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 150 350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(duì)材料的需求，美國(guó)空軍把注意力集中于開發(fā)在 350溫

2、度以下能取代鈦合金的鋁合金， 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(gè)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(gè)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(lái)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(guó)鋁公司 (Alcoa) 根據(jù)合金元素的作用和資源、價(jià)格等方面

3、的因素，選擇鋁和 Cr、Mn、Fe、Ni 、Co 及 Ce 六種元素組成的六個(gè)二元系和十五個(gè)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(duì)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 Fe 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

4、-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(guó)聯(lián)合信號(hào)公司 (Allied 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(gè)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(duì)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 Al 13(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(duì)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)?Fe/V 比例時(shí)，析出相和基體之間有很好的

5、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-Si 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(duì)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?Alcan 和 Sheffiled 大學(xué)在較寬的合金成分范圍內(nèi)對(duì) 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

6、Zr 后，在高溫還會(huì)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畮啄陙?lái)， 對(duì)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 Sumi

7、tomo 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， 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 Al 3 Fe 組成。由于 Al

8、3Fe 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-8Fe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Al 3Fe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Al 3Fe

9、形態(tài)和分布也受冷卻速度的影響。冷卻速度增加時(shí)， Al 3Fe 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， Al 3Fe 變得非常細(xì)小，甚至出現(xiàn)“光學(xué)無(wú)特性”組織。提高冷卻速度，合金中的第二相不僅僅是平衡相Al 3 Fe，同時(shí)還有亞穩(wěn)相Al 6 Fe 及Al mFe(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 0.13 m 僅增加到 0.21 m。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 100

10、h 后，彌散相也僅由原來(lái)的 0.21 m 長(zhǎng)大到 0.32 m，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(duì)氣體霧化Al-(2 10)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 Al 3Fe) 有粗化的趨勢(shì)，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

11、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強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性。Al-Fe-Ce合金的平衡相有：二元相Al 3Fe4,Al6Fe和Al 4Ce，三 元相Al 13Fe3Ce,Al 10Fe2

12、Ce 和 Al 20Fe5Ce。 Al 6Fe,Al 10Fe2Ce 和 Al 20Fe5Ce 并非是平衡相。Raghavan等對(duì)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Al 20Fe5Ce(主要彌散相) ，等軸型亞穩(wěn)相Al 10Fe2 Ce(主要沉淀相) ，以及平衡相Al 13Fe4Ce和Al 13Fe3Ce。當(dāng)對(duì)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(zhǎng)時(shí)間受熱亞穩(wěn)相基本轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的平衡相，其中Al 6Fe 轉(zhuǎn)變成 Al 3 Fe4,Al 10Fe2 Ce和 Al

13、20Fe5Ce 轉(zhuǎn)變成 Al 13Fe3Ce。對(duì)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(cè)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(cè)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(zhǎng)大和相粗化。在研究加入其他合金元素對(duì) 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的熱穩(wěn)定性， 其原因是鈦可以阻塞合金元素的

14、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(lái)針狀A(yù)l 3Fe 相變?yōu)榍蛐蜛l 13(Fe,V)3Si相，這是該合金中唯一的彌散相。雖然Al 13(Fe,V)4Si仍是一種亞穩(wěn)相，但熱穩(wěn)定性

15、極佳，在溫度高于500時(shí)仍保持亞穩(wěn)狀態(tài)。對(duì)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) Al 13(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(zhǎng)，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(dòng)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)

16、法生產(chǎn)的該合金， 斷裂時(shí)呈一定的各向異性， 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(zhǎng)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

17、腐蝕能力。3.4其他 Al-Fe 基耐熱鋁合金的組織及性能Al-Fe-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), ，Al 6Fe 和 Al 3Fe。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 0.1 1m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Al 3M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

18、-V-Zr 合金中的相有胞狀 S相， Al 3Fe， Al 3Zr 及 Al 6Fe 相，其中 Al 3Zr 相體積分?jǐn)?shù)較高，且多在熱擠壓過程中形成。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 Al 3Zr 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 A

19、lCr ， AlZr ，Al(Fe 、Cr) 及 Al31Fe 金屬間化132334合物相，合金粉末越細(xì)，即冷卻速度越高，AlCr越細(xì)小，平衡相AlFe 越少。1321343其中 Al 3Cr2，Al 3Zr 和 Al 3(Fe 、Cr) 相具有良好的熱穩(wěn)定性和抗粗化能力，而 Al 3Zr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(jí)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(zhǎng)率 5.0%，而 400時(shí)的強(qiáng)度仍保持 108MPa，伸長(zhǎng)率升到 9.3%?？炷?Al-Fe-Ni系耐熱合金，由

20、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) Al xMo(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：Al 6Mn，Al 4 Mn，Al 3Zr ，Al 3Li和 AlLi ，其中錳和鋯彌散相抑制了再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)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(lái)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-F