关于铝及铝合金

铝及其合金是最为常见的有色金属品类之一，其应用几乎遍及经济和现代工业和生活的各个领域。据最新统计，全球（初级）铝产量在过去十年中几乎翻了一番——这是工业材料领域前所未有的发展，这一切可归功于铝及铝合金低比重、耐腐蚀、出色的导电性和高导热性、无毒以及适用于广泛的制造方式如铸造、成型、挤压、锻造等突出优势。

纯铝（纯度超过99%的铝，通常被称为1xxx系列）是一种轻质金属，具有明亮的银白色外观，晶体结构为面心立方结构，熔点为660°C。纯铝以其出色的延展性、热/电导性以及由于表面有一层薄薄的氧化层而具有的天然抗腐蚀性而著称。然而，纯铝相对较软且强度较低，因此在实际应用中通常会与其他元素结合形成铝合金。常见的合金元素包括铜、镁、硅、锌和锰，每种元素都能形成具有不同特性的合金。例如：

• 2xxx（铝-铜）：高强度，用于航空航天领域

• 6xxx（铝-镁-硅）：中等强度，可塑性极强

• 7xxx（铝-锌-镁）：高强度，用于航空航天和运输领域

铝合金按加工方法可以分为变形铝合金和铸造铝合金。变形铝合金又可分为不可热处理强化型铝合金和可热处理强化型铝合金两种。按铝基体中主加元素种类的不同，铸造铝合金可分为Al-Si系，Al-Cu系，Al-Mg系金和Al-Zn系等，其中Al-Si合金应用最广泛。

铝及铝合金在典型行业的金相制备应用举例

铝及其合金的金相制备需求贯穿研发、工艺优化、质量控制及失效分析各个阶段，在许多关键行业发挥着重要的作用。

01航空航天领域

02汽车交通

铝合金广泛应用于发动机、气缸盖、变速箱壳体、车轮和结构框架中，以减轻重量。这些部件的微观结构非常重要：对压铸铝发动机缸体的金属组织横截面进行观察，可发现可能造成部件失效的孔隙或缩松缺陷；可检查Al-Si合金中的硅颗粒是否细小且分布均匀（通常通过在铸造过程中添加锶等变质剂来实现）。对于电动汽车和轨道交通（如高速列车）而言，由于采用铝合金实现轻量化结构，金相分析可确保挤压材和铸件具有均匀一致的质量。

Al-Si合金的抛光表面, 200X

03增材制造

由于快速凝固作用，3D打印的铝制部件（通常使用AlSi10Mg等合金粉末）可呈现出非常细小的蜂窝状晶粒和明显的熔池边界等独特微观结构。金相学在这一新兴领域中发挥着关键作用，通过分析打印铝件的层间结合、孔隙率及微观组织特征来评估其性能。

增材制造AlSi10Mg合金的水平方向组织

（Kroll 腐蚀，100x）

铝及铝合金的金相制备难点及应对要点

考虑到铝及铝合金的柔软性和延展性，金相制备时需要更精细的研磨步骤和轻柔的抛光步骤以避免引入诸如划痕、涂抹或变形等制样假象。此外，铝会立即形成氧化层，这会使腐蚀过程变得复杂。

01切割取样要点

由于硬度低，纯铝及其合金的切割是一项挑战。为了确保切割精确且无损伤，使用冷却能力充分的金相切割机至关重要。建议采用较低的切割速度以减少机械损伤和热损伤。硬粘结的碳化硅专用切割轮能提供最佳效果。这是因为相对于氧化铝磨料颗粒，碳化硅的硬度更低。

QATM QPREP碳化硅切割轮NF-A对有色金属和韧性金属的切削性能进行了优化，尤其适用于切割软质（例如铜、铝）和中等硬度有色金属和合金，具有切割变形小、使用寿命长、损耗低的特点。

02镶嵌注意事项

铝样品可以通过热镶嵌、冷镶嵌或紫外线光固化技术进行镶嵌。对于那些对温度或压力敏感的涂漆、薄型或涂层类样品，建议采用冷镶嵌或光固化方法，以避免可能造成的损坏。实践中如果边缘保持并非关键要求，光固化则是最为快捷的镶嵌方法，最短1分钟即可完成镶嵌。

03研磨与抛光

纯铝及铝合金较软，磨抛的过程中容易产生磨粒的嵌入、材料的挤压变形流和难以去除的磨痕。为了应对这些困难，可将砂纸适量涂蜡、少用金刚石作为磨削材料，减小磨抛时的压力和转速。某些情况下可考虑将金刚石悬浮液改成金刚石抛光膏，这样将有效减少嵌入。此外，铝合金会随成分的不同含有不同的强化相颗粒，制备时应在保留颗粒的同时尽力减小浮凸。

在各种研磨耗材中，碳化硅（SiC）砂纸是制备铝类样品的最佳选择。由于铝样品本身质地较软，在样品制备过程中极易变形。使用诸如金刚石磨盘之类的强效耗材可能会引入制备缺陷，并破坏样品的微观结构完整性。只要切割操作得当，初始研磨可使用P320或P600 粒度的 SiC 砂纸进行。随后进行下一步研磨，使用P1200粒度的SiC砂纸；研磨约1~2分钟后，样品即可进入抛光阶段。

铝样品的抛光建议使用软质抛光布以减少表面变形。QATM SIGMA软质羊毛布适用于初始抛光步骤。如需1µm抛光阶段，建议使用ZETA（短绒、柔软的合成纤维布）。对于最终抛光，推荐使OMEGA抛光布（耐化学腐蚀的柔软合成布）搭配胶体二氧化硅精抛液进行，这样产生的浮凸会比短绒或中长绒毛的抛光布产生浅得多。需要注意的是氧化铝抛光液不适用于铝材料的精细抛光，这与其纯机械去除机制和无法有效溶解铝样品表面的即时氧化层有关。完整的研磨和抛光步骤示例总结在下表中。

铝/铝合金样品制备方案示例

当普通机械磨抛步骤难以去除所有划痕或需要进行EBSD试样制备时，也可以考虑电解抛光或在正常磨抛程序外加上振动抛光步骤。

QATM Qpol Vibro振动抛光机

铝类样品的腐蚀

腐蚀是铝及其合金金相制备过程中的关键步骤。它能使诸如晶界、晶粒度以及在抛光状态下难以区分的杂质在显微镜下显现出来。可通过两种方法进行腐蚀：首先可将样品常规浸入腐蚀剂中，视分析对象的不同可选择0.5%氢氟酸水溶液，氢氧化钠水溶液，Keller及Weck试剂等；另一种技术是电解腐蚀。在此过程中，铝样品充当阳极，晶界和其他微观结构特征处会发生选择性溶解。这种方法提供了可控且均匀的腐蚀，最大程度地减少了机械损伤，并增强了诸如晶界和夹杂物等细微细节的可见度。Barker试剂是常见的铝样品电解腐蚀试剂。此外，阳极覆膜也非常适合铝及其合金的金相检验。

QATM Qetch 1000自动电解抛光腐蚀机，可以一机多用，轻松、安全、高效地实现铝样品电解抛光、电解腐蚀及阳极覆膜操作。

QATM Qetch 1000电解抛光腐蚀机

纯铝样品的电解抛光及电解腐蚀参数

下面就请跟小编一起，欣赏这些独属于纯铝及铝样品的美丽色彩吧！

经Barker试剂电解腐蚀后的纯铝显微组织

经Barker试剂电解腐蚀后的纯铝纵向显微结构

电解抛光蚀后的铸造铝合金的枝晶显微组织

经Barker试剂电解腐蚀后的EN AW-2017A铸件显微组织