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嘉峪檢測網(wǎng) 2025-03-06 11:59
摘要：鋁合金的熱穩(wěn)定性決定了合金材料在高溫條件下長時(shí)間保持性能的能力,熱穩(wěn)定性已成為鋁合金研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。提高鋁合金熱穩(wěn)定性將顯著提升其應(yīng)用范圍。結(jié)合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,重點(diǎn)總結(jié)合金元素的作用機(jī)理、耐熱鋁合金的設(shè)計(jì)理論及成形技術(shù)方面已經(jīng)取得的進(jìn)展。通過闡述過渡金屬和稀土金屬改善鋁合金熱穩(wěn)定性的微觀結(jié)構(gòu)機(jī)理,系統(tǒng)闡明了耐熱鋁合金的先進(jìn)制備工藝,如快速凝固、粉末冶金和增材制造等工藝,并對耐熱鋁合金的發(fā)展趨勢進(jìn)行探討,為我國耐熱鋁合金的發(fā)展提供借鑒和參考。
關(guān)鍵詞：耐熱鋁合金;熱穩(wěn)定性;稀土元素;快速凝固;增材制造
耐熱鋁合金是指在高溫條件下仍然保持較高強(qiáng)度、高抗氧化性及抗蠕變性能力的鋁合金。在過去的幾十年里,幾乎所有鋁合金均不是熱穩(wěn)定性合金,它們的性能受使用溫度和時(shí)間的影響顯著,甚至在自然環(huán)境條件下長時(shí)間使用也會發(fā)生性能衰減,如長時(shí)間暴露在陽光下的蒙皮材料,可能會在長時(shí)間的使用過程中性能惡化[1]。然而,合金材料在工程應(yīng)用時(shí)更希望在高溫條件下使用性能不發(fā)生變化,或者能夠提高耐高溫使用性能極限[2]。在汽車、船舶、航空航天等領(lǐng)域,提高鋁合金在更高溫度下的熱穩(wěn)定性才能突破其應(yīng)用范圍的技術(shù)壁壘。
1. 耐熱鋁合金高溫下微觀組織演化
合金元素的擴(kuò)散系數(shù)是衡量鋁合金材料在使用溫度下穩(wěn)定性的主要指標(biāo)。置換元素的擴(kuò)散是通過原子晶格的空位移動實(shí)現(xiàn)的,通常需要空位來引起結(jié)構(gòu)變化。在鋁中固溶度低的元素具有低的擴(kuò)散系數(shù)。鋁中典型合金元素的擴(kuò)散系數(shù)如圖1所示。圖2是500 ℃溫度條件下鋁基體中不同合金元素的擴(kuò)散系數(shù)。
圖1 鋁中典型合金元素的擴(kuò)散系數(shù)
Fig.1 Diffusion coefficient of typical alloying elements in aluminum
圖2 500 ℃下鋁基體中不同合金元素的擴(kuò)散系數(shù)
Fig.2 Diffusion of different alloy elements in aluminum matrix at 500 ℃
在鋁合金中,大多數(shù)過渡金屬元素的擴(kuò)散系數(shù)低于鋁元素的自擴(kuò)散系數(shù),因此有利于耐高溫性能的提升。理論上推斷,它們具有更高的標(biāo)準(zhǔn)活化焓,也具有更高的指前因子;稀土金屬元素原子半徑大,在鋁中的固溶度很低,其擴(kuò)散系數(shù)比鋁元素?cái)U(kuò)散系數(shù)一般低4個(gè)數(shù)量級。此外,在高溫條件下保持合金性能的關(guān)鍵在于內(nèi)部分散的強(qiáng)化顆粒,這些粒子在高溫條件下的擴(kuò)散會引起小顆粒消溶、大顆粒長大,即奧斯特瓦爾德熟化。這種合金中粒子粗化現(xiàn)象如圖3所示[3]。這是由吉布斯-湯普森效應(yīng)控制的,會根據(jù)界面的曲率改變顆粒-基體界面處的濃度。由于濃度梯度引起溶質(zhì)從小顆粒擴(kuò)散至大顆粒,導(dǎo)致粗化現(xiàn)象。隨著溫度的升高,大顆粒傾向于以犧牲小顆粒為代價(jià)而生長,導(dǎo)致平均粒徑增大,顆粒總數(shù)減少。
圖3 Al-0.28%Sc合金時(shí)效過程中析出物Al3Sc的粗化[3]
Fig.3 Precipitate coarsening during the aging process Al-0.28%Sc alloy(Revised from reference[3])
2. 鋁合金熱穩(wěn)定性的合金化設(shè)計(jì)
耐熱鋁合金在市場的廣泛應(yīng)用為其發(fā)展提供了強(qiáng)大驅(qū)動力,盡管用于航空航天領(lǐng)域的高端合金與用于地面交通領(lǐng)域的中低端合金之間存在本質(zhì)差異,但這兩大應(yīng)用領(lǐng)域都為耐熱鋁合金關(guān)鍵技術(shù)研究和產(chǎn)品開發(fā)提供動力。其中汽車領(lǐng)域研究熱點(diǎn)主要聚焦在內(nèi)燃機(jī)的設(shè)計(jì)需求方面,燃燒效率的提高需要將工作溫度提高到300 ℃,同時(shí)提高燃燒室內(nèi)外溫差和壓力差,如圖4所示。因此,需要采用具有更高強(qiáng)度和更長疲勞壽命的鋁合金降低其部件重量,采用更高的工作溫度來提高內(nèi)燃機(jī)的性能和效率。
圖4 內(nèi)燃機(jī)缸體內(nèi)部溫度分布模擬
Fig.4 Simulation of temperature distribution inside internal combustion engine cylinder block
2.1 高溫服役鋁合金的設(shè)計(jì)理念
開發(fā)具有良好高溫性能的新型鋁合金是一項(xiàng)艱巨的任務(wù),學(xué)術(shù)界和工業(yè)界一直在積極探索不同研究方向,包括優(yōu)化傳統(tǒng)合金成分和驗(yàn)證新型解決方案。在研究過程中,經(jīng)常與鎳基高溫合金進(jìn)行類比,鎳基高溫合金一般以溫度為其絕對熔化溫度的75%時(shí)的機(jī)械性能為考核指標(biāo)。因此,鋁基合金應(yīng)能抵抗高達(dá)400 ℃左右溫度。鎳基高溫合金通過有序的具有立方L12結(jié)構(gòu)的Ni3(Al,Ti)相,實(shí)現(xiàn)了鎳高溫合金的強(qiáng)化和熱穩(wěn)定性。與此類似,高溫鋁合金必須含有高體積分?jǐn)?shù)的分散相,該分散相具有L12結(jié)構(gòu),并且在預(yù)期的使用溫度下具有熱力學(xué)穩(wěn)定性。
2.2 Al-Cu-Mg系耐熱鋁合金
Al-Cu-Mg系耐熱鋁合金能夠在較高溫度下服役,過去主要用于活塞和飛機(jī)旋轉(zhuǎn)部件,提高在高溫條件下其析出物的穩(wěn)定性仍是重要的研究內(nèi)容。
這種耐熱變形鋁合金,自20世紀(jì)50年代以來廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。因此,相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)對其熱穩(wěn)定性開展了廣泛的研究[4]。該合金的性能和熱穩(wěn)定性受Cu和Mg元素含量的影響,固溶狀態(tài)中Cu元素含量的增高將加速析出相粗化。對于w(Cu)=3.1%～3.7%和w(Mg)=1.2%～2%的合金,S′(Al2CuMg)相可使合金的強(qiáng)度達(dá)到465 MPa(T8),在200 ℃溫度下合金板材的熱穩(wěn)定性良好。當(dāng)w(Cu)=4.8%～5.4%和w(Mg)=0～0.4%時(shí),θ′(Al2Cu)相可使合金的強(qiáng)度達(dá)到380 MPa,熱穩(wěn)定性達(dá)到300 ℃。當(dāng)w(Cu)=3.7%～4.3%和w(Mg)=0.9%～1.3%時(shí),S′和θ′雙相協(xié)同強(qiáng)化可使合金強(qiáng)度達(dá)到470 MPa,但熱穩(wěn)定性較差,僅為150 ℃。
Al-Cu-Mg-Ag系合金中具有較高的w(Cu)/w(Mg)比和少量Ag元素,是航空航天應(yīng)用的主要合金系。在200～250 ℃溫度條件下,隨著熱暴露時(shí)間的增加,合金的抗拉強(qiáng)度逐漸降低。在Al-Cu合金中同時(shí)加入低含量的Ag和Mg元素,促進(jìn)了Ω相的析出,并在{111}α-Al基體面上形成薄的六角形板狀析出物。這種析出相以及θ′相在基體{001}面上的均勻分布被認(rèn)為是合金硬化的主要原因。研究發(fā)現(xiàn),以板狀Ω相為主的微觀結(jié)構(gòu)熱穩(wěn)定性和抗粗化能力與較高Ag元素含量和適度Mg元素含量的相一致[5]。
Al-Cu-Mg-Ag系合金在150 ℃時(shí)效1 000 h后的抗拉強(qiáng)度為434 MPa,為峰時(shí)效合金的86%[6]。在200 ℃下暴露1 000 h后,拉伸強(qiáng)度降至307 MPa。因此,通過化學(xué)成分、熱處理和優(yōu)化鍛造工藝等方式達(dá)到細(xì)化晶粒的目的,成功開發(fā)了該系列的Al-6.5Cu-0.3Mg-0.5Ag(數(shù)字為質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%,下同)合金,牌號為KS2000。其中該合金中w(Cu)/w(Mg)比高達(dá)20,顯著高于AA2618合金[7]。與AA2618-T6的330 MPa屈服強(qiáng)度相比,該合金在150 ℃下暴露100 h后仍保持375 MPa的更高屈服強(qiáng)度。
在Al-Cu-Mg-Ag合金中引入Zr和Sc元素會在固溶處理過程中產(chǎn)生納米級的Al3(Sc,Zr)彌散相[8]。鋁基體的主要析出物仍然是Ω相,其形成于α-Al{111}面,在200 ℃時(shí)容易粗化,這決定了合金的熱穩(wěn)定性。
2.3 Al-Fe系耐熱鋁合金
Al-Fe系耐熱鋁合金是美國鋁業(yè)公司(Alcoa)經(jīng)過大量系統(tǒng)工作研制而成。研究表明耐熱鋁合金以含F(xiàn)e的合金系性能最優(yōu),且三元系A(chǔ)l-Fe-Co和Al-Fe-Ce合金的性能相對更優(yōu)。因此,進(jìn)一步對Al-Fe-X(Co、Ni、Ce)合金系進(jìn)行基礎(chǔ)理論研究,最后確定合金成分為Al-8Fe-4Ce,并發(fā)展成為實(shí)用新型耐熱鋁合金。
同時(shí),研究表明Fe和V元素在鋁中的溶解度低,擴(kuò)散系數(shù)小,因此有助于提高鋁合金的熱穩(wěn)定性。基于上述基礎(chǔ)理論,美國聯(lián)信公司(Allied Signal)選擇Al-Fe-V合金進(jìn)行系統(tǒng)研究。在探索過程中偶然發(fā)現(xiàn)某個(gè)合金的耐熱性明顯優(yōu)于其他合金,對此進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)該合金中硅元素的含量顯著高于其他合金中硅元素含量。研究結(jié)果表明Al-Fe-V-Si合金中存在體心立方Al13(Fe,V)3Si相,該相與基體之間有良好的晶格匹配關(guān)系,兩相之間的界面能較低,高溫條件下粗化速度較Al-Fe-V系中其他析出相緩慢。因此,Al13(Fe,V)3Si相高溫下具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性,且彌散分布,能有效阻礙位錯(cuò)運(yùn)動,提高合金高溫性能[9]。在此基礎(chǔ)上發(fā)展了Al-Fe-V-Si系列的耐熱鋁合金,并成功地應(yīng)用于航空、航天及汽車零件等領(lǐng)域。
2.4 Al-Re系耐熱鋁合金
稀土金屬不僅可作為微量元素添加,而且還可作為鋁合金的主要成分,在鋁合金的合金化過程中引起了廣泛關(guān)注。目前,已有混合稀土和個(gè)別元素對鋁合金性能影響的研究方案[10]。如稀土元素La、Ce、Nd和Y應(yīng)用在Al-Si合金中的試驗(yàn)研究;Er元素添加在Al-Mg、Al-Zn-Mg、Al-Zn-Mg-Cu、Al-Li和Al-Cu等合金系的實(shí)驗(yàn)研究。其中,稀土中鈰和鈧對鋁合金的作用引起更為廣泛的關(guān)注。Al-Sc合金在室溫和高溫下具有優(yōu)異的機(jī)械性能,這是由于存在納米級的Al3Sc析出相,Sc添加量對鋁合金抗拉強(qiáng)度的貢獻(xiàn)比其他等量原子分?jǐn)?shù)的合金元素均顯著。鈧元素的主要作用包括:(1)鑄造或焊接過程中的晶粒細(xì)化;(2)Al3Sc粒子的析出強(qiáng)化;(3)Al3Sc粒子對再結(jié)晶組織影響。此外,鈧元素與鋯元素相結(jié)合的效果特別顯著,這與Al3(Sc,Zr)彌散粒子的核/殼結(jié)構(gòu)有關(guān)[11]。Sc在Al中不易擴(kuò)散,合金的熱穩(wěn)定性相對較高。Al-5Mg-0.3Sc合金在300～450 ℃溫度范圍內(nèi),加熱溫度每提高50 ℃可使Al3Sc粒子粗化速率提升一個(gè)數(shù)量級[12]。然而,即使在300～450 ℃退火168 h后,Al3Sc析出相仍與鋁基體表現(xiàn)出良好的共格關(guān)系,國外學(xué)者也描述了Al3Sc析出物的抗粗化性能[13-14]。
Er、Tm、Yb和Lu等4種稀土元素在鋁合金中發(fā)生Al-Al3RE共晶反應(yīng),Al3RE具有穩(wěn)定的L12晶體結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)室條件研究原子分?jǐn)?shù)為0.03%～0.06%的Yb或Er的二元鋁合金時(shí)發(fā)現(xiàn),時(shí)效后產(chǎn)生納米級Al3RE析出相[15]。Al-0.03Er合金中Er析出始于150 ℃,在275 ℃處出現(xiàn)時(shí)效峰;Al-0.03Yb合金中Yb析出始于100 ℃,在250 ℃處出現(xiàn)時(shí)效峰,與Al-0.12Er和Al-0.12Yb合金相比,獲得時(shí)效峰的溫度明顯較低。國內(nèi)外學(xué)者同樣關(guān)注在鋁合金中添加少量混合稀土或Ce的研究方案[16]。然而,僅在合金的穩(wěn)定性方面有所改善,對其他性能的優(yōu)化效果不顯著。例如,在A205/TiB2復(fù)合材料中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%～1.5%的Ce后,在230 ℃下測試長達(dá)100 h,對Ω相的熱穩(wěn)定性沒有影響[17]。
3. 耐熱鋁合金加工工藝
目前,為了提高鋁合金的熱穩(wěn)定性,不僅在優(yōu)化合金的化學(xué)成分方面進(jìn)行探索,而且在合金的加工方式上也進(jìn)行系統(tǒng)研究,如粉末冶金、快速凝固和增材制造等工藝研究。每種工藝都會對微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響,從而影響合金在高溫條件下的性能。
3.1 粉末冶金工藝
粉末冶金工藝廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)高溫鋁合金,該工藝一般通過氣體霧化、球磨和熱壓相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)。粉末冶金鋁合金以其輕質(zhì)高模高強(qiáng)的優(yōu)勢,被廣泛用于制造氣缸襯套、發(fā)動機(jī)活塞、電動機(jī)轉(zhuǎn)子等,例如通用汽車公司與MPP(Metal Powder Products)公司通過粉末冶金技術(shù)聯(lián)合開發(fā)了一款發(fā)動機(jī)粉末冶金鋁基凸輪軸軸承蓋。此外,日本Honda公司同樣應(yīng)用粉末冶金技術(shù)以Al-Si合金為基體,以C+Al2O3F纖維為增強(qiáng)相制備復(fù)合材料缸套,顯著提高了發(fā)動機(jī)的耐蝕性、耐磨性和抗熱疲勞性能[18]。此外,研究發(fā)現(xiàn),在400 ℃擠壓制造具有極細(xì)基體晶粒的Al(Mg)-NiO復(fù)合材料過程中,NiO顆粒會自發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃W(xué)穩(wěn)定的Al3Ni和MgAl2O4化合物,該化合物顯著提高合金的高溫力學(xué)性能。
3.2 快速凝固工藝
快速凝固技術(shù)是指以105～106 K/s的冷卻速度進(jìn)行非平衡凝固的過程。通過快速凝固技術(shù)得到的合金具有超細(xì)的晶粒,無偏析或少偏析的微晶組織,形成新的亞穩(wěn)相和高的點(diǎn)缺陷密度等顯微組織和結(jié)構(gòu)特征[19]。由于凝固過程的快速冷卻,起始形核過冷度大,生長速率高,使固液界面偏離平衡,因而呈現(xiàn)一系列與常規(guī)合金不同的顯微組織和結(jié)構(gòu)特征。但是對冷卻速度的嚴(yán)格要求限制了該技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。目前,國外采取快速凝固-粉末技術(shù)成功制備350 kg的Al-Li合金坯錠,隨后經(jīng)過擠壓等加工,應(yīng)用到飛機(jī)、導(dǎo)彈及航天器等領(lǐng)域。研究表明,在快速凝固過程中Al-Li合金坯錠的冷卻速度高達(dá)106K/s,因此可以顯著提高合金中鋰元素的含量,大幅降低合金密度,并增加合金強(qiáng)度。此外,快速凝固被用于制造Al-Fe-Ce、Al-Fe-Cr-(TM)、Al-Cr-Zr(Mn)和Al-Fe-V(Mo)-Si等高溫合金。其中微晶體積含量高的Al-Fe-Cr-(TM)合金在300 ℃時(shí)的強(qiáng)度比一般鋁合金高約100 MPa,但伸長率比一般鋁合金低50%以上。特別是在Al-8.8Fe-3.7Ce合金中,經(jīng)過電弧熔化和快速凝固后再進(jìn)行擠壓加工,除了形成Al6Fe、Al10Fe2Ce和Al20Fe5Ce平衡相外,還形成了亞穩(wěn)相[20]。
3.3 增材制造工藝
增材制造(3D打印)是將材料一層一層地沉積并固化以創(chuàng)建三維物體。選區(qū)激光熔化和電子束熔化是增材制造的主要技術(shù)。其關(guān)鍵是冷卻速度,除了由于快速凝固而細(xì)化顯微組織外,多道次激光增材制造還可以引發(fā)沉淀硬化。對于含Sc的鋁合金,在快速冷卻過程中,有序和一致的Al3Sc沉淀相從Sc元素過飽和固溶體中形成。
一般來說,激光增材鋁合金往往無法達(dá)到傳統(tǒng)制造合金的機(jī)械性能和熱穩(wěn)定性。然而,激光增材制造可以生產(chǎn)出比強(qiáng)度更高、耐磨性更好、物理性能更突出的鋁基復(fù)合材料及近凈形狀零件,廣泛應(yīng)用于汽車和航空航天領(lǐng)域[21]。激光熔化克服了制造具有高密度彌散納米顆粒的鋁基納米復(fù)合材料的困難。
為了更好地利用增材制造的優(yōu)勢并發(fā)揮定制組件的功能,需要專門為制造路線開發(fā)適合的合金。目前,大多數(shù)鋁基合金的增材制造主要依托如AlSi7Mg、Al12Si和AlSi10Mg等較為常規(guī)的鑄造合金。圖5所示為采用選區(qū)激光熔化工藝制造的新型Al-Mn-Sc合金的組織和硬度[22]。研究表明,在熔池邊界處形成了初生Al3(Sc,Zr)顆粒,Al-Mn-Sc合金形成了具有較高熱穩(wěn)定性的柱狀等軸晶粒結(jié)構(gòu)。過渡金屬M(fèi)n通過排斥凝固前沿的溶質(zhì)和晶界、亞晶界或位錯(cuò)墻的作用成核形成Al6Mn,有助于提高熱穩(wěn)定性。
圖5 選區(qū)激光熔化和常規(guī)鑄造合金顯微組織時(shí)效的顯微硬度[22]
Fig.5 Microhardness of microstructure aging in selected laser melting and conventional casting alloys[22]
選區(qū)激光熔化與鐵合金化相結(jié)合,提高了Al-11.6Si-0.97Cu-0.96Mg-1Ni合金的高溫強(qiáng)度和塑性[23]。研究表明,該工藝改善Fe-Si-Ni相為細(xì)小彌散粒子,這些粒子取代了傳統(tǒng)鑄造狀態(tài)的共晶硅相。除了試驗(yàn)合金外,也有已經(jīng)用于增材制造的商業(yè)合金。例如,由空客研究中心開發(fā)的第二代鋁-鎂-鈧(Al-Mg-Sc)合金,是一種用于選區(qū)激光熔化的高強(qiáng)度輕質(zhì)合金。該合金的比重為2.67 g/cm3,抗拉強(qiáng)度為520 MPa,伸長率為13%,250 ℃溫度下其顯微組織依然保持穩(wěn)定。
4. 結(jié) 論
1)在耐熱鋁合金熱穩(wěn)定性粒子的合成機(jī)理、添加方式、工藝調(diào)控措施等方面應(yīng)持續(xù)開展系統(tǒng)化研究,從而夯實(shí)耐熱鋁合金的理論基礎(chǔ)。
2)在耐熱鋁合金制備工藝方面應(yīng)不斷擴(kuò)展和應(yīng)用新型制備工藝來提高合金的耐熱性能,擴(kuò)展其應(yīng)用領(lǐng)域范圍。
3)應(yīng)加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研用一體化模式的深度合作與融合,加速實(shí)現(xiàn)耐熱鋁合金行業(yè)技術(shù)更新、產(chǎn)業(yè)升級及人才培養(yǎng)。
來源：期刊-《輕合金加工技術(shù) 》作者：王建國1,叢福官1,王英君1,付金禹1,李國棟2,付金來1
(1.東北輕合金有限責(zé)任公司,黑龍江 哈爾濱 150060; 2.中國航天科工集團(tuán)物資銷售總站,北京 100048)
來源：Internet
