耐熱鋁合金的發(fā)展及應(yīng)用

1、耐熱鋁合金的研究發(fā)展及應(yīng)用1前言為了能在150350溫度范圍內(nèi)用低密度、低價(jià)格的鋁合金代替鈦合金,在過去的二十年內(nèi)，快速凝固耐熱鋁合金受到廣泛重視。該領(lǐng)域的研究發(fā)展很快，相繼開發(fā)了以Al-Fe、Al-Cr為基的一系列耐熱鋁合金，并且得到實(shí)際應(yīng)用。2耐熱鋁合金的發(fā)展傳統(tǒng)的高強(qiáng)鋁合金主要是亞共晶成分的合金，含有在端際固溶體中固溶度原子分?jǐn)?shù)大于2%的合金元素，通過時(shí)效過程中金屬間化合物的析出使合金達(dá)到強(qiáng)化。但在150以上的環(huán)境溫度下，這些析出相以很快的速度粗化，材料性能急劇下降，限制了使用范圍。七十年代后期，為了滿足先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)對材料的需求，美國空軍把注意力集中于開發(fā)在350溫度以下能取代鈦合金的鋁合

2、金，并資助了一些研究項(xiàng)目，耐熱鋁合金的研究開始受到重視。要提高鋁合金的耐熱性能，必須在合金中形成大量彌散分布且具有熱穩(wěn)定性的析出相。要達(dá)到這個要求，加入的合金元素應(yīng)該在液態(tài)時(shí)固溶度高，固態(tài)時(shí)幾乎不固溶并有較低的擴(kuò)散系數(shù)，滿足這個要求的是大部分過渡族金屬元素和鑭系元素(表1)。采用快速凝固技術(shù)可以提高這些元素在鋁中的極限固溶度，在合金中形成足夠數(shù)量的彌散粒子，耐熱鋁合金就是在鋁合金中加入一定量這些元素的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。表1合金元素在鋁合金中的固溶度和擴(kuò)散速度2.1 Al-Fe-Ce合金美國鋁公司(Alcoa)根據(jù)合金元素的作用和資源、價(jià)格等方面的因素，選擇鋁和Cr、Mn、Fe、Ni、Co及Ce

3、六種元素組成的六個二元系和十五個三元系進(jìn)行了系統(tǒng)研究，每種合金中溶質(zhì)元素加入總量為5%原子分?jǐn)?shù)。研究發(fā)現(xiàn)，幾乎所有的合金都表現(xiàn)出較好的熱穩(wěn)定性，而且三元系的性能優(yōu)于二元系。經(jīng)過數(shù)次對合金成分和合金元素含量的優(yōu)化后發(fā)現(xiàn)，Al-Fe-Co和Al-FeCe合金的性能超過了預(yù)定要求達(dá)到的指標(biāo)。經(jīng)過大量的前期研究工作，認(rèn)為耐熱鋁合金以含F(xiàn)e的合金系性能較好，所以最終選擇了Al-Fe-X(Co、Ni、Ce)合金系進(jìn)行進(jìn)一步深入研究，最后合金成分確定為Al-8Fe-4Ce，并發(fā)展成為實(shí)用化的耐熱鋁合金。2.2 Al-Fe-V-Si合金由于Fe和V在鋁中的溶解度低，擴(kuò)散系數(shù)小，所以美國聯(lián)合信號公司(Allie

4、d Signal)選擇Al-Fe-V合金進(jìn)行研究。在研究過程中，發(fā)現(xiàn)其中某個爐次合金的耐熱性明顯好于其它爐次，進(jìn)一步的分析發(fā)現(xiàn)，該合金中的硅含量比其它合金明顯高。對合金的熔煉過程分析，在使用含SiO2的坩堝進(jìn)行熔煉時(shí)，SiO2被還原成Si進(jìn)入了鋁液。Si進(jìn)入鋁合金后，形成了Al13(Fe,V)3Si，而Al-Fe-V三元系的其它合金中卻沒有這種析出物。對該析出物的研究發(fā)現(xiàn)，它和基體之間有特定的位向關(guān)系，并且在適當(dāng)?shù)腇e/V比例時(shí)，析出相和基體之間有很好的晶格匹配，兩相之間的界面能較低，高溫下的粗化速度較Al-Fe-V系的其它析出物緩慢，使合金的耐熱性得到提高。在此基礎(chǔ)上發(fā)展了Al-Fe-V-S

5、i系列的耐熱鋁合金,成功地應(yīng)用于航空、航天及汽車零件。2.3 Al-Cr-Zr合金早期由Elagin和Federov對低濃度Al-Cr-Zr合金進(jìn)行的研究雖然不多，但表明了該合金作為耐熱鋁合金的發(fā)展?jié)摿Γ珹lcan和Sheffiled大學(xué)在較寬的合金成分范圍內(nèi)對Cr和Zr加入后的熱穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)含Cr的合金在直到450的溫度都具有阻止溶質(zhì)聚集和析出相粗化的能力，并保持高的固溶強(qiáng)化效果。而加入Zr后，在高溫還會產(chǎn)生時(shí)效硬化現(xiàn)象。在這些早期工作的基礎(chǔ)上，得到含4%4.5%Cr和1.5%2.5%Zr的合金具有良好的熱穩(wěn)定性。如果在合金中再加入少量的Mn，其耐熱性可以進(jìn)一步提高。與Al-Fe系

6、耐熱鋁合金的不同之處在于，Al-Cr系耐熱鋁合金在固結(jié)成形后，還需要進(jìn)行后續(xù)的熱處理，以達(dá)到最佳力學(xué)性能?？傊?，近十幾年來，對耐熱鋁合金進(jìn)行了大量的研究，相繼開發(fā)了一系列快速凝固耐熱鋁合金。除上述合金外,主要的還有Pratt&Whitney開發(fā)的Al-Fe-Mo-V合金，Pechiney開發(fā)的Al-Fe-Mo-Zr合金和Sumitomo開發(fā)的Al-Fe-V-Mo-Zr合金。這類合金主要以Al-Fe和Al-Cr為基礎(chǔ)，添加表1所列的過渡族金屬元素和鑭系元素，形成以下幾種三元、四元和多元合金：(1)Al-Fe-X，X代表鋁中共晶形成元素Ce、Ni等；(2)Al-Fe-Y(-Y)，三元或四元

7、，Y代表鋁中包晶形成元素Mo、V、Zr、Ti等；(3)Al-Fe-Si-Y，Y同樣代表鋁中包晶形成元素；(4)Al-Cr-Zr-Mn合金。3快速凝固耐熱鋁合金的組織及性能3.1 Al-Fe二元快凝耐熱鋁合金的組織和性能Al-Fe二元合金在平衡條件下,由-Al和Al3Fe組成。由于Al3Fe是硬脆相且以粗大針狀出現(xiàn)在-Al基體上，嚴(yán)重割裂了基體的連續(xù)性，使合金強(qiáng)度低、韌性差。而快凝技術(shù)可改變鐵在-Al中的固溶度及Al3Fe的形態(tài)和分布，并使Al3Fe成為合金的彌散強(qiáng)化相，使合金獲得意想不到的高耐熱性。Al-Fe合金的組織受冷卻速度的影響，冷卻速度不同,其組織形態(tài)也不同。例如：用氣體霧化的Al-8

8、Fe合金粉末，不同尺寸的顆粒，可能出現(xiàn)5種不同的微觀組織，即顯微-Al，胞狀-Al，-Al+Al6Fe，共晶組織以及Al3Fe初生相。而用熔體旋鑄法制得的Al-Fe合金，條帶由薄變厚，其組織形態(tài)由微晶變?yōu)榧?xì)等軸晶、菊花狀及放射狀枝晶。合金中的Al3Fe形態(tài)和分布也受冷卻速度的影響。冷卻速度增加時(shí)，Al3Fe由粗大的棒狀轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的棒狀，再轉(zhuǎn)變成菊花狀，進(jìn)一步增加冷卻速度，Al3Fe變得非常細(xì)小，甚至出現(xiàn)“光學(xué)無特性”組織。提高冷卻速度，合金中的第二相不僅僅是平衡相Al3Fe，同時(shí)還有亞穩(wěn)相Al6Fe及AlmFe(m=4.4)。Al-Fe二元合金的性能主要取決于彌散相的體積分?jǐn)?shù)和大小。當(dāng)合金中鐵

9、含量由2%增加到10%時(shí)，彌散相體積分?jǐn)?shù)由7%增加到18%，彌散相直徑由0.13m僅增加到0.21m。這種彌散相的熱穩(wěn)定性較好，加熱溫度低于300時(shí)，尺寸變化不大。含鐵8%的合金，500下加熱100h后，彌散相也僅由原來的0.21m長大到0.32m，且彌散相體積分?jǐn)?shù)不受加熱溫度的影響。合金中鐵元素含量決定彌散相體積分?jǐn)?shù)，進(jìn)而影響合金性能。對氣體霧化Al-(210)Fe粉末熱擠壓后的性能研究表明：隨著合金中鐵含量的增加，彌散相體積分?jǐn)?shù)增高，合金的拉伸強(qiáng)度增加。但是，鐵含量增加到8%后，鐵含量再增加，強(qiáng)度增加緩慢，而延伸率卻顯著下降。合金的高溫強(qiáng)度取決于彌散相的熱穩(wěn)定性，在低于300熱暴露時(shí)，由于

10、彌散相變化很小，因而強(qiáng)度變化也不大；但在300以上熱暴露時(shí)，彌散相(主要是Al3Fe)有粗化的趨勢，強(qiáng)度開始下降，但合金的延伸率隨溫度的升高而增大。Al-Fe二元合金的其他主要性能特點(diǎn)還有：在均衡密度差的情況下，合金較小變形量的抗力(0.1%蠕變強(qiáng)度)較高，可與鈦合金相比美；在100和某一給定應(yīng)力下，該合金的蠕變抗力較傳統(tǒng)鋁合金也有顯著的改善。3.2 Al-Fe-Ce快凝耐熱鋁合金的組織及性能Ce是鑭系元素，在鋁基體中有小的溶解度和低擴(kuò)散速度，而且能形成高體積分?jǐn)?shù)的二元和三元金屬間化合物,起彌散強(qiáng)化作用。這些金屬間化合物一部分是熱處理發(fā)生轉(zhuǎn)變形成的亞穩(wěn)相，其他是穩(wěn)定相。因此，此類合金具有較高的

11、強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性。Al-Fe-Ce合金的平衡相有：二元相Al3Fe4,Al6Fe和Al4Ce，三元相Al13Fe3Ce,Al10Fe2Ce和Al20Fe5Ce。Al6Fe,Al10Fe2Ce和Al20Fe5Ce并非是平衡相。Raghavan等對氣體霧化擠壓后的Al-8.8Fe-3.7Ce合金的組織進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：合金中的金屬間化合物有球狀亞穩(wěn)相Al6Fe，棒狀亞穩(wěn)相Al20Fe5Ce(主要彌散相)，等軸型亞穩(wěn)相Al10Fe2Ce(主要沉淀相)，以及平衡相Al13Fe4Ce和Al13Fe3Ce。當(dāng)對擠壓態(tài)合金進(jìn)行熱處理時(shí)，亞穩(wěn)相分解轉(zhuǎn)化。分解開始溫度約300，在400下長時(shí)間受熱亞穩(wěn)相基本轉(zhuǎn)

12、變?yōu)橄鄳?yīng)的平衡相，其中Al6Fe轉(zhuǎn)變成Al3Fe4,Al10Fe2Ce和Al20Fe5Ce轉(zhuǎn)變成Al13Fe3Ce。對氣體霧化Al-8.32Fe-3.4Ce合金的性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：該合金常溫拉伸和屈服強(qiáng)度均高達(dá)500MPa以上，在低于300受熱后，室溫下測得的強(qiáng)度基本不變，顯示了較高的熱穩(wěn)定性。高于300時(shí)，強(qiáng)度開始下降，但仍保持較高的水平。如300熱暴露100h后，室溫下測得的強(qiáng)度仍在300MPa以上。合金受熱強(qiáng)度下降的原因有兩方面：一是亞穩(wěn)相轉(zhuǎn)變成平衡相，彌散強(qiáng)化作用減弱；二是晶粒長大和相粗化。在研究加入其他合金元素對Al-Fe-Ce合金組織和性能影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)鈦的加入有利于提高合金

13、的熱穩(wěn)定性，其原因是鈦可以阻塞合金元素的擴(kuò)散通道，起提高再結(jié)晶溫度的作用。例如，Al-8.9Fe-4.3Ce旋轉(zhuǎn)葉片法快凝合金加入1%的鈦后，室溫抗拉強(qiáng)度375MPa，300時(shí)的抗拉強(qiáng)度仍保持275MPa。此外，Al-Fe-Ce合金中加入Ni、Zr等合金元素后，均有利于提高合金的強(qiáng)度。3.3 Al-Fe-Si快凝耐熱鋁合金的組織及性能快凝Al-Fe-V-Si耐熱鋁合金最早由AlliedCorp公司開發(fā)，該合金是在Al-Fe-V基礎(chǔ)上引入了硅元素。合金中加入硅后，使原來針狀A(yù)l3Fe相變?yōu)榍蛐蜛l13(Fe,V)3Si相，這是該合金中唯一的彌散相。雖然Al13(Fe,V)4Si仍是一種亞穩(wěn)相，但

14、熱穩(wěn)定性極佳，在溫度高于500時(shí)仍保持亞穩(wěn)狀態(tài)。對采用平面流鑄法生產(chǎn)的Al-13.4Fe-0.85V-2.23Si合金條帶組織進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)Al13(Fe,V)4Si相沿晶成簇分布。由于彌散相沿晶分布，改變了合金再結(jié)晶溫度并抑制了晶粒的生長，使合金具有較高的熱穩(wěn)定性。其中合金元素釩能降低彌散相顆粒與基體間的界面能，減小顆粒粗化驅(qū)動力。合金在510受熱時(shí)，彌散相也沒有明顯粗化。Al-Fe-V-Si快凝鋁合金具有許多優(yōu)異的性能。例如：100和300下的拉伸強(qiáng)度分別高達(dá)470MPa和320MPa，屈服強(qiáng)度也在370MPa和300MPa以上。采用快凝/粉末冶金(RS/PM)法生產(chǎn)的該合金，斷裂時(shí)呈一

15、定的各向異性，這與原顆粒表面包覆的氧化物擠壓過程中被拉伸有關(guān)；但該合金的沖擊值較高，軸向K1c值，可高達(dá)21MPa.m1/2，徑向值略低些。K1c值隨著溫度的升高而降低，316時(shí)僅是25時(shí)的一半。William，Richard和Chan等把高溫韌性差的原因歸于斷口分層。Al-Fe-V-Si合金較其他成分的快凝耐熱鋁合金還具有高的疲勞強(qiáng)度和抗疲勞裂紋生長能力。研究表明：疲勞裂紋多在原顆粒界面或微孔上形核，擴(kuò)展過程中常遇到細(xì)彌散相及變形亞結(jié)構(gòu)的抑制，甚至裂紋能重新彌合，這是其疲勞強(qiáng)度高的原因。此外，該合金還具有較一般鑄造合金高的抗腐蝕能力。3.4 其他Al-Fe基耐熱鋁合金的組織及性能Al-Fe-

16、V-Mo是具有包晶反應(yīng)的快凝耐熱鋁合金，該合金中出現(xiàn)的金屬間化合物相有：AlFe(Mo,V),，Al6Fe和Al3Fe。Al-8Fe-2Mo-1V是其典型合金，該合金中彌散相體積分?jǐn)?shù)約占17%左右，金屬間化合物尺寸在0.11m之間。此合金的常溫強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度較高，見表1。表1部分快速凝固耐熱鋁合金的性能Al-Fe基耐熱鋁合金中加入鋯形成Al3M型沉淀相，這類沉淀相與-Al基體間的界面能較小，因而，鋯元素加入不僅可以減小沉淀相的析出速率，還可以降低粗化速度，增加了合金的熱穩(wěn)定性。Al-Fe-V-Zr合金中的相有胞狀S相，Al3Fe，Al3Zr及Al6Fe相，其中Al3Zr相體積分?jǐn)?shù)較高，且多在熱

17、擠壓過程中形成。該合金性能特點(diǎn)是，附帶的耐蝕性特別好，其原因是化學(xué)成分和顯微結(jié)構(gòu)細(xì)化兩者的綜合作用結(jié)果。Al-Fe-Mo-Zr合金中的鉬存在形式比較復(fù)雜，尚難準(zhǔn)確確定，但衍射證明鉬均勻分布于粉末中。此類合金中由于鉬固溶改變了晶格常數(shù)，且在后續(xù)的熱處理過程中形成大量的Al3Zr相，使合金強(qiáng)度提高。屈服強(qiáng)度高達(dá)650MPa，極限抗拉強(qiáng)度高達(dá)730MPa；300時(shí)的高溫強(qiáng)度也比快凝Al-Fe-V-Si合金高。Al-Fe-Cr-Zr霧化合金存在Al13Cr2，Al3Zr，Al3(Fe、Cr)及Al31Fe4金屬間化合物相，合金粉末越細(xì)，即冷卻速度越高，Al13Cr2越細(xì)小，平衡相Al13Fe43越少。

18、其中Al3Cr2，Al3Zr和Al3(Fe、Cr)相具有良好的熱穩(wěn)定性和抗粗化能力，而Al3Zr相與基體存在共格關(guān)系，沉淀強(qiáng)化效果較好，導(dǎo)致該合金具有高的常溫和高溫強(qiáng)度及韌性。采用多級霧化熱擠壓工藝制備的Al-6.8Fe-3.75Cr-1.52Zr合金常溫拉伸強(qiáng)度達(dá)465MPa，伸長率5.0%，而400時(shí)的強(qiáng)度仍保持108MPa，伸長率升到9.3%?？炷鼳l-Fe-Ni系耐熱合金，由于存在以Al(FeNi)2為基的三元相，可有效地增加合金的模量，同時(shí)，又是剪切時(shí)的穩(wěn)定相，再加上相與-Al基體具有良好的取向關(guān)系，使合金強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性顯著增加。Al-Fe-Ni合金中加入少量Mo、Cr后，合金中出現(xiàn)

19、AlxMo(x表示制造條件不同，化合物的原子組成比不同)等相，合金在480時(shí)極限抗拉強(qiáng)度仍高達(dá)490MPa，沖擊值K1c也保持在12MPa.m1/2左右。Al-Li-Mn-Zr霧化及噴射沉積合金中存在第二相：Al6Mn，Al4Mn，Al3Zr，Al3Li和AlLi，其中錳和鋯彌散相抑制了再結(jié)晶和晶粒長大，加速含鋰相的時(shí)效。這類合金常溫強(qiáng)度和韌性均較低，但在高溫時(shí)卻保持較高的性能。例如：250時(shí)仍保持常溫85%90%的模量和強(qiáng)度。4快凝耐熱鋁合金的應(yīng)用及存在的問題開發(fā)快凝耐熱鋁合金的最終目的是取代飛機(jī)零件中的鈦合金。近些年來的研究成果表明，這方面的工作已取得了很大進(jìn)展，快凝耐熱鋁合金的某些性能已相當(dāng)或超過了部分鈦合金的。例如：Al-Fe-Zr-V的比強(qiáng)度與Ti-6Al-4V相