铝合金的发展.doc

浅谈铝合金的强化及发展方向摘要：铝合金作为重要的轻质高强结构材料,是飞机和航天器轻量化的首选材料,在航空工业中占有十分重要的地位。本文对铝合金的强化和发展趋势进行了评述,并指出了今后高强度铝合金研究的方向。关键词：铝合金；高强度；性能铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。纯铝的密度小（=2.7g/cm3），大约是铁的1/3，熔点低（660），铝是面心立方结构，故具有很高的塑性（：3240%，:7090%），易于加工。但是纯铝的强度很低，退火状态b值约为8kgf/mm2，故不宜作结构材料。通过长期的生产实践和科学实验，人们逐渐以加入合金元素及运用热处理等方法来强化铝，这就得到了一系列的铝合金。添加一定元素形成的合金在保持纯铝质轻等优点的同时还能具有较高的强度，值分别可达2460kgf/mm2。这样使得其“比强度”（强度与比重的比值）胜过很多合金钢，成为理想的结构材料，广泛用于机械制造、运输机械、动力机械及航空工业等方面。1 铝合金的强化近30年来,铝合金大致向两个方向发展，一是发展一系列可以满足各种用途的民用铝合金二是发展高强高韧铝合金新材料，以满足航空航天需要。其中，高强高韧铝合金主要包括2和7系列IM传统熔铸铝合金，以及在其基础上发展起来的PM粉末冶金铝合金、SF喷射成型铝合金、铝基复合材料、超塑性铝合金等。在高强高韧铝合金的发展中，追求材料的高强度和解决由此而带来的如何提高其抗应力腐蚀性能、断裂韧性和疲劳强度等问题,一直是世界各国研究的主题。由此，也带来了超高强铝合金的迅速发展1,2。铝合金强化主要是增加其对位错运动的抗力，强化机制主要有弥散强化、固溶强化、沉淀强化、细晶强化、形变强化等。常规铝合金强化以加工硬化和沉淀强化为重点，而其强化效果的判断则以铝合金材料在常温和高温下的强度、塑性指标为主要依据。目前常用的铝合金强韧方法3,4有(1)合金化，即通过添加微量元素或调整主合金元素的比例，尤其是提高Zn/Mg、Cu/Mg含量来提高合金的性能；(2)各种先进的熔体净化和变质处理方法；(3)新加工成形方法；(4)改进热处理工艺。1.1 合金化合金强化是在铝合金中添加具有很低溶解度和扩散速率的过渡族金属和稀土金属元素，铸造时快速冷却，使这些元素保留在固溶体中，随后加热析出非常稳定的非共格第二相弥散质点，通过弥散质点而使合金强化。几乎所有铝合金都分别或联合加入Ti、V、Cr、Mn、Zr、Sc等过渡族元素，这些元素形成弥散铝化物质点,产生弥散强化作用。这些质点一旦析出，很难继续溶解或聚集，有较大的弥散强化效果。此外，弥散质点阻止再结晶，使加工硬化效果最大限度保留。对于Al-Zn-Mg-Cu系合金,Zn、Mg的含量对其力学性能起着决定性作用,Zn、Mg和Al形成三元T相(Al2Mg3Zn3),Zn和Mg之间形成二元的(MgZn2)相,这两种相在合金中的溶解度随温度的降低而急剧下降,具有很明显的时效硬化特征。合金随Zn、Mg含量和最终所获得组织形态的不同,其性能的差异也很大。因此,合理控制合金中的Zn、Mg的含量,以及两者之间的质量比对改善高强度铝合金的综合性能是极其重要的。1.2 熔体净化和变质处理通过合金的净化处理提高合金的冶金质量和伸长率解决铸锭冶金质量不高的问题，通过变质处理使铸锭具有细小的晶粒尺寸和均匀的显微结构，提高其铸态及热处理态的力学性能，并获得较好的固溶和时效处理效果，缩短时效处理时间5。1.3 新的加工成形方法新的加工成形方法包括等通道转角挤压工艺、PM法、喷射成型法、超塑成形、精密模锻、等温模锻、半凝固模锻等新的加工成形方法。等通道转角挤压工艺(equal-channel angular pressing,ECAP)是不改变材料的横截面，使被加工的材料通过等通道转角发生严重的剪切塑性变形，从而使材料的晶粒得到细化。铝合金等通道转角挤压工艺的研究以美国的T. G. Land-gon 6,7为代表。采用此工艺材料可重复挤压，经过多次挤压后，材料的晶粒达到超细尺度，使材料的综合力学性能大大提高。一般挤压4次后材料的抗拉强度提高约20%，伸长率保持在8%左右 8。在挤压初期,材料的抗拉强度随挤压次数的增加而很快增加，此后随挤压次数增加基本达到一恒定值，挤压转角越小材料的强度值增加越大。目前采用PM法制造的超高强铝合金,虽然成本较高、产品尺寸小,但可以生产IM法无法生产的高综合性能合金。PM法是通过预合金化熔体快速凝固工艺制粉或者用机械合金化工艺制粉,然后冷或热等静压制坯,经除气、烧结、热压、热加工成材。国外现在开发出的PM超高强铝合金有7090、7091和CW67合金等,它们的强度均达到了600M Pa以上，其强度和抗SCC性能均比IM 合金好,特别是CW67合金的断裂韧性最好。现在美国可生产重达350kg的坯锭,加工出来的挤压件和模锻件,已应用到飞机、导弹以及航天器具上。SD喷射沉积法(喷射成型法)是一种新型的快速凝固技术,它是将合金化后的铝熔体,用惰性气体喷吹雾化成微细液滴，并以一定的角度喷向收集器，经沉积和冷凝制成坯锭,然后就可同传统铸锭一样进行加工成材。SD法与PM法比，生产工艺简单，成本较低，金属含氧化物少，仅是PM法的1/31/7,制锭重量大(可达1t以上),可批量生产;与IM法比,最大的优点是可以制备IM 法无法生产的高合金化铝合金,而且还可以生产颗粒复合材料，即使是生产普通合金,也还有铸锭晶粒极其细微，加工材综合性能好的特点。所以采用此法开发具有高性能的超高强铝合金,有着非常好的发展前景。1.4 改进热处理工艺热处理制度决定着材料的微观组织, 而微观组织又决定着材料的力学性能。超高强铝合金的研制基本上是沿着高强低韧-高强高韧-高强高韧、耐腐蚀方向发展,随之的热处理状态开发则是沿着T6-T73-T76-T736( T74)-RRA方向进展。近年来，又有一些新型热处理工艺(如T77处理等)被开发出来，进一步提高了7铝合金的综合性能 9高强铝合金热处理包括均匀化、固溶淬火、时效等工艺。其中,时效处理对高强铝合金性能影响最大。高强铝合金常用的时效工艺有3种：峰值时效，过时效以及回归再时效(RRA处理)。峰值时效是一级完全时效。完全时效之后，晶体内析出细小的半共格弥散相，峰值时效是一级完全时效。完全时效后，晶内析出细小的半共格弥散相，晶界分布较粗大的连续链状质点，这种晶界组织对应力腐蚀和剥落腐蚀十分敏感。完全时效后，合金强度可达峰值，但抗应力腐蚀性能力较弱。过时效通常采用双级时效。第1级时效为低温预时效,相当于成核阶段；第2级时效是高温时效，为稳定化阶段。过时效后合金晶界上分布着断续的粗大沉淀相，这种晶界组织提高了抗腐蚀性能，基体中强化相同时长大粗化,使合金强度大约下10%15%。RRA处理(Retrogression and Re-aging)为3级时效。它包括3个阶段:第1阶段，在较低温度下进行峰值预时效，显微组织与上述峰值时效状态的相同。第2阶段,在较高温度下进行短时回归处理,经回归处理后,晶内的又都溶解到固溶体内，晶界上连续链状析出相合并和集聚，不再连续分布。这种晶界组织提高了抗应力腐蚀和剥落腐蚀性能，而晶内的溶解大大降低了合金的强度。第3阶段，在较低温度下再时效，达到峰值强度，晶内重新析出细小弥散的部分共格相，晶界仍为不连续的非共格析出相10。2 铝合金的改善和发展趋势铝合金的开发和发展主要是围绕提高材料的强度、塑性、韧性、耐蚀性以及疲劳性能等综合性能来开展研究，其新型合金可以通过调整合金成分、采用新的合金元素、采用新的加工和制造技术等途径进行开发。近20年来，国内外关于超高强铝合金的发展进行的研究工作有：(1)改善和开发传统Al-Zn-Mg-Cu系合金；(2)改进新的加工技术；(3)发展AlLi等合金；(4)发展高强高韧粉末冶金和喷射成型铝合金；(5)发展铝基复合材料；(6)发展超塑性高强铝合金。这些研究工作也代表了超高强铝合金的主要发展方向。(1)调整合金中的主要合金元素含量以及各组元的比值,添加微量过渡族元素以及稀土元素，从而改变合金中各种化合物的物理性能和份量，以开发出对应各种不同需要的不同新合金。(2)减少Fe、Si等各种杂质含量，提高合金的纯度，研究控制杂质含量的方法和技术，改善超高强铝合金的各种性能。(3)开发和应用各种新的热处理工艺及技术,如研究和采用二级或分段高温均匀化退火(在过烧温度以上)工艺、热变形后再次高温均匀化退火工艺、铸锭二级均匀化退化工艺(先正常温度后低温析出) 、阶段淬火工艺、多级时效工艺, RRA 处理工艺、形变热处理或称热 机械处理工艺(TM T)等以改善合金的组织和性能。其中形变热处理工艺包括中间形变热处理、最终形变热处理和四步形变热处理，这种工艺能显著提高合金的综合性能。(4)采用和研究各种先进的熔体净化和变质处理方法,其中熔体净化处理方法有炉内的氯气处理、N2+ Cl处理、C2Cl6 处理、喷粉精炼处理、动和静态真空理等,炉外在线处理的SNIF法、Alpur法、CFF(陶瓷)过滤法、F ILD法、Alcoa469法和M IN T法及国内开发的DD F法等,事实上熔体净化和变质处理方法可以明显影响合金的性能。特别应引起注意的是微量元素和Ti、B、C变质剂的加入方法研究,因为它影响铸锭中一次粗晶化合物的形成,进而影响其在组织中的存在形态和分布,从而对合金性能产生影响。(5)采用各种先进的锭坯制备技术，例如低频电磁半连续铸造技术和喷射成形制备技术，从而提高合金的综合性能以及特殊性能。低频电磁半连续铸造技术既可以获得细晶组织，又可以强化合金元素固溶，同时改善超高强铝合金的铸造性能，是超高强铝合金制备的一个重点研究方向。3 结束语铝合金作为重要的轻质高强结构材料,是飞机和航天器轻量化的首选材料。提高铝合金强度对飞机和导弹的减重、提高机动性和降低油耗等具有重要意义。国内在超高强度铝合金的研究方面相对起步较晚,北京航空材料研究院、北京有色金属研究总院、东北大学、西南铝业和重庆大学等单位均较系统的开展了该领域的研究工作,目前国内的超高强度铝合金的强度和塑性已经达到美国7055T7751水平。纵观高强铝合金的发展史，传统超高强铝合金研制基本上是沿着高强度、低韧性一高强度、高韧性。高强度、高韧性、耐腐蚀方向发展，在合金成分设计方面的发展特点是合金化程度越来越高，杂质含量越来越低，微量过渡族元素添加越来越合理，最终目标是在大幅度提高强度的同时保持合金具有优良的韧性和抗蚀性。目前,高强度铝合金中应用量最大和应用领域最广的仍然是传统铸造的Al-Zn-Mg-Cu系合金,我国航空工业和其他国防工业大量应用的也主要是类似