原标题：Al-Si-Cu-Mg合金研究现状与展望

1 导读

在航空航天的万米高空、汽车工业的减重浪潮中，一种兼具低密度与高强度的材料正扮演着关键角色 —— 这就是 Al-Si-Cu-Mg 合金。它凭借优越的力学性能，成为高端制造领域的 “香饽饽”，但目前关于它的系统性研究总结却相对匮乏。今天，我们就带大家深入解读一篇聚焦 Al-Si-Cu-Mg 合金的研究综述，看看这种合金的成分设计、成形工艺、热处理技术有哪些突破，又将如何推动未来工业发展。

随着航空航天、汽车等领域对 “轻量化、高强度” 的需求日益严苛，铝合金因其密度低、比强度高、可塑性好的优势，成为现代工业中应用最广泛的有色金属材料之一。而 Al-Si-Cu-Mg 合金作为高性能铝合金的代表，在 Al-Si 合金基础上添加了 Cu 和 Mg 等元素，能形成 Mg₂Si、Al₂Cu 和 Al₅Cu₂Mg₈Si₆等强化相，进一步提升强度、韧性与耐腐蚀性，因此被广泛用于飞机结构件、汽车核心部件等关键场景。

比如，ZHENG Y 等研究者通过调整 Cu 含量和 Cu、Mg 质量比，开发出抗拉强度 378MPa、屈服强度 306MPa、塑性 11% 的 Al-6Si-2Cu-0.5Mg 合金；DONG X X 团队研发的 Al-8.8Si-1.7Cu-0.4Mg 压铸铝合金，经特定热处理后抗拉强度更是达到 425MPa，完全能满足汽车电驱部件、航空航天轻量化结构的需求。

不过，尽管当前关于 Al-Si-Cu-Mg 合金的研究已取得大量进展，相关的系统性综述却较为匮乏，导致行业难以全面掌握其技术脉络。为此，来自上海理工大学材料与化学学院的研究团队，从合金化基础、成形工艺、热处理工艺三个核心维度展开综述，为高性能铝合金的研发与应用提供了关键参考。

2 内容来源

本文内容基于上海理工大学材料与化学学院赵赟淏、孙明、裴林清等团队发表在《特种铸造及有色合金》2025年第9期上的综述文章《Al-Si-Cu-Mg合金研究现状与展望》。文章系统总结了该合金在合金化基础、成形工艺及热处理等方面的研究进展，并对未来发展趋势进行了展望，为该领域的研究与工程应用提供了重要参考。

3 研究亮点

本综述首次系统梳理了Al-Si-Cu-Mg合金在成分设计、成形工艺与热处理方面的协同作用机制，尤其关注了Cu/Mg比例对强化相析出行为的影响，以及挤压铸造、真空压铸等先进成形技术对合金性能的提升效果，为开发新一代高性能铝合金提供了理论依据与工艺指导。

4 研究方法

本文采用文献综述与数据分析相结合的方法，系统梳理了近十年Al-Si-Cu-Mg合金在成分设计、成形工艺与热处理方面的研究成果，通过对比不同工艺下合金的力学性能数据，总结其微观组织与性能之间的关联规律，并在此基础上提出未来研究方向。

5 内容解读

1. Al-Si-Cu-Mg 合金的合金化基础

合金化是决定 Al-Si-Cu-Mg 合金性能的核心，研究主要围绕 “改性、晶粒细化、形成新强化相” 三个目标展开。Si 作为基础元素，在合金中常呈板条状或长针状，会降低力学性能，需通过热处理（如 T4 态）或添加 Sr、Na 等变质剂使其球化；Cu 能通过固溶强化和形成 Al₂Cu 相提升强度，其中片层状 Al₂Cu 相的显微硬度（HV280）远高于块状（HV185），但 Cu 含量过高会导致伸长率下降、耐腐蚀性降低；Mg 则通过形成 Mg₂Si 沉淀相强化合金，一般添加量控制在 3% 以内，且 Cu、Mg 质量比会影响 θ、Q、β 等强化相的析出效果。
此外，Fe 是主要杂质，会形成针状 β-Al₅FeSi 相破坏基体，而 Mn 可将其改性为颗粒状 α-Al（Fe，Mn）相，同时细化晶粒；Sr 能细化共晶 Si 相，稀土元素（如 Sm、Ce）可改善微观组织并形成新金属间化合物，Zr 则能提高耐腐蚀性，当 Zr 含量为 0.3% 时，Al-9Si-4.3Cu-0.45Mg 合金的屈服强度可达 419MPa、抗拉强度 490MPa。

图1　铸态和T4态Al-6.23Si-3.77Cu-0.06Mg合金中共晶Si相形貌

图2　Al-9.4Si-2.4Cu-0.28Mg合金中不同形态的Al2Cu相形貌

图3　A356-0.20Fe-xMn合金中β-Al5FeSi与α-Al（Mn，Fe）Si相的形态

2. 成形工艺对 Al-Si-Cu-Mg 合金的影响

成形工艺直接决定合金的缺陷率与力学性能。重力铸造成本低、工艺简单，但冷却速率慢、缺陷多，力学性能较差；压铸能提高生产效率和尺寸精度，近 70% 的铸造铝合金采用此工艺，不过压铸件易含气体，热处理时可能鼓泡，而真空压铸可减少孔隙率，使合金热处理后性能显著提升（如 AlSi10MgMn 合金经真空压铸和热处理后，屈服强度提高 30.5%）。

挤压铸造结合了铸造与塑性加工优势，能制备复杂、高精度零件，提高挤压力可细化晶粒、消除缩松气孔（如挤压力从 70MPa 升至 160MPa 时，Al-6Si-0.3Mg 合金抗拉强度从 198MPa 提至 208MPa），且可直接热处理；变形处理（如轧制、挤压）通过动态再结晶细化晶粒，例如轧制态 Al-6Si-3Cu 合金的抗拉强度较铸造态提高 105%，伸长率提高 76%。此外，半固态挤压铸造等新工艺能进一步消除偏析，提升性能。

图4　重力铸造Al-18Si-4.5Cu-0.5Mg合金的微观组织

图5　压铸Al-8.8Si-1.7Cu-0.4Mg合金的偏光图像和T6态合金中气孔的SEM图

图6　挤压铸造和半固态挤压铸造Al-17.75Si-4.36Cu-0.47Mg合金组织形貌

图7　轧制Al-6Si-3Cu合金的TEM图

3. 热处理对 Al-Si-Cu-Mg 合金的影响

Al-Si-Cu-Mg 合金是典型的热处理强化合金，核心在于 “固溶 + 时效”。固溶处理可改善元素偏析和 Si 相形貌，形成过饱和固溶体，为避免过烧，常采用多级固溶（如先 495℃固溶 8h，再 515℃固溶 4h）；时效处理则通过析出强化相提升强度，传统析出序列为 SSSS→G.P.→β″+QC+QP→β′+θ′→θ′+Q+β，而最新研究提出新序列，认为 θ′_P2 相可直接转变为 θ′相，无需改变界面结构。

不同强化相对性能影响不同，β′相强化能力最强，Q′相次之，θ′相最弱；Cu、Mg 含量及比例会决定强化相类型，例如低 Cu、Mg 比易析出 Mg₂Si 相，高比例则促进 Al₂Cu 相形成，这些强化相与 α-Al 相、共晶 Si 相共同决定合金的微观结构与力学性能。

图8　时效析出序列示意图

图9　不同Cu、Mg质量比的Al-6Si-xCu-yMg系合金的TEM图

图10　典型Al-Si-Cu-Mg合金的力学性能

6 主要结论

Al-Si-Cu-Mg 合金的性能由合金化、成形工艺、热处理共同调控：合理搭配 Si、Cu、Mg 等元素（如 Cu 含量 2%、Mg 含量 1.5% 左右），选择真空压铸、挤压铸造等先进成形工艺，结合多级固溶 + 时效热处理，可实现 “高强度 + 高塑性” 的平衡，部分合金抗拉强度已突破 490MPa。

现有工艺仍存在痛点：重力铸造缺陷多、压铸易产气、挤压铸造存在共晶相偏析等，需通过新工艺（如半固态挤压铸造）、新型晶粒细化剂（如改良 Al-Ti-B 中间合金）进一步优化。

未来发展方向明确：需优化合金成分以建立更丰富的材料数据库，推动 ProCAST 等软件在铸造成形中的数字化应用，结合热力学模拟、材料基因组工程等技术明晰时效析出规律，为高性能 Al-Si-Cu-Mg 合金的研发提供理论支撑。

7 中英文引用格式

赵赟淏，孙明，裴林清，等. Al-Si-Cu-Mg 合金研究现状与展望［J］

本文转载自：《特种铸造及有色合金》