耐熱鋁合金的研究發(fā)展及應(yīng)用1．前言為了能在150～350℃溫度范圍內(nèi)用低密度、低價(jià)格的鋁合金代替鈦合金,在過去的二十年內(nèi)，快速凝固耐熱鋁合金受到廣泛重視。該領(lǐng)域的研究發(fā)展很快，相繼開發(fā)了以Al-Fe、Al-Cr為基的一系列耐熱鋁合金，并且得到實(shí)際應(yīng)用。2．耐熱鋁合金的發(fā)展傳統(tǒng)的高強(qiáng)鋁合金主要是亞共晶成分的合金，含有在端際固溶體中固溶度原子分?jǐn)?shù)大于2%的合金元素，通過時(shí)效過程中金屬間化合物的析出使合金達(dá)到強(qiáng)化。但在150℃以上的環(huán)境溫度下，這些析出相以很快的速度粗化，材料性能急劇下降，限制了使用范圍。七十年代后期，為了滿足先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)對(duì)材料的需求，美國(guó)空軍把注意力集中于開發(fā)在350要提高鋁合金的耐熱性能，必須在合金中形成大量彌散分布且具有熱穩(wěn)定性的析出相。要達(dá)到這個(gè)要求，加入的合金元素應(yīng)該在液態(tài)時(shí)固溶度高，固態(tài)時(shí)幾乎不固溶并有較低的擴(kuò)散系數(shù)，滿足這個(gè)要求的是大部分過渡族金屬元素和鑭系元素(表1)。采用快速凝固技術(shù)可以提高這些元素在鋁中的極限固溶度，在合金中形成足夠數(shù)量的彌散粒子，耐熱鋁合金就是在鋁合金中加入一定量這些元素的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。表1合金元素在鋁合金中的固溶度和擴(kuò)散速度表1合金元素在鋁合金中的固溶度和擴(kuò)散速度2.1Al-Fe-Ce合金美國(guó)鋁公司(Alcoa)根據(jù)合金元素的作用和資源、價(jià)格等方面的因素，選擇鋁和Cr、Mn、Fe、Ni、Co及Ce六種元素組成的六個(gè)二元系和十五個(gè)三元系進(jìn)行了系統(tǒng)研究，每種合金中溶質(zhì)元素加入總量為5%原子分?jǐn)?shù)。研究發(fā)現(xiàn)，幾乎所有的合金都表現(xiàn)出較好的熱穩(wěn)定性，而且三元系的性能優(yōu)于二元系。經(jīng)過數(shù)次對(duì)合金成分和合金元素含量的優(yōu)化后發(fā)現(xiàn)，Al-Fe-Co和Al-FeCe合金的性能超過了預(yù)定要求達(dá)到的指標(biāo)。經(jīng)過大量的前期研究工作，認(rèn)為耐熱鋁合金以含F(xiàn)e的合金系性能較好，所以最終選擇了Al-Fe-X(Co、Ni、Ce)合金系進(jìn)行進(jìn)一步深入研究，最后合金成分確定為Al-8Fe-4Ce，并發(fā)展成為實(shí)用化的耐熱鋁合金。2.2Al-Fe-V-Si合金由于Fe和V在鋁中的溶解度低，擴(kuò)散系數(shù)小，所以美國(guó)聯(lián)合信號(hào)公司(AlliedSignal)選擇Al-Fe-V合金進(jìn)行研究。在研究過程中，發(fā)現(xiàn)其中某個(gè)爐次合金的耐熱性明顯好于其它爐次，進(jìn)一步的分析發(fā)現(xiàn)，該合金中的硅含量比其它合金明顯高。對(duì)合金的熔煉過程分析，在使用含SiO2的坩堝進(jìn)行熔煉時(shí)，SiO2被還原成Si進(jìn)入了鋁液。Si進(jìn)入鋁合金后，形成了Al13(Fe,V)3Si，而Al-Fe-V三元系的其它合金中卻沒有這種析出物。對(duì)該析出物的研究發(fā)現(xiàn)，它和基體之間有特定的位向關(guān)系，并且在適當(dāng)?shù)腇e/V比例時(shí)，析出相和基體之間有很好的晶格匹配，兩相之間的界面能較低，高溫下的粗化速度較Al-Fe-V系的其它析出物緩慢，使合金的耐熱性得到提高。在此基礎(chǔ)上發(fā)展了Al-Fe-V-Si系列的耐熱鋁合金,成功地應(yīng)用于航空、航天及汽車零件。2.3Al-Cr-Zr合金早期由Elagin和Federov對(duì)低濃度Al-Cr-Zr合金進(jìn)行的研究雖然不多，但表明了該合金作為耐熱鋁合金的發(fā)展?jié)摿Γ珹lcan和Sheffiled大學(xué)在較寬的合金成分范圍內(nèi)對(duì)Cr和Zr加入后的熱穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)含Cr的合金在直到450℃總之，近十幾年來(lái)，對(duì)耐熱鋁合金進(jìn)行了大量的研究，相繼開發(fā)了一系列快速凝固耐熱鋁合金。除上述合金外,主要的還有Pratt&Whitney開發(fā)的Al-Fe-Mo-V相，但熱穩(wěn)定性極佳，在溫度高于500℃對(duì)采用平面流鑄法生產(chǎn)的Al-13.4Fe-0.85V-2.23Si合金條帶組織進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)Al13(Fe,V)4Si相沿晶成簇分布。由于彌散相沿晶分布，改變了合金再結(jié)晶溫度并抑制了晶粒的生長(zhǎng)，使合金具有較高的熱穩(wěn)定性。其中合金元素釩能降低彌散相顆粒與基體間的界面能，減小顆粒粗化驅(qū)動(dòng)力。合金在510℃Al-Fe-V-Si快凝鋁合金具有許多優(yōu)異的性能。例如：100℃和300℃下的拉伸強(qiáng)度分別高達(dá)470MPa和320MPa，屈服強(qiáng)度也在370MPa和300MPa以上。采用快凝/粉末冶金(RS/PM)法生產(chǎn)的該合金，斷裂時(shí)呈一定的各向異性，這與原顆粒表面包覆的氧化物擠壓過程中被拉伸有關(guān)；但該合金的沖擊值較高，軸向K1c值，可高達(dá)21MPa.m1/2，徑向值略低些。K1c值隨著溫度的升高而降低，316℃3.4其他Al-Fe基耐熱鋁合金的組織及性能Al-Fe-V-Mo是具有包晶反應(yīng)的快凝耐熱鋁合金，該合金中出現(xiàn)的金屬間化合物相有：AlFe(Mo,V),，Al6Fe和Al3Fe。Al-8Fe-2Mo-1V是其典型合金，該合金中彌散相體積分?jǐn)?shù)約占17%左右，金屬間化合物尺寸在0.1～1μm之間。此合金的常溫強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度較高，見表1。表1部分快速凝固耐熱鋁合金的性能表1部分快速凝固耐熱鋁合金的性能Al-Fe基耐熱鋁合金中加入鋯形成Al3M型沉淀相，這類沉淀相與α-Al基體間的界面能較小，因而，鋯元素加入不僅可以減小沉淀相的析出速率，還可以降低粗化速度，增加了合金的熱穩(wěn)定性。Al-Fe-V-Zr合金中的相有胞狀S′相，Al3Fe，Al3Zr及Al6Fe相，其中Al3Zr相體積分?jǐn)?shù)較高，且多在熱擠壓過程中形成。該合金性能特點(diǎn)是，附帶的耐蝕性特別好，其原因是化學(xué)成分和顯微結(jié)構(gòu)細(xì)化兩者的綜合作用結(jié)果。Al-Fe-Mo-Zr合金中的鉬存在形式比較復(fù)雜，尚難準(zhǔn)確確定，但衍射證明鉬均勻分布于粉末中。此類合金中由于鉬固溶改變了晶格常數(shù)，且在后續(xù)的熱處理過程中形成大量的Al3Zr相，使合金強(qiáng)度提高。屈服強(qiáng)度高達(dá)650MPa，極限抗拉強(qiáng)度高達(dá)730MPa；300Al-Fe-Cr-Zr霧化合金存在Al13Cr2，Al3Zr，Al3(Fe、Cr)及Al31Fe4金屬間化合物相，合金粉末越細(xì)，即冷卻速度越高，Al13Cr2越細(xì)小，平衡相Al13Fe43越少。其中Al3Cr2，Al3Zr和Al3(Fe、Cr)相具有良好的熱穩(wěn)定性和抗粗化能力，而Al3Zr相與基體存在共格關(guān)系，沉淀強(qiáng)化效果較好，導(dǎo)致該合金具有高的常溫和高溫強(qiáng)度及韌性。采用多級(jí)霧化熱擠壓工藝制備的Al-6.8Fe-3.75Cr-1.52Zr合金常溫拉伸強(qiáng)度達(dá)465MPa，伸長(zhǎng)率5.0%，而400℃快凝Al-Fe-Ni系耐熱合金，由于存在以Al(FeNi)2為基的三元τ相，可有效地增加合金的模量，同時(shí)，τ又是剪切時(shí)的穩(wěn)定相，再加上τ相與α-Al基體具有良好的取向關(guān)系，使合金強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性顯著增加。Al-Fe-Ni合金中加入少量Mo、Cr后，合金中出現(xiàn)AlxMo(x表示制造條件不同，化合物的原子組成比不同)等相，合金在480℃時(shí)極限抗拉強(qiáng)度仍高達(dá)490MPa，沖擊值K1cAl-Li-Mn-Zr霧化及噴射沉積合金中存在第二相：Al6Mn，Al4Mn，Al3Zr，Al3Li和AlLi，其中錳和鋯彌散相抑制了再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大，加速含鋰相的時(shí)效。這類合金常溫強(qiáng)度和韌性均較低，但在高溫時(shí)卻保持較高的性能。例如：250℃4．快凝耐熱鋁合金的應(yīng)用及存在的問題開發(fā)快凝耐熱鋁合金的最終目的是取代飛機(jī)零件中的鈦合金。近些年來(lái)的研究成果表明，這方面的工作已取得了很大進(jìn)展，快凝耐熱鋁合金的某些性能已相當(dāng)或超過了部分鈦合金的。例如：Al-Fe-Zr-V的比強(qiáng)度與Ti-6Al-4V相當(dāng)，而Al-Fe-Ce在150℃和230℃時(shí)屈服強(qiáng)度分別為449MPa和391MPa，已超過Ti-6Al-4V合金的，再加上這些新型合金密度低，價(jià)格便宜，一般不含有貴重的戰(zhàn)略元素，已經(jīng)有可能在230～350快凝耐熱鋁合金目前存在的問題主要有以下幾方面。性能方面：1、快凝耐熱鋁合金的疲勞強(qiáng)度、蠕變強(qiáng)度還不夠高，這與粉末冶金過程中原始顆粒界面和氧化物有關(guān)；2、快凝耐熱鋁合金的斷裂韌性也不甚理想，尤其是存在明顯的中溫脆性，引起脆性的原因還待進(jìn)一步研究。成本方面：采用粉末冶金工藝的快凝耐熱鋁合金，雖然性能比熔鑄合金優(yōu)越，但制造成本偏高卻成了該合金面臨的挑戰(zhàn)。快凝耐熱鋁合金今后的研究方向?qū)⒅饕性谝韵聨追?/p>