有色金属科学与工程  2018, Vol. 9 Issue (3): 65-69
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耐热铝合金的发展与应用[PDF全文]
孙德勤1,2 , 陈慧君1 , 文青草1 , 王烨1     
1. 常熟理工学院化学与材料工程学院,江苏 常熟 215500;
2. 江苏省机电产品循环利用技术重点建设实验室,江苏 常熟 215500
摘要:耐热铝合金有良好的应用前景,并在合金设计与成形技术方面已经取得一定进展.改善铝合金高温性能的主要工艺技术包括:添加合金元素等在铝合金中析出高熔点的稳定强化相,利用凝固控制、热处理等措施使强化相弥散分布,起到稳定基体以及晶界强化等作用.目前,降低其制备成本是当务之急.
关键词耐热铝合金    弥散强化相    快速成形    颗粒增强    
Development and application of heat-resistant Al alloy
SUN Deqin1,2 , CHEN Huijun1 , WEN Qingcao1 , WANG Ye1     
1. School of Chemical & Materials Engineering, Changshu Institute of Technology, Changshu 215500, China;
2. Jiangsu Key Laboratory of Recycling and Reuse Technology for Mechanical and Electronic Products, Changshu 215500, China
Abstract: The heat-resistant Al alloy has a good prospect for application, and progress has been made in alloy design and its fabricating technologies. The main technologies in improving the heat-resistant properties of Al alloy include adding alloy elements to precipitate stable strengthening phases with a high melting point from aluminum alloy and achieving the precipitates in dispersed distribution by solidification control, heat-treatment and other technological measures to stabilize the matrix and strengthen the grain boundary. Currently, the top priority is to lower the manufacturing cost.
Key words: heat-resistant Al alloy    dispersed strengthening phase    rapid cooling    particle reinforcement    

铝合金具有良好的比强度,在航天器制造、机械装备、交通等领域具有广泛的应用.随着绿色环保与循环经济的发展要求越来越高,特殊性能的铝合金需求越来越旺盛.如耐热铝合金,即要求在高温下有足够的抗氧化性以及抗蠕变能力等,在兵器、船舶、航空、航天、汽车等行业中具有广泛的需求.但传统的铝合金材料难以满足这些领域内耐高温、高比强等苛刻要求,如发动机上的活塞、缸套等零部件,均要长期服役在350~400 ℃的高温条件并承受着足够的载荷以及热疲劳的作用[1].因此,开发符合高温服役条件的耐热铝合金具有良好的发展前景,近年来Al-Fe、Al-Cr、Al-Ti等一系列耐热铝合金应运而生.

1 耐热铝合金的形成机理分析

对于耐热铝合金而言,其核心目标是保持良好的高温强度.但在一定的温度下,铝合金基体将发生软化,而且晶粒有持续长大的趋势,导致材料的力学性能下降[2].目前,针对耐热铝合金的材料制备与工艺技术的研究主要集中在以下4个方面:

1) 通过合金化处理使合金的再结晶温度有所提高,稳定基体组织形态,可提高基体的热强性;合金元素的多元加入增加了晶格结构中的点缺陷,为高温状态下的原子迁移过程设置了障碍,使固溶强化的效果得以维持,有利于铝合金在高温下保持稳定的性能[3].

2) 通过优化合金成分、热处理工艺和控制凝固等手段,形成热稳定性好的弥散析出相等,使其弥散分布于铝合金基体中并产生钉扎作用,阻碍晶界滑移和位错运动,以提高基体组织的稳定性.如添加Ti、Zr、V、Sc等元素并控制其析出形态,可以形成弥散的Al3M型强化相,这些强化相与基体有共格关系,能有效起到稳定亚结构、阻止晶界滑移以及抑制基体再结晶的作用[4].第二相粒子的熔点越高,颗粒细小且分散均匀分布,其强化效果越好[5].但第二相过多时,容易发生偏聚而使合金变脆.

3) 借鉴铝基复合材料的工艺方法,在铝合金中添加热稳定性好的金属陶瓷强化颗粒或纤维增强材料等并使其弥散分布于铝基体中,钉扎组织、阻止基体内位错运动等,提高材料的热稳定性.这些添加的强化相其体积分数越大、半径越小对合金的强化效果越好.但是高温下,这些弥散相容易粗化,导致材料的性能下降[6].

4) 通过合金化处理,如化学活性较强的稀土元素,在晶界处形成强化质点,提高晶界强度及其热力学稳定性,同时可有效阻止晶界处原子的扩散,改善合金的高温性能[7].

2 耐热铝合金的研究与开发现状

耐热铝合金的发展主要包括2种途径,一种是在现有铝合金材料的基础上通过进一步的合金化处理,增加弥散第二相的数量并改善其分布形态等,达到强化基体、提高再结晶温度的作用,从而提高材料的热强性;第2种手段是开发新的合金系列.

2.1 现有铝合金材料的改进技术

目前主要是针对传统的铸造耐热铝合金Al-Si系和Al-Cu系开展了一系列的研究与开发.

Al-Si系铸造耐热铝合金主要用于制造车辆发动机零部件.为提高其热强性,经常采用的工艺方法是添加Cu、Ni、Mn、RE等元素进行合金化处理以提高其高温强度.如汽车发动机的活塞用铝合金是以Cu、Mg、Ni等元素合金化处理为主,形成了Al-Si-Cu-Mg-Ni系列耐热铝合金,应用较为广泛的有美国的SAE390合金、德国的Mahle124合金等.德国PEAK Werkstoff公司在AlSi25Mg合金中加入Fe、Cu、Ni等元素开发了ZLB系列铝合金,在200 ℃高温时的抗拉强度超过了300 MPa[8].

Al-Cu系耐热合金一般用于体积较小、形状简单的耐热铸件.目前在铸造耐热Al-Cu系合金的研究中,国内外学者大都采用合金化处理的方法,以期析出数量更多的、颗粒细小的耐热强化相,并能有效抑制其长大倾向.在Al-Cu系列合金中加入Zr、RE(如Sc、Er、La等)等元素有利于促进强化相Al2Cu相的析出并细化其尺寸,并可以产生具有共格特征的耐热析出相.如添加微量的Sc元素,可在Al基合金中析出共格的Al3Sc相,它能有效起到钉扎位错、强化晶界,稳定微观组织形态等作用[9];Zr元素加入后可与Al形成细小弥散的耐热相Al3Zr,有效阻碍再结晶和晶粒长大[10];Er元素加入后同样可与Al相互作用,形成与基体具有共格结构的Al3Er相,该相可以细化合金的铸态组织,提高合金的热稳定性及其硬度和强度[11];Al-Cu中添加La明显增加Al2Cu相的数目并降低其尺寸,提高时效强化效果,同时析出Al11La3相,有利于钉扎位错和强化晶界,高温蠕变性可提高3~5倍[12].

变形耐热铝合金主要有Al-Cu-Mn系列和Al-Cu-Mg-Fe-Ni系列. Al-Cu-Mn系耐热铝合金应用较早,可在150~250 ℃下使用. Hiroki Adachi等用快速凝固制粉并热压成形制备的AlCuMgMnZn合金经T4(固溶处理加自然时效)处理后,Ω强化相(Al78.8Mn12Cu8Zn1.2)的颗粒呈亚微米级并弥散分布,耐热性能明显提高,250 ℃条件下其抗拉强度达到了319 MPa,屈服强度也达到了266 MPa [13],并且具有良好的塑性.

Al-Cu-Mg-Ag系合金是研究较为广泛的耐热合金,可在200~250 ℃温度下长期使用.近年来,国内外研究者先后在2014、2219等合金的基础上添加Ag、RE等元素进行合金化处理,可改善合金的时效析出行为,能够促进Al2Cu相以及Ω耐热强化相的析出,合金在300 ℃时的高温抗拉强度达到228 MPa,形成了新一代超音速飞机蒙皮用铝合金材料[1415];另外,在2000系列铝合金中添加Er、Ce、Zr、Sc等元素,也同样起到促进耐热强化相的析出以及晶粒细化等作用,明显提高了合金的耐热性,300 ℃条件下的抗拉强度最高可达290 MPa[16].

添加Fe和Ni元素也有利于提高Al-Cu-Mg系合金的耐热性能. Fe、Ni元素加入后可形成耐热相FeNiAl9相,以颗粒状分布在α(Al)固溶体内部以及晶粒边界上,在高温下对材料的变形起阻碍作用.另外,Al-Cu-Mg-Fe-Ni系耐热铝合金中的主要强化相为S(CuMgAl2)相,它在高温下非常稳定,使合金具有较好的耐热性,被广泛用于制备航空发动机等零部件.但Al-Cu-Mg-Fe-Ni系合金中易产生针状和片状的粗大FeNiAl9相,而且Fe、Ni含量及其相对比例也会影响合金的主要耐热相S相的数量与分布[17].

2.2 新型耐热铝合金

新型耐热铝合金的研究主要为Al-Fe、Al-Cr、Al-Ti 3个系列,在这些合金系列中通过添加V、Mn、Nb、W、Zr、Mo、Ce等合金化元素,采用快速凝固的方式在铝合金中形成过饱和固溶体,然后再通过时效处理而析出细小弥散的耐热强化相,稳定基体与晶界,进一步提高合金的耐热性能.

Al-Fe-V-Si系列合金的出现对耐热铝合金的研究是有重要意义的,它由美国Allied Singnal公司研发成功.其耐热的机理为体心立方Al12(Fe, V)3Si相的析出,该相高温下呈现出良好的化学稳定性,并呈弥散分布状态,能有效阻碍位错运动,提高合金的高温性能.研究表明,当Fe/V比介于5~10之间时,Al12(Fe, V)3Si等强化相的颗粒粗化可得到有效遏制,因此耐热性能更加稳定;以此为基础,开发成功了Al5.5Fe0.6V1.1Si(FVS0611)、Al8.5Fe1.3V1.7Si(FVS0812)、Al11.5Fe1.4V2.3Si(FVS1212)等系列合金,有望取代传统上在300~400 ℃耐热合金中占统治地位的钛合金[18].

3 制备耐热铝合金工艺技术的研究与开发

耐热铝合金研究的另一技术领域就是合金的制备工艺及其控制,主要包括以下几方面.

3.1 合金化处理与陶瓷相增强工艺

采用合金化处理依旧是新材料开发的重要手段.日本线缆材料工作者就利用微量的锆元素可以提高铝材耐热性能的研究成果,于20世纪60年代开发了电导率为58 %IACS的铝锆合金耐热导线;在此基础又再次添加合金元素Li或B,并通过凝固组织控制、拉拔工艺优化以及时效热处理等手段可使导线在保证耐热性能的基础上,电导率提高至61 %IASC[19].但由于制备过程中的工艺条件要求苛刻,该耐热铝合金绞线仍处于研究与开发阶段.

稀土元素的合金化机理也是耐热铝合金的研究热点之一.研究发现在Al-Fe-V-Si系列合金中Er元素的加入可有效防止Al12(Fe, V)3Si耐热强化相的粗化,而Be元素的作用主要体现在可以抑制针状相Al13Fe4的形成,遏制了其割裂基体等有害作用[20];最新研究中,Ni等元素在提高铝合金的耐热性能方面也起到较为明显的作用,如Ni元素在Al-Si-Cu-Mg系合金中可形成Al3Ni、Al3CuNi、Al7Cu4Ni等富Ni强化相,有助于提高合金的热稳定性[21];在Al-Cu合金中加入Li元素也可有效提高合金的高温强度,Al-Cu-Li合金的200 ℃时抗拉强度为506 MPa,优于传统高温用铝合金[22].

在传统的Al-Si合金基础上,采用SiC和MoS2等进行增强,耐热性能可以获得显著的提高,如美国航空航天局(NASA)研制的MSFC-398,315 ℃时仍可以维持187 MPa的抗拉强度[23].对于新兴耐热铝合金Al-Fe-V-Si,采用复合工艺引入高熔点颗粒增强体或晶须等,可使耐热性能得以进一步提高. ①TiC颗粒是常用的耐热增强体,具有高硬度、高熔点等特点;在喷射沉积Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si(FVS0812)合金的过程中加入3 %(指质量分数)的TiC颗粒,不仅对基体有弥散强化作用,而且可明显抑制粗大相α-AlFeSi相形成,有助于提高高温性能,其高温抗拉强度(350 ℃)则可以提高到224 MPa[24];②SiC颗粒也是常用的复合增强体,具有高强度、高硬度、化学稳定性好等特点.研究发现,SiC粒子的加入可以向基体中析出游离态Si而抑制了Al12(Fe, V)3Si相的粗化与分解,但可抑制针状相Al13Fe4的生成,经过SiCp晶须增强的FVS0812合金高温抗拉强度(315 ℃)达到228 MPa[25].

3.2 凝固控制技术

目前主要是采取提高冷却速度的工艺方法,有效控制主要强化相的长大、偏聚等情况,使强化相能够颗粒细小且弥散分布,并且体积分数高,有效提高材料的高温性能.如已经获得应用的高铁钒硅系耐热铝合金就是采用了快速凝固制粉与粉末冶金相结合的工艺方法(RS/PM)制备而成,其熔体凝固时的冷却速度达到103~105 s-1,基体的组织结构极度细化,晶粒尺寸处于亚微米量级;合金中的耐热强化相Al12(Fe, V)3Si体积分数达20 %~40 %,而且以纳米量级的颗粒尺寸弥散分布于基体中,这种优异的组织特征使合金具备了良好的热稳定性,已经应用于如直升机螺旋桨、发动机叶轮等热端部件及结构件[26].

目前采用的凝固控制工艺主要包括:

1) 雾化法.即在高速流动的流体介质(气体或液体)作用下合金的熔体被分割为细小的液流或液滴,在高速运动中被快速冷却凝固,或直接沉积于基板,或制粉后再通过粉末压制等工艺制备获得耐热铝合金坯料.采用高压水雾化法制备的Al-Fe-Ce系列耐热铝合金,其晶粒尺寸可控制在5~100 μm范围内,300 ℃时的抗拉强度可达270~300 MPa[27].

2) 平面流铸造法的工艺原理为:将熔融合金注入到高速旋转的辊面,通过单辊的旋转使合金液沿着单辊的表面被拉出,在单辊表面形成液膜,受到辊面的激冷作用而快速凝固(冷却速率超过105 ks-1),获得微晶或非晶合金.用该方法制备的FVS0812合金,其耐热强化相Al12(Fe, V)3Si相颗粒细小,仅在20~50 nm范围内,且呈球形并均匀分布.基体的晶粒尺寸约为5 μm左右,几乎没有其它杂质相析出,合金的性能非常优异[28].

3) 喷射沉积技术包括金属熔化、雾化和沉积3个工艺过程.首先将相应的原料配制后放入坩埚中并通过真空感应冶炼后形成一定温度的铝合金熔体,利用Osprey雾化装置将合金雾化成极度细化的固液两相颗粒喷射流,直接喷到金属基底而沉积,在金属基底的强制冷却下凝固成形为致密坯锭,再经过变形加工等方式得到所需产品.喷射成形的Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si(8009)耐热铝合金,其第二相是球状的Al12(Fe, V)3Si相,这些相尺寸细小,弥散分布在铝基体上;在挤压成形后仍维持弥散分布状态,250 ℃时的抗拉强度为221 MPa,屈服强度为208 MPa[29].

4) 多层喷射沉积技术.多层喷射沉积技术的出现是基于常规喷射沉积工艺的沉积量有限,无法获得大尺寸坯料.多层喷射沉积技术的创新之处在于采用了往复沉积的工艺以增强冷却效果,将雾化的金属细滴往复来回在基板上沉积,使沉积液滴的热量散失能力得以提高,可实现多层沉积,解决了制备厚大坯料时组织易恶化的问题, 并有利于改善增强相的分布形态及其与基体的结合强度[30].

3.3 材料的热处理

在Al-Cu-Mg-Ag合金中添加Zr元素可提高其热稳定性,但由于其合金结晶间隔宽,凝固时容易产生枝晶偏析等造成晶内化学成分和组织的不均匀性;先对合金进行420 ℃×6 h预处理,使强化相Al3Zr固溶于铝基体中,然后对坯料进行均匀化处理,使Al3Zr相弥散析出,其在高温状态下强化晶界以及防止晶粒长大的作用得以发挥出来,因而获得了良好的热稳定性[31].与常规方法制备的其他2000系合金相比,该合金显示出更高的强度和良好的塑性.

室温条件下Fe在Al中的固溶度只有0.02 %,所以Fe含量较高时,便会在铝合金中形成粗大的针状或片状富Fe脆性相,显著降低铝合金的力学性能.这也是造成Al-Fe系合金至今仍未能广泛应用的瓶颈,特别是铸造Al-Fe合金.而通过对Al-5Fe进行时效处理,可以使强化相Al3Fe以及与Mn、Cu、Mg、Si等原子化合形成的沉淀强化相等颗粒得到细化,使弥散第二相的钉扎作用更大,因此可以提高其高温性能[32].

汽车和摩托车等中的活塞大都采用过共晶Al-Si合金,但其问题在于铸造过程中容易产生粗大初晶硅以及片状富Fe相.采用Ce等稀土元素对过共晶Al-Si合金进行变质处理,可以细化硅相,并可改善富铁相形态.对Al-21Si-1.5Cu-1.5Ni-2.5Fe-0.5Mg合金进行P+Sr+Ce复合变质可一次细化初晶硅与共晶硅,使粗大针状富铁相Al9FeSi3消失, 生成鱼骨状富铈富铁过剩相Al8CeFe4.显著提高了高温强度,300 ℃的瞬时抗拉强度达到124 MPa[33].

3.4 利用废铝再生制备耐热铝合金的可行性

废铝再生是绿色循环经济发展的重要组成部分.与原铝生产相比,废铝再生利用可大量节省水电等能源,可有效降低铝合金制品的制造成本;同时可以大大减少废气、污水等的排放,有利于降低环境的污染,具有良好的社会效益和经济效益.

利用废铝再生制备耐热铝合金的可行性在于:①废铝原料中多含有一定量的Fe、Cu等元素,再辅之于合理的合金化,有利于耐热强化相的析出;②尽管废铝再生原料中的化学成分较为复杂,但在压铸等工艺条件下,铝合金制品中可以允许Fe的含量达到1 %以上,而且其富Fe相的颗粒大小、形状及分布形态得到有效控制[34];③在废铝再生高Fe含量铝合金制品工艺过程中,采用有效的变质处理可以改善富Fe相的析出形态[35];④将废铝再生与凝固控制、颗粒或晶须增强等技术有效结合起来,实现内生耐热强化相与外加增强相的叠加作用,可以用来制备性能优异的耐热铝合金,其制备成本将有所下降.

4 结束语

耐热铝合金具有广阔的应用前景.但限于对其研究起步较晚,在材料的种类、品质以及工艺技术方面仍存在较多的技术问题需要去开发与研究.随着耐热铝合金在航空航天、交通等工业领域发挥着越来越重要的作用,因此耐热铝合金的开发与应用必将引起足够的重视,其研究与开发应重点集中于以下几个方面:

1) 重视耐热铝合金的机理研究,探讨合金化元素的加入对耐热相形成的数量、大小、分布等影响的相关规律,不断丰富耐热铝合金的种类.

2) 加强制备工艺的创新和工艺制度优化,使合金的凝固控制更加简易方便,降低其制造成本;同时开发应用先进生产技术,提高大规格耐热铝合金的制备能力.

3) 研究通过添加增强相获得良好性能耐热铝合金的工艺方法,丰富耐热铝合金的制备方法.

4) 研究与开发将废铝再生、变质处理、快速凝固以及颗粒或晶须增强等技术的有机结合,降低耐热铝合金的制造成本.

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