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，并且得到實際應(yīng)用。2耐熱鋁合金的發(fā)展傳統(tǒng)的高強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數(shù)大于2%的合金元素，通過時效過程中金屬間化合物的析出使合金達到強化。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，為了滿足先進戰(zhàn)斗機對材料的需求，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。要達到這個要求，加入的合金元素應(yīng)該在液態(tài)時固溶度高，固態(tài)時幾乎不固溶并有較低的擴散系數(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%原子分數(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)定要求達到的指標。經(jīng)過大量的前期研究工作，認為耐熱鋁合金以含F(xiàn)e的合金系性能較好，所以最終選擇了Al-Fe-X(Co、Ni、Ce)合金系進行進一步深入研究，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的坩堝進行熔煉時，SiO2被還原成Si進入了鋁液。Si進入鋁合金后，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?shù)腇e/V比例時，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?，Alcan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，并保持高的固溶強化效果。而加入Zr后，在高溫還會產(chǎn)生時效硬化現(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，還需要進行后續(xù)的熱處理，以達到最佳力學(xué)性能。總之，近十幾年來，對耐熱鋁合金進行了大量的研究，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，嚴重割裂了基體的連續(xù)性，使合金強度低、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)榧毜容S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，Al3Fe由粗大的棒狀轉(zhuǎn)變?yōu)榧毿〉陌魻?，再轉(zhuǎn)變成菊花狀，進一步增加冷卻速度，Al3Fe變得非常細小，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數(shù)和大小。當合金中鐵

9、含量由2%增加到10%時，彌散相體積分數(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，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，且彌散相體積分數(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數(shù)，進而影響合金性能。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，彌散相體積分數(shù)增高，合金的拉伸強度增加。但是，鐵含量增加到8%后，鐵含量再增加，強度增加緩慢，而延伸率卻顯著下降。合金的高溫強度取決于彌散相的熱穩(wěn)定性，在低于300熱暴露時，由于

10、彌散相變化很小，因而強度變化也不大；但在300以上熱暴露時，彌散相(主要是Al3Fe)有粗化的趨勢，強度開始下降，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散速度，而且能形成高體積分數(shù)的二元和三元金屬間化合物,起彌散強化作用。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。當對擠壓態(tài)合金進行熱處理時，亞穩(wěn)相分解轉(zhuǎn)化。分解開始溫度約300，在400下長時間受熱亞穩(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合金的性能進行了研究，結(jié)果表明：該合金常溫拉伸和屈服強度均高達500MPa以上，在低于300受熱后，室溫下測得的強度基本不變，顯示了較高的熱穩(wěn)定性。高于300時，強度開始下降，但仍保持較高的水平。如300熱暴露100h后，室溫下測得的強度仍在300MPa以上。合金受熱強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，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，室溫抗拉強度375MPa，300時的抗拉強度仍保持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，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下的拉伸強度分別高達470MPa和320MPa，屈服強度也在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21MPa.m1/2，徑向值略低些。K1c值隨著溫度的升高而降低，316時僅是25時的一半。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，擴展過程中常遇到細彌散相及變形亞結(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數(shù)約占17%左右，金屬間化合物尺寸在0.11m之間。此合金的常溫強度和高溫強度較高，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相體積分數(shù)較高，且多在熱

17、擠壓過程中形成。該合金性能特點是，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，使合金強度提高。屈服強度高達650MPa，極限抗拉強度高達730MPa；300時的高溫強度也比快凝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，即冷卻速度越高，Al13Cr2越細小，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，沉淀強化效果較好，導(dǎo)致該合金具有高的常溫和高溫強度及韌性。采用多級霧化熱擠壓工藝制備的Al-6.8Fe-3.75Cr-1.52Zr合金常溫拉伸強度達465MPa，伸長率5.0%，而400時的強度仍保持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，又是剪切時的穩(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時極限抗拉強度仍高達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，加速含鋰相的時效。這類合金常溫強度和韌性均較低，但在高溫時卻保持較高的性能。例如：250時仍保持常溫85%90%的模量和強度。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展，快凝耐熱鋁合金的某些性能已相當或超過了部分鈦合金的。例如：Al-Fe-Zr-V的比強度與Ti-6Al-4V相