耐热铝合金的发展及应用

耐热铝合金的研究发展及应用1．前言为了能在150～350℃温度范围内用低密度、低价格的铝合金代替钛合金,在过去的二十年内，快速凝固耐热铝合金受到广泛重视。该领域的研究发展很快，相继开发了以Al-Fe、Al-Cr为基的一系列耐热铝合金，并且得到实际应用。2．耐热铝合金的发展传统的高强铝合金主要是亚共晶成分的合金，含有在端际固溶体中固溶度原子分数大于2%的合金元素，通过时效过程中金属间化合物的析出使合金达到强化。但在150℃以上的环境温度下，这些析出相以很快的速度粗化，材料性能急剧下降，限制了使用范围。七十年代后期，为了满足先进战斗机对材料的需求，美国空军把注意力集中于开发在350要提高铝合金的耐热性能，必须在合金中形成大量弥散分布且具有热稳定性的析出相。要达到这个要求，加入的合金元素应该在液态时固溶度高，固态时几乎不固溶并有较低的扩散系数，满足这个要求的是大部分过渡族金属元素和镧系元素(表1)。采用快速凝固技术可以提高这些元素在铝中的极限固溶度，在合金中形成足够数量的弥散粒子，耐热铝合金就是在铝合金中加入一定量这些元素的基础上发展起来的。表1合金元素在铝合金中的固溶度和扩散速度表1合金元素在铝合金中的固溶度和扩散速度2.1Al-Fe-Ce合金美国铝公司(Alcoa)根据合金元素的作用和资源、价格等方面的因素，选择铝和Cr、Mn、Fe、Ni、Co及Ce六种元素组成的六个二元系和十五个三元系进行了系统研究，每种合金中溶质元素加入总量为5%原子分数。研究发现，几乎所有的合金都表现出较好的热稳定性，而且三元系的性能优于二元系。经过数次对合金成分和合金元素含量的优化后发现，Al-Fe-Co和Al-FeCe合金的性能超过了预定要求达到的指标。经过大量的前期研究工作，认为耐热铝合金以含Fe的合金系性能较好，所以最终选择了Al-Fe-X(Co、Ni、Ce)合金系进行进一步深入研究，最后合金成分确定为Al-8Fe-4Ce，并发展成为实用化的耐热铝合金。2.2Al-Fe-V-Si合金由于Fe和V在铝中的溶解度低，扩散系数小，所以美国联合信号公司(AlliedSignal)选择Al-Fe-V合金进行研究。在研究过程中，发现其中某个炉次合金的耐热性明显好于其它炉次，进一步的分析发现，该合金中的硅含量比其它合金明显高。对合金的熔炼过程分析，在使用含SiO2的坩埚进行熔炼时，SiO2被还原成Si进入了铝液。Si进入铝合金后，形成了Al13(Fe,V)3Si，而Al-Fe-V三元系的其它合金中却没有这种析出物。对该析出物的研究发现，它和基体之间有特定的位向关系，并且在适当的Fe/V比例时，析出相和基体之间有很好的晶格匹配，两相之间的界面能较低，高温下的粗化速度较Al-Fe-V系的其它析出物缓慢，使合金的耐热性得到提高。在此基础上发展了Al-Fe-V-Si系列的耐热铝合金,成功地应用于航空、航天及汽车零件。2.3Al-Cr-Zr合金早期由Elagin和Federov对低浓度Al-Cr-Zr合金进行的研究虽然不多，但表明了该合金作为耐热铝合金的发展潜力，Alcan和Sheffiled大学在较宽的合金成分范围内对Cr和Zr加入后的热稳定性进行了研究，发现含Cr的合金在直到450℃总之，近十几年来，对耐热铝合金进行了大量的研究，相继开发了一系列快速凝固耐热铝合金。除上述合金外,主要的还有Pratt&Whitney开发的Al-Fe-Mo-V相，但热稳定性极佳，在温度高于500℃对采用平面流铸法生产的Al-13.4Fe-0.85V-2.23Si合金条带组织进行了分析，发现Al13(Fe,V)4Si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510℃Al-Fe-V-Si快凝铝合金具有许多优异的性能。例如：100℃和300℃下的拉伸强度分别高达470MPa和320MPa，屈服强度也在370MPa和300MPa以上。采用快凝/粉末冶金(RS/PM)法生产的该合金，断裂时呈一定的各向异性，这与原颗粒表面包覆的氧化物挤压过程中被拉伸有关；但该合金的冲击值较高，轴向K1c值，可高达21MPa.m1/2，径向值略低些。K1c值随着温度的升高而降低，316℃3.4其他Al-Fe基耐热铝合金的组织及性能Al-Fe-V-Mo是具有包晶反应的快凝耐热铝合金，该合金中出现的金属间化合物相有：AlFe(Mo,V),，Al6Fe和Al3Fe。Al-8Fe-2Mo-1V是其典型合金，该合金中弥散相体积分数约占17%左右，金属间化合物尺寸在0.1～1μm之间。此合金的常温强度和高温强度较高，见表1。表1部分快速凝固耐热铝合金的性能表1部分快速凝固耐热铝合金的性能Al-Fe基耐热铝合金中加入锆形成Al3M型沉淀相，这类沉淀相与α-Al基体间的界面能较小，因而，锆元素加入不仅可以减小沉淀相的析出速率，还可以降低粗化速度，增加了合金的热稳定性。Al-Fe-V-Zr合金中的相有胞状S′相，Al3Fe，Al3Zr及Al6Fe相，其中Al3Zr相体积分数较高，且多在热挤压过程中形成。该合金性能特点是，附带的耐蚀性特别好，其原因是化学成分和显微结构细化两者的综合作用结果。Al-Fe-Mo-Zr合金中的钼存在形式比较复杂，尚难准确确定，但衍射证明钼均匀分布于粉末中。此类合金中由于钼固溶改变了晶格常数，且在后续的热处理过程中形成大量的Al3Zr相，使合金强度提高。屈服强度高达650MPa，极限抗拉强度高达730MPa；300Al-Fe-Cr-Zr雾化合金存在Al13Cr2，Al3Zr，Al3(Fe、Cr)及Al31Fe4金属间化合物相，合金粉末越细，即冷却速度越高，Al13Cr2越细小，平衡相Al13Fe43越少。其中Al3Cr2，Al3Zr和Al3(Fe、Cr)相具有良好的热稳定性和抗粗化能力，而Al3Zr相与基体存在共格关系，沉淀强化效果较好，导致该合金具有高的常温和高温强度及韧性。采用多级雾化热挤压工艺制备的Al-6.8Fe-3.75Cr-1.52Zr合金常温拉伸强度达465MPa，伸长率5.0%，而400℃快凝Al-Fe-Ni系耐热合金，由于存在以Al(FeNi)2为基的三元τ相，可有效地增加合金的模量，同时，τ又是剪切时的稳定相，再加上τ相与α-Al基体具有良好的取向关系，使合金强度和热稳定性显著增加。Al-Fe-Ni合金中加入少量Mo、Cr后，合金中出现AlxMo(x表示制造条件不同，化合物的原子组成比不同)等相，合金在480℃时极限抗拉强度仍高达490MPa，冲击值K1cAl-Li-Mn-Zr雾化及喷射沉积合金中存在第二相：Al6Mn，Al4Mn，Al3Zr，Al3Li和AlLi，其中锰和锆弥散相抑制了再结晶和晶粒长大，加速含锂相的时效。这类合金常温强度和韧性均较低，但在高温时却保持较高的性能。例如：250℃4．快凝耐热铝合金的应用及存在的问题开发快凝耐热铝合金的最终目的是取代飞机零件中的钛合金。近些年来的研究成果表明，这方面的工作已取得了很大进展，快凝耐热铝合金的某些性能已相当或超过了部分钛合金的。例如：Al-Fe-Zr-V的比强度与Ti-6Al-4V相当，而Al-Fe-Ce在150℃和230℃时屈服强度分别为449MPa和391MPa，已超过Ti-6Al-4V合金的，再加上这些新型合金密度低，价格便宜，一般不含有贵重的战略元素，已经有可能在230～350快凝耐热铝合金目前存在的问题主要有以下几方面。性能方面：1、快凝耐热铝合金的疲劳强度、蠕变强度还不够高，这与粉末冶金过程中原始颗粒界面和氧化物有关；2、快凝耐热铝合金的断裂韧性也不甚理想，尤其是存在明显的中温脆性，引起脆性的原因还待进一步研究。成本方面：采用粉末冶金工艺的快凝耐热铝合金，虽然性能比熔铸合金优越，但制造成本偏高却成了该合金面临的挑战。快凝耐热铝合金今后的研究方向将主要集中在以下几方