快速凝固鋁合金材料的研究進(jìn)展

目前，國(guó)外的高速硬化工藝和材料研究正在開(kāi)展。20世紀(jì)90年代，它引起了中國(guó)人民的注意，并開(kāi)始在這方面進(jìn)行研究。經(jīng)過(guò)20多年的不斷創(chuàng)新與改進(jìn),已成為一種挖掘新材料、開(kāi)發(fā)材料潛能的重要手段之一?？焖倌碳夹g(shù)是一種非平衡的凝固過(guò)程,以大于103-105K/s的冷卻速率直接將液態(tài)瞬間冷凝成固態(tài),一般生成非晶、準(zhǔn)晶、微晶和納米晶等亞穩(wěn)相,得到一種具有特殊的性能和用途的材料?？焖倌碳夹g(shù)關(guān)鍵是使凝固過(guò)程中熔體的冷卻速度得到有效提高,可以減少單位時(shí)間內(nèi)金屬凝固時(shí)產(chǎn)生的熔化潛熱,并同時(shí)增加凝固過(guò)程中介質(zhì)的傳熱速度?？焖倌碳夹g(shù)的特點(diǎn)是盡可能在熔體液固相前沿形成類似均質(zhì)形核的凝固條件,凝固前獲得大的過(guò)冷度,以獲得更細(xì)小優(yōu)異的凝固組織。實(shí)際操作中,利用快速凝固技術(shù)得到的產(chǎn)品一般尺寸較小,通常需要利用其它技術(shù)手段進(jìn)行輔助加工才可以進(jìn)一步使用。1非晶態(tài)合金的概念一般通過(guò)快速凝固所獲得的材料組織特征如下:二次枝晶壁變得相當(dāng)細(xì)小,成分偏析有了明顯的改觀或者被消除;凝固組織得到較好的細(xì)化,冷卻速率進(jìn)一步提高,晶粒尺寸會(huì)得到更好的細(xì)化,減小越發(fā)明顯,結(jié)果得到微納米晶;當(dāng)冷卻速率更高,合金的常規(guī)結(jié)晶過(guò)程將被完全抑制,液態(tài)時(shí)的混亂無(wú)序狀態(tài)被保留下來(lái),獲得非晶態(tài)固體;得益于快的冷卻速率,大大減少了合金中空位、位錯(cuò)等缺陷;同時(shí),固溶度得到了提高,細(xì)小亞穩(wěn)相的形成,使合金獲得了一定程度的彌散強(qiáng)化作用。非晶態(tài)是指物質(zhì)從液態(tài)或氣態(tài)急速冷卻時(shí)來(lái)不及結(jié)晶而在常溫下保留原子無(wú)序排列的凝聚狀態(tài),在熱力學(xué)上屬于非平衡的亞穩(wěn)態(tài)。非晶態(tài)合金具有金屬性質(zhì),又兼有和玻璃一樣的特征,所以在學(xué)術(shù)界中又稱為“金屬玻璃”。能否形成非晶態(tài)主要決定于合金本身的GFA(非晶形成能力)和合金本身的冷卻速度。當(dāng)某種合金成分既定時(shí),此時(shí)冷卻速度便成為了形成非晶態(tài)的主要條件。冷速必須大于其形成非晶時(shí)的臨界冷度時(shí),才會(huì)有非晶態(tài)形成,臨界冷度因合金成分變化很大。冷卻時(shí)液態(tài)金屬的冷卻速度由銅輥(或鉬輥)的轉(zhuǎn)速來(lái)決定,從而影響冷卻后材料的形態(tài)與結(jié)構(gòu),繼而對(duì)晶化后的磁粉磁性能和微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響。冷卻速度與冷卻輥輪轉(zhuǎn)速成正比,轉(zhuǎn)速越快,冷速越高,晶粒越小,形態(tài)則會(huì)形成微納米晶或者非晶結(jié)構(gòu)。2早期鑄造方法目前世界上最常見(jiàn)的快速凝固的方法主要為粉末冶金、快速凝固熔鑄和霧化沉積這三種方式。單輥旋淬快速凝固技術(shù):快速凝固熔鑄技術(shù)目前應(yīng)用最為普遍的方法是單輥旋淬快速凝固技術(shù),此類技術(shù)的主要工藝原理為:將裝有母合金的玻璃試管或者坩堝采用高頻感應(yīng)迅速升溫加熱至熔化,將合金母料熔化完全,從試管底部以層流的形式噴射出來(lái),在高速旋轉(zhuǎn)的銅輥(或鉬輥)上面急速冷卻成連續(xù)薄帶并被甩出。單輥旋淬快速凝固技術(shù)是一種典型的直接噴鑄行為,一般快速凝固的合金條帶一次成型,所獲條帶的寬度和厚度隨輥輪轉(zhuǎn)速不同而不同?？焖倌谭勰┮苯鸱?RS/PM):RS/PM方法主要是利用由Hartmann管產(chǎn)生高速、高頻的超音速脈沖氣流沖擊金屬液,并把金屬液吹散成均勻細(xì)小的液滴,產(chǎn)生的強(qiáng)大氣體對(duì)流將液滴急速冷卻,繼而凝固成細(xì)小粉末?？焖倌谭勰┮苯鸱ㄗ畛Ｓ玫氖浅羲凫F化法,通過(guò)這種方法獲得的快速凝固的金屬粉末表面更為光滑,尺寸更為細(xì)小,球化效果最佳。而通過(guò)熱擠壓或熱鍛的方法獲取快速凝固的合金時(shí),表面容易產(chǎn)生較多的缺陷,效果不理想?？焖倌虈娚涑练e法(SF):在霧化法的基礎(chǔ)上產(chǎn)生了快速凝固噴射沉積法,可以直接制備大尺寸快速凝固材料及產(chǎn)品的新技術(shù),由冷金屬基底上噴射沉積去多霧化后的液滴,在底部由于急速的熱傳導(dǎo)導(dǎo)致液滴快速凝固,在基底便形成了高度致密的快凝坯。噴射沉積法最突出的特點(diǎn)是把液體金屬的霧化制粉過(guò)程和固結(jié)成型結(jié)合起來(lái),直接從液態(tài)金屬制取整體致密、接近零件實(shí)際形狀的大塊高性能材料。這種方法能比較有效地避免粉末受到污染,同時(shí)能夠避免傳統(tǒng)工藝制備高性能材料時(shí)出現(xiàn)的成分偏析、組織粗大等缺點(diǎn),工序得到了簡(jiǎn)化,降低了生產(chǎn)成本。與常規(guī)鑄造方法相比,它能顯著提高合金的溶解度、細(xì)化晶粒、消除宏觀偏析,從而大幅度提高材料的力學(xué)性能。噴射沉積鋁鎂合金的研究主要是對(duì)5083鋁鎂合金和ZL301鋁鎂合金的研究,而對(duì)于鎂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于12%的鋁鎂合金的研究很少有報(bào)道。3快速研磨鋁材料的開(kāi)發(fā)(1)快速凝固耐熱鋁材料自20世紀(jì)70年代以來(lái),快速凝固技術(shù)取得了較快的發(fā)展,擴(kuò)大了元素在合金中的過(guò)飽和固溶度,并為研制新型彌散強(qiáng)化型耐熱鋁合金起到了向?qū)У淖饔?。近年?lái),隨著航空、國(guó)防工業(yè)的快速發(fā)展,耐熱鋁合金性能急需從各方面得到提高。過(guò)渡族金屬元素在鋁中的過(guò)飽和固溶度由于快速凝固技術(shù)從而獲得了一定程度的增加,可使Al基體形成高度彌散、具有熱穩(wěn)定性的金屬間化合物粒子。在高溫下,這些彌散相是相對(duì)穩(wěn)定的,位錯(cuò)需要克服更大的阻力才能擺脫這些第二相粒子繼續(xù)移動(dòng),材料中位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)被抑制。正是這些高度彌散、熱力學(xué)穩(wěn)定、與基體共格或者半共格的第二相粒子的存在,才使得快凝耐熱鋁合金具有了較好的抗腐蝕、抗疲勞性能,優(yōu)秀的室溫和高溫力學(xué)性能和出色的熱穩(wěn)定性。隨著近年來(lái)國(guó)內(nèi)外這些方面研究的不斷深入,一系列快速凝固耐熱鋁合金相繼問(wèn)世。如:俄羅斯研究開(kāi)發(fā)的AK4-1合金,而國(guó)內(nèi)的研究很多是在AK4-1合金的基礎(chǔ)上,通過(guò)嚴(yán)格控制雜質(zhì)元素Mn、Si等含量,調(diào)整合金元素Cu、Fe、Ni含量,使得合金的綜合性能得到了改善。(2)過(guò)共晶鋁硅合金Al-Si合金具有優(yōu)異的耐磨性、優(yōu)良的鑄造性能、低的熱膨脹系數(shù)以及焊接性能,廣泛地被應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外內(nèi)燃機(jī)活塞合金中。但在常規(guī)鑄造中存在著較大硅相嚴(yán)重割裂基體的連續(xù)性,導(dǎo)致過(guò)共晶鋁硅合金的塑性、強(qiáng)度等力學(xué)性能不佳。硅含量超過(guò)14wt%的過(guò)共晶鋁硅合金,硅相的不利影響在變質(zhì)處理的情況下也無(wú)法消除。廣泛地說(shuō),過(guò)共晶鋁硅合金中硅的尺寸、形態(tài)及分布狀態(tài)是影響其性能的關(guān)鍵因素?？焖倌碳夹g(shù)的存在,為Al-Si合金熔體提供了較大的過(guò)冷度和極高的冷卻速度。在凝固時(shí),合金熔體中在短時(shí)間內(nèi)能產(chǎn)生大量的晶核且極快得生長(zhǎng),從而使硅相來(lái)不及長(zhǎng)大,硅相尺寸細(xì)小并使其分布狀況明顯改觀,性能也得到了大幅提高。同時(shí),合金元素的固溶度因快速凝固技術(shù)而得到顯著地提高,在Al-Si二元合金系的基礎(chǔ)上可以加入其它合金元素(例如Mn、Li等),材料需要的某些性能可以獲得相應(yīng)的提高。(3)al-li合金鋁鋰合金具有低密度、高比強(qiáng)度、比剛度、良好的耐腐蝕性和卓越的超塑成型性能等特點(diǎn)的新型鋁合金材料,國(guó)內(nèi)外一直認(rèn)為是航空航天工業(yè)的理想結(jié)構(gòu)材料非Al-Li合金莫屬。但是Al-Li合金在采用常規(guī)鑄造工藝生產(chǎn)時(shí),其延展性和韌性都比較差。合金固溶熱處理后直接進(jìn)行時(shí)效時(shí),存在明顯的合金強(qiáng)度達(dá)到峰值時(shí)間長(zhǎng)、強(qiáng)度相對(duì)不高的問(wèn)題。通過(guò)快速凝固技術(shù)制備的Al-Li合金,基體晶粒與Al3Li沉淀作用產(chǎn)生細(xì)化,外力作用下位錯(cuò)的滑移距離縮短,應(yīng)力集中減小,因此可有效抑制裂紋形核,合金性能得以改善。4固技術(shù)發(fā)展面臨的問(wèn)題近些年來(lái)快速凝固技術(shù)日臻完善,生產(chǎn)出許