的微合金化设计提供了新的理论依据和实践指导。通讯作者为苏州大学的吴子彬和王东涛副研究员以及Hiromi Nagaumi教授。

 

 

文章链接：

https://doi.org/10.1038/s41529-025-00725-0

【核心内容】

该研究系统探讨了微量Sn（0-0.1 wt.%）对Al-0.9Mg-1.0Si-0.6Cu-0.7Mn-0.2Cr合金组织与性能的影响规律。研究发现，Sn含量存在一个最佳窗口（0.025-0.05 wt.%），在此范围内Sn通过细化沉淀析出相、窄化晶界无沉淀带（PFZ）以及增加低角度晶界比例，同步提升合金的力学性能和耐晶间腐蚀能力。然而，当Sn含量超过0.05 wt.%时，会形成阴极性Mg₂(Si,Sn)相，反而加剧腐蚀。

不同Sn含量合金的二次电子显微图像

【研究方法】

研究以高纯金属Al、Mg、Cu、Sn和中间合金Al-20Si、Al-10Mn、Al-10Cr、Al-5Ti-B为原料，在740 ℃的电阻炉中熔化并在720℃时进行浇注，团队共制备了含有四种Sn含量的合金，分别为0.025、0.5、0.1wt.%，并和用于对照的不含Sn合金一同标记为S0、S25、S50和S100合金。随后对合金铸锭进行了两阶段的均化处理，首先在300 ℃保温8 h，然后以180 ℃/h的速度加热到550 ℃，并在该温度下再保持10 h后水冷以防止镁和硅等元素的显著扩散。经均质处理后的铸锭在530 ℃下进行锻造。最后，样品在560 ℃下固溶1 h，然后在180 ℃下进行不同时间的人工时效。

研究合金的制备工艺路线

【研究成果】

① 时效硬化行为调控

添加Sn之后，合金的时效硬化行为与初始合金对比出现了明显的区别，含Sn合金呈现独特的"双峰"特征，第一个峰值出现在3小时，第二个更高峰值出现在5小时左右，而无Sn合金的单一峰值出现在6小时左右，而之所以含Sn合金能够提前1小时达到峰值硬度，是因为Sn与空位的强相互作用，促进了强化相的析出动力学。

四种合金的硬度

不同Sn含量合金中分散体的背散射电子图像

四种合金的EBSD分析结果

② 力学性能优化

合金的力学性能与Sn的含量并非呈现简单的单调关系，其中S25合金（0.025% Sn）表现出最优的综合性能：屈服强度395MPa，抗拉强度445MPa，延伸率13.5%。TEM分析表明，适量的Sn增加了析出相密度并细化其尺寸，但过量的Sn则会因形成Mg₂(Si,Sn)相消耗强化元素导致性能下降。

CG-NDP合金的力学性能与变形机制

不同Sn含量合金的TEM明场图像

Cu和Sn掺杂β"相的形成焓计算

③ 晶间腐蚀机制转变

腐蚀测试结果显示，S0合金腐蚀深度达164μm，呈现严重晶粒脱落；S25合金改善至112μm；S50合金为131μm；S100合金恶化至176μm，并出现层状腐蚀剥落。SEM截面分析显示，腐蚀主要沿含金属间化合物的晶界扩展，其中S0和S100合金的腐蚀通道宽度明显大于另外两种合金。SKPFM测试定量揭示了第二相与基体的电位差：Mg₂(Si,Sn)相与基体间的电位差高达248 mV，远高于α-Al(MnFeCr)Si相的190 mV，正因如此，含Sn量高的S100合金由于Mg₂(Si,Sn)的产生，其耐蚀性明显下降。

晶间腐蚀后合金的光学显微镜图像

晶间腐蚀后合金的SEM图像

S0和S100合金的SEM和SKPFM分析

④ PFZ宽度与电化学行为

S0合金PFZ最宽为140nm，S25和S50合金窄化至64-67nm，随着Sn含量的增加，S100合金重新扩大至90nm，PFZ的这种宽度变化变化直接影响腐蚀通道宽度，也解释了观察到的腐蚀形貌差异。电化学测试进一步验证了Sn的优化作用，Tafel曲线显示，含Sn合金出现明显点蚀电位，而S0合金无此特征，腐蚀电流密度I_corr先降后升：S25合金最低（0.290 μA/cm²），S100合金最高（24.161 μA/cm²），EIS拟合采用R(Q(R(QR)))等效电路模型，S25合金的表面膜电阻R1（1.993×10³ Ω·cm²）和电荷转移电阻R2（4.199×10⁴ Ω·cm²）均最高，表明其表面钝化膜最致密稳定。

晶界处沉淀自由区（PFZ）的TEM暗场图像

不同Sn含量合金的电化学测试结果

分散体峰时效后的透射组织

【总结与展望】

该工作通过系统的实验研究和理论计算，阐明了微量Sn在高铜含量Al-Mg-Si-Cu合金中的双重作用机制，实现了强度与耐蚀性的协同提升，该研究为高强铝合金的微合金化设计提供了重要理论指导，在交通运输、航空航天等领域具有广阔应用前景。