（材料学专业论文）提高alfevsi耐热铝合金性能及喷射沉积一次成型大规格锭坯制备的研究.pdf

中南大学硕士学位论文 摘要 摘要 a i f e v s i 系耐热铝合金是一种高比强、高比刚、热稳定性好的轻质结构材料， 在航空航天领域具有广泛的用途。 本论文应用普通熔炼铸造方法、快凝制粉一粉末冶金方法分别制备了 f v s 0 8 1 2 和f v s 0 8 1 2 2 2 t i b 2 合金锭坯，以及通过粉末冶金方法制备了在 f v s 0 8 1 2 母合金粉末中分别添加5 、1 0 、2 0 高铁含量的同系列耐热铝合 金f v s l 2 1 2 粉末的合金锭坯，通过挤压加工，应用o m 、s e m 、x r a y 、力学 性能检测等实验手段考察t i b 2 颗粒和f v s l 2 1 2 粉末不同添加量对基体合金组 织、性能、相组成的影响，并着重考察了它们对基体合金在室温、3 5 09 c 分别保 温4 2 0 s 和1 0 0 0 s 的力学性能的影响。 从喷射沉积制备大规格锭坯以及提高锭坯质量角度出发，在现有喷射沉积设 备基础上，分别就对喷射沉积过程起重要影响几个因素：沉积基体材质，导流管 材质，喷嘴雾化状况等做了改进性研究，成功地制备出成型良好的中3 0 0 1 0 0 m m 的小锭坯和中5 0 0 5 0 0 m m 大规格耐热铝合金锭坯，实现大规格合金锭 坯的一次成型，经检测分析，合金锭坯具有良好的综合性能。 关键词：f v s 0 8 1 2 、t i b 2 、f v s l 2 1 2 、喷射沉积、次成型 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t a i f e v s ih e a tr e s i s t a n ta i u m j n u mi sak i n do fl i g h t w e i g h ts t r u c t u r e m a t e r i a l sw i t h h i g hs p e c i f i cs t r e n g t h ，h i g hs p e c i f i c s t i f f n e s sa n de x c e l l e n t s t a b i l i t ya th i g ht e m p e r a t u r ei tc a n b ea p p l i e di nt h ef i e l do fa v i a t i o na n ds p a c e f l i g h ti n d u s t r yw i d e l y t h ef v s 0 8 1 2a n df v s 0 8 1 2 - 22 t i b z b i l l e tw e r ef a b r i c a t e db yt r a d i t i o n a l c a s t i n gm e t h o da n dr a p i d l ys o l i d i f i e d p o w d e rm e t a l l u r g yt h ei n f l u e n c et ot h e m a s t e r a l l o y o ft h et i b 2 p a r t i c l e s w e r ea n a l y z e df r o mt h ea s p e c to f m i c r o s t r u c t u r e ，p r o p e r t i e s ，p h a s e st r a n s a c t i o nt h r o u g he x t r u s i o n 、o m 、s e m 、 x r a y 、m e c h a n i c a lm e a s u r i n g t h ef v s 0 8 1 2w i t h5 、1 0 、2 0 ( w t ) f v s l 2 1 2p o w d e rr e i n f o r c e d b i l l e tw e r ef a b r i c a t e db ys o l i d i f i e d p o w d e rm e t a l l u r g yt h ef v s l 2 1 2h a sh i g h q u a n t i t yi nt h ef ec o m p o s i t i o n ，a n d i s b e l o n gt ot h es a m eh e a t r e s i s t a n t a l u m i n u ma l l o ys y s t e mw i t hf v s 0 8 12 ，t h ei n f l u e n c eo ft h eq u a n t i t yo f f v s l 2 1 2t ot h em i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e sw e r ea n a l y z e dt h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e sa tr o o mt e m p e r a t u r ea n da t3 5 0 。ca f t e rh o l d4 2 0 s 10 0 0 sw e r e e m p h a s i z e d w i t ht h ec o n t r a s to ft h ei n f l u e n c eo ft i b zp a r t i c l e a tt h er e g a r d i n go ff a b r i c a t i n gh u g eb i l l e ta n di m p r o v i n gt h eq u a l i t yo ft h e b i l l e t ，t h eb a s ep l a t em a t e r i a l ，t h em e l t i n gt u b em a t e r i a l ，a n dt h ea t o m i z e rw e r e r e s e a r c h e dr e s p e c t i v e l y t h e 中3 0 0 10 0 m mb i l l e ta n d 5 0 0 5 0 0 m mh u g e b i l l e tw e r ef a b r i c a t e db ys d o cs u c c e s s f u l l y i ti sf o u n dt h a tt h eh u g eb i l l e th a d e x c e l l e n tp r o p e r t i e s k e yw o r d s ：f v s 0 8 1 2 、t i b 2 、f v s l 2 1 2 、s p r a yd e p o s i t i o n 、s d o c i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 成果。尽我所知，除论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证 明而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献已在论文的致谢语 中作了明确的说明。 作者签名 岳渗 日期：型年! 月生目 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位 论文，允许学位论文被查阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采 用复印、缩印或其他手段保存学位论文：学校可根据国家或湖南省有关部门规定 送交学位论文。 作者签名导师签名：垒里塑日期：里年三月上二日 中南大学硕士学位论文第l 章文献综述 第1 章文献综述 1 1 引言 铝作为现代工业应用广泛的一种有色金属材料，自1 8 2 5 年由丹麦科学工作 者厄尔斯泰德( hc o e r s t e d ) 发现以来【1 】就备受人民的广泛关注，大量的科 学工作者对铝及其合金的应用进行大量研究，18 0 余年以来取得的令人注目的成 绩，现阶段铝及其合金已经广泛地应用与工农业各个部门，航空、航天、国防、 军工、民用等领域。 纯铝作为结构材料使用由于其力学性能不高而受到限制，实际生产中铝都通 过与其他元素进行合金化来提高其综合性能。纯铝的室温熔点是6 6 0 3 7o c ，铝 及其合金的制件服役条件通常都限制在室温。在航空航天领域使用极其广泛的 a i l i 合金、铝基复合材料等具有很好的室温综合性能，但由于在1 5 0 。c 以上高 温第二相发生有害的转变或者粒子粗化，强度、刚度显著下降而使材料失效。因 此，寻求一种能在高温范围使用的耐热铝合金用以代替在高温使用的钛合金或钢 材从而大幅度减轻材料重量，并且保持较高的强度和刚度成为广大材料工作者十 分关注的问题。 1 2 耐热铝合金的开发和发展 自1 9 6 0 年，美国加利福尼亚理工学院p 0 1 d u w e z 教授用液态喷雾淬火法 成功地使共晶成分的液态a u s i 合金急冷凝固成为非晶态合金以来，快速冷凝技 术引起了人们的高度重视。其中高温热强铝合金是快速凝固铝合金合金中最具有 吸引力的合金，同常规钛合金比较，它具有较低的密度和相对低的成本，从理论 上讲，通过有效的合金化和适当的生产工艺，铝合金的有效工作温度可以达到 9 0 0 f ，即4 8 2 ，这也正是它最具竞争力的地方l n j l 。 因此，在上世纪7 0 年代中期，美国海军出于军事目的，率先开展快速凝 固耐热铝合金的研究，当时是利用平流铸造( p l a nf l o w c a s t ) 方法研制出来的， 目的是希望把铝合金的稳定服役温度提高到3 5 0 ，从而取代在2 5 0 3 5 0 甚 至更高温度范围常规使用的钛合金或钢材，以使飞行器达到减轻重量，降低成本。 目前所研究的合金系列主要集中在a l f e 系和a i c r 系中，常见合金化元素有在 铝中有极小扩散系数和平衡固溶度的f e 、t i 、v 、c r 、m o 、z r 、c o 、n i 、s i 等， 中南大学硕士学位论文 第1 章文献综述 已经比较成熟的耐热铝合金有美国a l c o a 公司的a l f e c e 4 1 、a l l i e d s i g n a l 公司 的a i f e v - s i 【5 】，a l c a n 公司的a i c r - z 一6 ，英国p r a t t & w h i t n e y 公司的 a | f e m o - v z r 。其中最引人注目的是a i - f e v - s i 系列的a i 。85 f e 一1 3 7 - 1 7 s i ( f v s 0 8 1 2 ) 、a f 一1 2 4 f e 一1 5 2 3 s i ( f v s l 2 1 2 ) 、a i 一5 5 f e 。08 v 1 2 s i ( f v s 0 6 1 1 ) 等具体合金，合金中存在大体积分数热稳定性好而且粗化率极低的 硅化物a 1 1 2 ( f e ，、，) 3 s i 类球形耐热相质点，所以该合金具有良好的低温、高温强 度和塑性，并且耐热耐蚀性能优异】。 国内在快速凝固耐热铝合金的研究方面起步较晚，但发展速度很快。从“八 五”开始，在国家科技攻关、“8 6 3 ”、自然科学基金、“9 7 3 ”等项目的资助下， r s p m 耐热铝合金的研制工作在国内些科研院所广泛展开起来，并取得了很 大成果。如中南大学、北京有色金属研究总院、航空6 2 1 所、沈阳金属研究所、 北京科技大学、航天五院，哈尔滨工业大学，上海钢铁研究所等单位开展了大量 的研究工作，其中中南大学对a | - f e v - s i 系耐热铝合金的研究主要集中在制各工 艺上，不但能够制备大尺寸结构件，而且制各合金性能甚至可与美国平流铸造法 的相媲美。 1 3a i f e v s i 耐热铝合金的组织和性能 1 3 1 a i f e v s i 耐热铝合金的组织特征 1 9 8 6 年，美国联合信号公司( a l l i e d s i g n a li n c ) 的d j s k i n n e r 等人采用 平流铸造法( p f c ) ，通过向a i f e s i 三元合金中添加少量的合金元素钒制 备出了性能优异的a i f e ，- s i 耐热铝合金材料。在该合金中，元素钒( v ) 的加 入，取代了a 1 1 2 f e 3 s i 相中部分铁( f e ) ，从而形成了在高温下热力学稳定的 a 1 1 2 ( f e ，、) s s i 弥散强化相。djs k i n n e r 认为以球状析出的立方结构硅化物和 铝基体存在如下的取向关系【1 0 】： 1 1 2 n ”1 ) 镕* ， h ” 镕# ，说 明该相和基体之间的晶格错配度小时，界面能量较低，弥散相粗化速度缓慢。由 于弥散相对材料力学性能的影响取决于其结构与形态，对称性好的立方结构和正 方结构析出物易以球状存在，对合金性能损害小，而且立方结构滑移系多，有一 定的变形能力，所以立方结构的析出物对改善合金的塑性性能有好处。对 a i f e v - s i 合金的研究表明，在同样体积分数的粒子含量条件下随合金中f e ，v 的增加，合金屈服强度有所下降，如图1 1 。 中南大学硕士学位论文第1 章文献综述 幽1 1 ：f e n 值对晶格常数及合金强度的影响 另一方面，弥散相粗化速度也较慢。在a f e v - s i 合金中，立方结构的 a 1 1 2 ( f e ，v ) 3 s i 弥散相的粗化率比a i f e 金属间化合物小3 4 个数量级，见表 1 1 1 qo 这是由于这些硅化物常数( 1 2 6 0 n m 1 2 6 2 n m ) 接近于铝单胞点阵常 数( 04 0 4 6 9 n m ) 的三倍。这些复杂结构的某些部分与基体共格。a 1 1 2 ( f e ，v ) 3 s i 相是从胞状枝晶，微共晶或二十面体组织中分解出来的，十分稳定且不易分解， 在高达5 0 0 时仍保持其类球形状和亚稳b b c 结构，但当温度高于5 0 0 时， a 1 1 2 ( f e ，v ) 3 s i 相也会转变成稳定相e a 1 1 3 f e 4 。a | 1 3 f e 4 是针状的单斜结构，该 相的出现使合金塑性有很大的下降。但与其它a i - f e 系合金相比，由于a 1 1 2 ( f e ， 、，) 3 s i 具有较好的形态和小的晶格匹配度，粗化速度仍然比a i _ f e c e 和 a i f e m o - v 中的弥散相低很多，大概有2 3 个数量级。 w a n g t 1 2 等对采用平面流铸法生产的a l - 1 3 4 f e 一08 5 v - 2 2 3 s if v s l 2 1 2 合 金条带组织进行了分析，发现a | 1 2 ( f e 。v ) 3 s i 相沿晶成簇分布。由于弥散相沿晶 分布，改变了合金再结晶温度并抑制了晶粒的生长，使合金具有较高的热稳定性。 其中合金元素钒能降低弥散相颗粒与基体间的界面能，减小颗粒粗化驱动力。合 金在5 1 0 受热时，弥散相也没有明显粗化。 合金的熔体热历史对相组成也是有影响的，关绍康【13 等人的研究发现在熔体 温度为1 2 5 0 1 3 5 0 ，保温时间为1 0 分钟的热历史条件下，可得到过饱和固溶 体a - a i ，基体上弥散均匀地分布着2 0 4 0 n m 的a | 1 2 ( f e ，、，) 3 s i ；当熔体温度小 于1 1 5 0 。c ，基体有三种典型显微组织：有初生相a 1 2 0 f e 5 s i 相析出、微胞晶向粗 胞晶转变的突变组织、二十次轴对称( i 相) 和共晶组织。 中南大学硕士学位论文 第】章文献综述 表1 1 ：4 2 5 。c 时aj f e 合金中第二相的粗化率 众多的研究表明，对于快速凝固a i f e v s i 耐热铝合金而言，通过控制适当的 制备工艺，如若能够获得“在亚微米量级的铝基体上均匀地分布着高体积分数的 纳米量级金属间硅化物颗粒”的理想微细组织，合金的韧性塑性最佳，强度通常 也随着硅化物体积分数的提高而提高。 1 3 2a i f e v s i 耐热铝合金的主要性能 a i f e v s i 合金的性能随制备方法以及合金成分的不同而有很大的差异。其中 f v s 0 8 1 2 合金是所有a | - f e v - s i 合金牌号中综合性能最优异的一种，可以满足 既需要质量轻，又需要较高高温强度的航空部件的要求，丽f v s l 2 1 2 合金则可 以用于制备对中高强度和刚度要求很高的航空部件，f v s 0 6 1 1 良好的热稳定性 以及室温成型性能。f v s 0 8 1 2 合金的热物性能参数如表1 2 所示： 表1 - 2 ： f v s 0 8 1 2 的热物性能 图1 2 为快速凝固a i f e v s i 耐热铝合金的主要力学性能优势特点 3 , 1 4 , 1 5 , 1 6 】， 其室温性能大致与常规高强铝合金相当，但高温强度却明显高于常规铝合金，而 且也表现为极好的高温稳定性，明显优于其他常用航空用铝合金；( a ) 为 f v s 0 8 1 2 合金，f v s l 2 1 2 合金与其它铝合金在不同温度下的强度变化比较，可 见f v s 0 8 1 2 合金力学性能明显优于a | 一f e m o v 合金，15 0 以下强度略低于 2 0 1 4 一t 6 ，但高于1 5 0 时强度却高出2 0 1 4 一- r e 合金。f v s l 2 1 2 合金低、高温强 中南大学硕士学位论文第1 章文献综述 度几乎与t i - 6 a i 一4 v 合金接近，从( b ) 可以看出f v s 0 8 1 2 f v s l 2 1 2 合金随热 暴露温度的升高强度保持得较好。( c ) 中，快速凝固耐热铝合金弹性模量也高于 常规铝合金，f v s 0 8 1 2 和f v s l 2 1 2 合金的室温弹性模量e 分别达8 8 4 和 9 55 g p a ，而f v s l 2 1 2 的比刚度在3 8 0 。c 以下，甚至高于某些钛合金和弥散强 化钢，在高于1 5 0 。c ，优于颗粒增强铝基复合材料。( d ) 中，f v s l 2 1 2 合金6 4 0 k 的蠕变强度与2 2 1 9 合金5 0 0 k 的相当，工作温度提高了约1 4 0 k ，而f v s 0 8 1 2 在6 7 0 k 的蠕变性能( 外推) 与f v s l 2 1 2 相当。( e ) 中，f v s 0 8 1 2 的断裂韧度 可高2 0 2 5 m p a 4 m ，与屈服强度为5 0 0 m p a 时2 0 2 4 、2 1 2 4 和7 0 7 5 的断裂韧 度大致相当，而且其疲劳性能与2 0 1 4 - t 6 的疲劳性能大致相当，高周疲劳强度 优于2 0 1 4 一t 6 。 图1 2 ：快速凝固a i f e v s i 耐热铝合金的主要力学性能优势特点 ( a ) 高温强度：( b ) 高温热稳定性：( c ) 比刚度： ( d ) 蠕变性能：( e ) 断裂韧性；( f ) 高周疲劳强度 矿u导qll磊ps；n* -，8 i - ；j * f 足玉掣一舔霉b1聋邕k 中南大学硕士学位论文第1 章文献综述 快速凝固耐热铝合金通常还表现出良好的抗腐蚀性能，如图1 3 所示， f v s 0 6 1 1 、f v s 0 8 1 2 和f v s l 2 1 2 都表现出更佳的抗蚀能力，而且高温热暴露 几乎对耐蚀性无明显影响。f v s 0 8 1 2 的抗蚀能力与海军舰船用铝合金6 0 6 1 t 6 相当，而明显优于2 0 0 0 系和7 0 0 0 系铝合金，它们的应力腐蚀扩展门槛值均高 于其屈服强度的7 5 。 言 苎 出 一 苗 3 兰 磐 娄 r a s t mb 一1 1 7 、 图1 3 ：快速凝固a i f e v s i 合金抗蚀性与其它铝合金比较 1 4a i f e v s i 耐热铝合金的制备 a i f e - v - s i 耐热铝合金中f e 、v 、s i 元素的含量都比较高，尤其是f e 元 素的含量远超常规铝合金，而f e 在铝中的固溶度却很低。快速凝固技术可以突 破传统铸锭冶金方法的局限性，细化合金组织，减小偏析，扩大合金元素在基体 中的固溶极限。所以a i - f e - v - s i 可采用快速凝固粉末冶金法( 用雾化技术或平 流铸造技术制取粉末，而后固结成型) 、喷射沉积法等快速凝固方法制备。现在 分别介绍如下。 1 4 1 快凝制粉粉末冶金法 快凝制粉一粉末冶金法的制备工艺比较复杂，一般要经快凝制粉一筛分、包 套一真空除气一热压固结一热挤压一模锻等多道工艺成型。 粉末材料雾化制粉技术的关键，首先是使液态金属克服界面张力而分散成微 小的颗粒( 即雾化技术) ，其次是通过控制环境条件，在保证材料尽可能不发生 氧化污染的条件下获得尽可能大的冷却速率，因此，粉末的尺寸和凝固速率是 标志粉末材料快速凝固技术水平的主要指标。 中南大学硕士学位论文 第1 章文献综述 图1 - 4 ：雾化装置示意罔 雾化制粉是将经过配料计算的各种炉料加入坩祸中熔化，将熔化后的合金熔 液倒入漏包中，合金液流从漏包嘴中流出时，高压高速介质经过雾化器喷向合金 液流。高压介质高速冲击作用下，合金液流被破碎成许多小液滴。这些小液滴冷 却凝固后，便形成了合金粉末。 已经实现工程化的雾化快速凝固技术有亚音速气体雾化法、超音速气体雾化 法、水雾化法、旋转电极法、旋转盘法、快速旋转杯法等。概括起来可分为流体 雾化和离心雾化两类。雾化过程中液滴的冷却和凝固是雾化法凝固技术需要研究 并进行控制的两个关键技术环节。雾化法所能获得的粉末尺寸是和一定的雾化技 术相关的需要结合具体的工艺讨论。合金液流的破碎，不仅取决于气流的速度、 喷嘴结构，也与阻碍破碎的内力即液流的表面张力和粘度有关。在液流能被破碎 的范围内，表面张力越小，粘度越低，所得到的粉末颗粒越细，且颗粒形状偏离 球形的可能性越大即球化率低。用雾化法生产a l f e v - s i 合金时，将产生大量 大于0 1 u m 的金属间化合物和一些六方结构的a i s f e 2 s i 相，使合金产生脆性。 但当雾化粉末颗粒约小于5 p m 时，基体为完全的过饱和固溶体。 中南大学硕士学位论文第1 章文献综述 1 4 2 平流铸造粉末冶金法 平流铸造粉末冶金法是应用最广的方法，即常说的平流铸造法，它是由美 国的a l l i e ds i g n a l 公司最早提出。平流铸造法实际上是在熔体旋转法的基础上 发展起来的，但优于熔体旋转法，主要表现在：第一，由于石英管喷嘴更靠近辊 面，因而提高了冷速的均匀性；第二，熔池稳定，受的扰动小，因而薄带尺寸变 化小，形状规则 1 7 】。 平流铸造的工艺流程是：将熔融的合金喷到高速旋转的辊轮表面，而后在离 心力的作用下以薄带的形式抛射出来，再将收集到的薄带粉碎、除气、固结成型。 美国a l l i e ds i g n a l 公司的平流铸造连续生产线流程，见图1 5 【”】。平流铸造具有 实用和技术上的优势，而且冷却速度很高( 过程中熔体的冷速，1 0 5 k s o ) 。用该 法制备的f v s 0 8 1 2 和f v s l 2 1 2 合金薄带显微结构非常细小，晶粒尺寸约 0 5 p m 。析出相a 1 1 2 ( f e ，、，) 3 s i 为球形且均匀分布，其尺寸为2 0 5 0 n m 。基体中 几乎没有其它杂质相的析出，因此合金性能非常的稳定和优异。但平流铸造的工 艺很复杂，当生产不同合金成分时，工艺参数的调整非常困难，而且该方法制得 的合金含氧量高。 辊轮急冷系统粉碎装置除气装置固结装置 到1 5 ：美国a l l i e ds i g n a l 公司的平流铸造生产线示意图 1 4 3 喷射沉积法 喷射沉积的原理是熔融金属流被高能高压气体雾化形成细小液滴，高速飞行 的液滴在完全凝固之前沉积在激冷的基板上快速凝固。喷射沉积过程大致可以分 为五个阶段：金属释放阶段、气体雾化阶段、喷射阶段、沉积阶段及沉积体凝固 阶段。喷射沉积是一个复杂的物理过程，其影响因素很多，主要包括两个方面： 一个是预先决定的参量，如：导流管直径、雾化气体种类、雾化器结构、基底几 何形状等；另一个是在线参量，如：金属熔体过热度、金属流率、雾化气体压力、 中南大学硕士学位论文第1 章 文献综述 喷射的运动方式、喷射距离、基底运动方式等。喷射沉积实质上是一种介于铸锭 冶金和粉末冶金之间的近净成型工艺，它在保留粉末冶金快速凝固显微组织的同 时，把粉末冶金的制粉、过筛、除气、固结等工艺简化为一道工序，因此喷射沉 积的冷却速度高、产品性能稳定、氧化污染少、偏析程度小、组织细小均匀且高 度致密。它的设备和工艺简单，能减少许多工序，金属的利用串高，并能节省大 量能源消耗，且容易生产出各种复合材料。采用此种技术制备f v s 0 8 1 2 时，沉 积坯中晶粒尺寸约为0 5 1 l j m ，析出相尺寸约为5 0 1 5 0 n m 。沉积材料致密度 可接近1 0 0 ，硬度、拉伸强度等性能比铸态有明显的改善。 1 5 金属基复合材料 金属基复合材料( m m c ) 是多功能复合材料的一种。它是一类以金属或合金 为基体，以金属或非金属线、丝、纤维、晶须或颗粒状组分为增强相的非均质混 合物，其共同点是具有连续的金属基体。近代金属基复合材料的研究始于1 9 2 4 年s c h m i t 关于铝一氧化铝粉末烧结的研究工作。在3 0 年代，又出现了沉淀强化 理论，并在以后的几十年中得到了很快的发展。到6 0 年代，金属基复合材料己经 发展成为复合材料的一个新的分支。到8 0 年代初，日本丰田公司首次将陶瓷纤 维增强铝基复合材料用于制造柴油发动机活塞，从此金属基复合材料的研制与开 发工作得到了异乎寻常的发展。目前，尽管在制造成本和工艺上存在很大的问题， 但金属基复合材料已经引起有关部门的高度重视，特别是航空航天部门推进系统 使用的材料，其性能已经达到了极限。因此，研制工作温度更高、比刚度和比强 度大幅度增加的金属基复合材料已经成为发展高性能结构材料的一个重要方向。 经过几十年的研究，金属基复合材料已经发展成为一个庞大的家族体系，性能干 差万别，成分各不相同，金属基体有铝、镁、铜、钛、超耐热合金、难熔合金和 金属间化合物等多种金属材料，增强相有线、丝、颗粒、晶须和短纤维等多种形 态。 1 5 1 颗粒增强金属基复合材料 颗粒增强复合材料与弥散强化复合材料的区别在于强化颗粒的大小及体积 分数，颗粒增强复合材料强化颗粒粒径在几微米以上，体积分数一般大于1 5 ， 而弥散强化颗粒粒径在0 1 o 0 1um ，体积分数低于1 5 。颗粒增强金属基复 中南大学硕士学位论文第l 章文献综述 合材料载荷主要由基体承担，但颗粒也承受载荷并约束基体的变形。颗粒阻碍基 体中的位错运动的能力越大，增强效果越好。 界面是复合材料传递载荷必不可少的中介，但对于颗粒增强复合材料，由于 颗粒与基体相界面两侧处材料的成分组织及性能均不同，相界处的应力往往十分 复杂，在热膨胀和塑性变形中将成为位错的发源地以及材料断裂失效的裂纹源 2 6 1 。此外为使材料具有较好的强韧性，应使相界面具有适当的结合强度，保证 材料的物理性能、力学性能和加工性能。普遍认为促进润湿，控制化学反应，减 少氧化是提高界面性能的必要手段。当界面作用强度超过液相的表面张力时，在 金属和液相间就产生了润湿，润湿程度可以通过接触角来度量。熔融金属具有高 的表面张力，因此熔融金属一增强颗粒系统中难以产生润湿。然而通过减小接触 角可以在这些系统中产生润湿，如：增加固相表面能、降低固一液界面能以及液 相金属的表面张力。具体方法有：增强颗粒的金属涂层、金属基体合金化以及增 强颗粒的热处理。界面自身表现出来的物理性能和化学性能，以及界面对材料性 能的影响，是与材料中的界面过程分不开的。一般来说有以下几类重要的界面过 程：界面的吸附和偏聚，平衡的吸附和偏聚可以改变材料表面和界面的成分和 结构。界面的扩散传质。成核和生长。界面化学反应，化学反应是一个十 分复杂的作用过程，表面和界面的存在使得这一过程更为复杂，适当的界面反应 可使界面结合强度得到提高。 从物理化学观点来看，界面的结合可分用分子及原子间作用，溶解度指数以 及界面自由能等物理化学量来表示。如a 、b 两种材料结合成a b 界面，当以界 面自由能来表示时，此界面的结合强度可以定义为w a b = y a + yb y a b 式中ya 、 yb 、y a b 分别是材料a 、b 及界面a b 的界面自由能 2 8 1 。该式的物理意义十分 清楚，但实际上并不直观实用。从力学角度看，相界面结合强度应为使两相从晁 面结合态脱开所需的作用在界面上的应力。这样可将界面的结合强度分为剪切强 度和正断强度。 影响颗粒增强复合材料相界面结合强度的因素包括：表面的几何形状和分布 状况以及界面结构活性，另外界面结合力也会对其产生影响，界面化学反应以及 界面两侧的润湿性通常也会起到关键作用。 颗粒增强金属基复合材料中的增强颗粒可以采用直接插入法以及原位生成 1 0 中南大学硕士学位论文 第1 章文献综述 发来引入，传统的外加增强相的金属基复合材料相比其性能更加优良。金属基复 合材料的原位生成复合法即反应复合法，是指一定条件下，借助合金设计，在基 体金属内原位反应过程中，生成一种或几种热力学稳定增强相的一种方法 2 9 】。 这种增强像一般为具有高硬度、高弹性模量和高温强度的陶瓷颗粒，即氧化物、 碳化物、氮化物、硼化雾、甚至硅化物颗粒( a 1 2 0 3 、y 2 0 3 、s i c 、t i b 2 、s i 3 n 4 等) 它们往往与传统金属( 如铝、镁、钛、铁、铜等) ，或n i t i 、a i t i 等金属金 属间化和物复合，可望得到具有优良性能的结构材料和功能材料。与传统的外加 增强想的金属既复合材料相比，反应复合法具有如下特点： ( 1 ) 强相由反应生成，细小且弥散均匀分布； ( 2 ) 一般来说，增强相表面无污染，与基体结合良好； ( 3 ) 增强相热力学稳定，可大幅提高复合材料的高温性能； ( 4 ) 具有工艺简便、成本低的特点，并可制造形状复杂、尺寸大的构件。 1 5 2a l f e v s i 耐热铝合金复合材料 为进一步提高a i f e v s i 系耐热铝合金的高温性能以及抗蠕变性能，人们开 展了以a l f e v s i 为基体，在合金中添加颗粒或纤维等增强相的研究，材料的弹 性模量，高低温性能，抗应力腐蚀能力以及抗蠕变性能都得到了明显的提高。 a l l i e d s i g n a l 【_ ”】公司用p f c 方法生产的4 0 目以下8 0 0 9 快凝粉末为基体合 金，加入粒度为3um 的s i c 颗粒为增强相，采用粉末冶金工艺制备的一系列颗 粒增强耐热铝合金基复合材料( 简称h t d r a ) ，其的室温和高温强度及比弹性 模量都超过了基体合金。如图1 6 【2 0 】所示，用1 1 ( v 0 1 ) s i c 颗粒增强的h d r a ， 其室温和高温( 3 6 7 门0 0 h 处理) 抗拉强度分别比基体合金提高了9 0 m p a 和 4 0 m p a ，在5 0 0 以下其比模量甚至超过了t i 一6 a i 一4 v 和1 7 4 p h 不锈钢。 马宗义【z ”等采用粉末冶金工艺在较高温度下制备了s i c ，s i 3 n 4 和a 1 1 8 8 4 0 3 3 晶须增强a i _ 8 5 f e - 1 3 v - 1 7 s i 耐热铝合金复合材料，由于采用不含m g 的基体 避免了a 1 1 8 8 4 0 3 3 晶须界面上出现反应和s i 3 n 4 和s i c 晶须界面上出现的界面生 成物，所以所有晶须界面都是清洁的，加入晶须可以明显提高材料的强度和模量， 三种晶须的增强效果依次是s i c ，s i 3 n 4 和a | 1 8 8 4 0 3 3 ，这类复合材料的强度随温 度的升高呈线形下降，其使用温度可比s i c ，2 0 2 4 a l 复合材料提高5 0 1 0 0 。但 中南大学硕士学位论文 第1 章文献综述 是由于材料的加工温度较高( 6 0 0 。c 真空热压，4 6 0 。c 热挤压) ，在制得的的3 种复合材料中虽然晶须和基体间界面清洁，但这么高的加工温度使得基体合金中 的a 1 1 2 ( f e ，) 3 s i 强化相颗粒粗化，降低材料的性能。因此在较低加工温度制备 a i f e v s i 基复合材料将是今后新的研究课题。 幽1 6 ：耐热铝基复合材料l l , m t j 度随温度变化曲线及与 t i 一6 a i 一4 v 和1 7 4 p h 不锈钢的对比 于澍1 2 2 , 2 3 等应用新型化学涂层工艺( 置换法) ，制备出结合紧密、光滑的n i 涂s i c 粉末，通过分析对比了两种不同涂层工艺原理及涂层效果，及不同s i c 增强a l f e v s i 复合材料物理和力学性能。结果表明涂覆后的s i c 与基体结合牢 固，涂覆层( n i ) 的加入降低了材料内部颗粒s i c 。与基体a i f e v s i 之间的孔隙， 1 0 s i c ( 质量分数) ，a i f e v s i 复合材料在室温的断裂强度分别比基体和 1 0 s j c 。( 质量分数) a i f e v s i 复合材料增加了6 2 1 5 和2 8 2 ，在4 0 0 时 分别增加了5 5 ，3 和2 8 6 。 xct o n g ，孙玉峰，胡敦芫【2 4 2 6 i 石开究了t i c 对快速凝固a i f e v s i 合金显微 组织和性能的影响，发现原位反应生成的t i c 颗粒抑制了针状相的形成，并增加 了弥散强化相的总体积分数，改善了合金的显微组织，生成的t i c 颗粒均匀地分 布在合金基体中。其中喷射沉积a i f e v s i 3 t i c 挤压态的室温和高温强度明显 高于喷射沉积a i f e s i 合金的强度，在2 9 8 k 的抗拉强度和屈服强度分别提高了 2 5 m p a 和2 0 m p a ，在5 8 8 k 时贝l j 分别提高了4 4 m p a 和7 5 m p a ，而且塑性也有 明显的提高。 从以上的研究结果可以看出。选择与a i f e v s i 基体之间具有良好溶湿性的 增强体，并且能在尽可能低的温度实现材料的制备和加工，解决增强体在基体合 一。女羞霉v墓舔8 中南大学硕士学位论文 第1 章文献综述 金的均匀分布问题，是进一步提高a i f e v s i 耐热铝合金复合材料综合性能的途 径。到目前为止，对于以t i b 2 颗粒或者以a i f e v s i 其他系列的粉末作为增强体 的复合材料的研究尚无报道，因此本论文的工作将主要就这方面开展些工作。 1 5 3 同类型颗粒增强a f f e v s i 耐热铝合金 前面主要综述了在f v s 0 8 1 2 耐热铝合金在添加异种增强相s i c 、t i c 等对 合金组织性能的影响。论文将开展的另一项工作是分析在f v s 0 8 1 2 耐热铝合金 基体中添加相同系列合金粉末，如适当的工艺添加f v s 0 8 1 2 、f v s l 2 1 2 粉末等， 对材料的组织性能所发生的变化，为提高其综合性能提供可靠的依据，已经有人 就这方面研究开展了部分工作，因此本节主要概括这些研究的一些进展和结果。 谭敦强f 27 】研究了在8 0 0 9 合金基体中通过熔铸工艺搅拌添加不同百分含量的 8 0 0 9 合金粉末，发现随着所添加8 0 0 9 合金粉末量的增加，得到锭坯微观组织 中a 1 1 3 f e 4 相的平均长度和最大长度减少，认为8 0 0 9 合金粉末的加入有利于提 高材料制备的冷却速度，因而其显微组织得到改善。 陈振华，严红革【2 8 】等人研究了采用固液混合铸造工艺制备的在8 0 0 9 耐热铝 合金，发现合金锭坯显微组织明显细化，室温和高温力学性能明显优于铸造和搅 拌铸造耐热铝合金，并且挤压坯具有优异的室温和高温耐磨性能。随着粉末的加 入量愈大、粒度愈细，合金的室温和高温力学性能提高得愈多。当粉末添加质量 和合金熔体质量比为1 时，耐热铝合金中的a 1 1 3 f e 4 析出相粒径可控制在3 0 um 以下。 这种将粉末加入到同种合金的熔体中的铸造工艺之所以能提高耐热铝合金 的性能，其主要原因在于，粉末的加入增加了液相中的形核核心，促进了形核过 程。同时，固态粉末在过热熔体中的吸热和部分融解，使粉末颗粒周边的熔体和 粉末融解时产生的熔体产生快速凝固，这种局部区域的快速凝固同样可以抑制晶 粒的长大，起到快速凝固的效果。针对本论文研究的a l f e v s i 系耐热铝合金而 言，快速冷凝粉末中含有大量的a 1 1 2 ( f e ，v h s i 相，粉末的加入部分融解，但部 分未融解的a i l 2 ( f e ，v ) 3 s i 相及粉末颗粒周边熔体中因快速凝固再次产生 a 1 1 2 ( f e ，、，) 3 s i 相，a i ，2 ( f e ，v ) 3 s i 相的增加将有利于提高a i f e v s i 系耐热铝合 金的性能。以上通过普通铸造工艺的研究一个共同的特点是从整体而言，材料制 中南大学硕士学位论文第l 章文献综述 备过程中冷却速度较低，难于制备出性能优异的对冷却速度非常敏感的耐热铝合 金材料。但作为在提高冷却速度之外的另种工艺改进思想的研究，仍然具有非 常实际的意义。 唐谊平 2 9 】研究了在8 0 0 9 合金基体中通过喷射沉积工艺的方法添加 f v s 0 8 1 2 粉末对材料组织和性能的影响，相比于没有添加过喷粉末，f v s 0 8 1 2 合金的室温抗拉强度有明显的提高，喷入一3 2 5 m 的小粒度过喷粉末制备的 f v s 0 8 1 2 合金的抗拉强度为4 3 3 3 m p a ，高于没添加过喷粉末工艺条件下的 3 6 0 5 m p a ，以及喷入2 0 0 3 2 5 m 的过喷粉末的3 9 2 4 m p a 。 詹孝军p 叫研究了在8 0 0 9 合金基体中通过喷射沉积工艺的方法添加 f v s l 2 1 2 粉末对材料组织和性能的影响，相比于没有添加过喷粉末，f v s 0 8 1 2 合金的室温抗拉强度有显著的提高，喷入1 0 ( ) 一2 0 0 m 的小粒度过喷粉 末制备的f v s 0 8 1 2 合金的抗拉强度达5 3 6 7 m p a ，接近平流铸造f v s l 2 1 2 合 金的强度( 5 5 9m p a ) ，而且塑性也达到8 9 7 。 喷射沉积工艺条件下之所以能提高材料的性能主要有以下诸多方面的因素： 过喷粉末的加入增大了雾化介质的动量，促使熔体进一步破碎，并且粉末与熔滴 的接触过程中表层融化甚至重熔和雾化液滴产生热交换，带走了部分热量，提高 了冷却速度；粉末的加入增加了基体的异质形核核心，促进了异质形核，细化了 组织。而且同类型合金粉末与基体合金有良好的浸润性，不但降低了形核能，同 时也使凝固界面更易于对它的捕获，可以实现添加的粉末与基体能达到理想的冶 金结合。 喷射沉积作为一种新兴的材料制备技术，虽然其冷却速度还不能和快速凝固 粉末冶金以及平面流铸造相比较，但相比于普通熔炼铸造工艺其冷却速度还是有 大幅度的提高，因此喷射沉积是制备大规格耐热铝合金的理想工艺。以上通过喷 射沉积工艺制备同类型粉末增强耐热铝合金的研究，发现在喷射沉积特定的冷却 速度条件下，在8 0 0 9 合金基体中添加f v s 0 8 1 2 ，f v s l 2 1 2 粉末都能比较明显 地提高材料的性能，尤其是强度方面。因此可以预测，在更大冷却速度的快凝制 粉一粉末冶金的工艺条件下将也能有效地改善材料组织结构，从而提高性能。这 在本论文的后续章节将得到进一步的研究和证实。 4 中南大学硕士学位论文 第1 章文献综述 1 6 论文选题意义 f v s 0 8 1 2 合金是一种比较成熟的耐热铝合金，该合金是一种不可热处理强 化的铝合金，为进步提高其性能主要有两个方面工作，是通过改进制备工艺 以提高冷却速度，以获得更加优异的合金组织从而提高性能；二是通过成分优化 组合，逶过引入增强相来提高a i f e v s i 系合金综合力学性能，以充分发挥材料 的潜力。 中南大学金属材料研究所长期从事耐热铝合金以及喷射沉积研究，积累了相 当丰富的经验，本论文将主要结合“9 7 3 ”项目“提高铝材质量的基础研究”、 总装备部预研项目“新型铝合金研制”开展以下方面的工作： ( 1 ) 运用传统熔炼铸造工艺以及快凝制粉粉末冶金工艺，通过添加a | _ t i b 中闻合金的方式在f v s 0 8 1 2 合金基体中引入陶瓷颗粒币b z ，探讨t i b 2 的存在对 基体合金组织、性能和相组成的影响； ( 2 ) 运用快凝制粉粉末冶金工艺，在f v s 0 8 1 2 合金基体中引入不同质量 百分含量的同系列耐热铝合金f v s t 2 1 2 ( 高铁含量) 合金粉末，探讨f v s l 2 1 2 的存在对基体合金组织、性能和相组成的影响： ( 3 ) 改进现有喷射沉积工艺和装备，提高工艺参数的稳定性，实现高质量 大规格合金锭坯的次成型。 中两大学硕士学位论文第l 晕文献绿逅 参考文献 f 1 王手冗堂。国菜瑾，铝含金及其肋工手册中赢工业大掌蹬版社。7 9 s 9 ，长沙 w a n gz h u - t a n g ，t i a nr o n g z h a n g ，t h ea l u