耐热铝合金的发展及应用

耐热铝合金的研究发展及应用1．前言为了能在150～350℃温度范围内用低密度、低价格的铝合金代替钛合金,在过去的二十年内，快速凝固耐热铝合金受到广泛重视。该领域的研究发展很快，相继开发了以Al-Fe、Al-Cr为基的一系列耐热铝合金，并且得到实际应用。2．耐热铝合金的发展传统的高强铝合金主要是亚共晶成分的合金，含有在端际固溶体中固溶度原子分数大于2%的合金元素，通过时效过程中金属间化合物的析出使合金达到强化。但在150℃以上的环境温度下，这些析出相以很快的速度粗化，材料性能急剧下降，限制了使用范围。七十年代后期，为了满足先进战斗机对材料的需求，美国空军把注意力集中于开发在350℃温度以下能取代钛合金的铝合金，并资助了一些研究项目，耐热铝合金的研究开始受到重视。要提高铝合金的耐热性能，必须在合金中形成大量弥散分布且具有热稳定性的析出相。要达到这个要求，加入的合金元素应该在液态时固溶度高，固态时几乎不固溶并有较低的扩散系数，满足这个要求的是大部分过渡族金属元素和镧系元素(表1)。采用快速凝固技术可以提高这些元素在铝中的极限固溶度，在合金中形成足够数量的弥散粒子，耐热铝合金就是在铝合金中加入一定量这些元素的基础上发展起来的。表1合金元素在铝合金中的固溶度和扩散速度2.1Al-Fe-Ce合金美国铝公司(Alcoa)根据合金元素的作用和资源、价格等方面的因素，选择铝和Cr、Mn、Fe、Ni、Co及Ce六种元素组成的六个二元系和十五个三元系进行了系统研究，每种合金中溶质元素加入总量为5%原子分数。研究发现，几乎所有的合金都表现出较好的热稳定性，而且三元系的性能优于二元系。经过数次对合金成分和合金元素含量的优化后发现，Al-Fe-Co和Al-FeCe合金的性能超过了预定要求达到的指标。经过大量的前期研究工作，认为耐热铝合金以含Fe的合金系性能较好，所以最终选择了Al-Fe-X(Co、Ni、Ce)合金系进行进一步深入研究，最后合金成分确定为Al-8Fe-4Ce，并发展成为实用化的耐热铝合金。2.2Al-Fe-V-Si合金由于Fe和V在铝中的溶解度低，扩散系数小，所以美国联合信号公司(AlliedSignal)选择Al-Fe-V合金进行研究。在研究过程中，发现其中某个炉次合金的耐热性明显好于其它炉次，进一步的分析发现，该合金中的硅含量比其它合金明显高。对合金的熔炼过程分析，在使用含SiO2的坩埚进行熔炼时，SiO2被还原成Si进入了铝液。Si进入铝合金后，形成了Al13(Fe,V)3Si，而Al-Fe-V三元系的其它合金中却没有这种析出物。对该析出物的研究发现，它和基体之间有特定的位向关系，并且在适当的Fe/V比例时，析出相和基体之间有很好的晶格匹配，两相之间的界面能较低，高温下的粗化速度较Al-Fe-V系的其它析出物缓慢，使合金的耐热性得到提高。在此基础上发展了Al-Fe-V-Si系列的耐热铝合金,成功地应用于航空、航天及汽车零件。2.3Al-Cr-Zr合金早期由Elagin和Federov对低浓度Al-Cr-Zr合金进行的研究虽然不多，但表明了该合金作为耐热铝合金的发展潜力，Alcan和Sheffiled大学在较宽的合金成分范围内对Cr和Zr加入后的热稳定性进行了研究，发现含Cr的合金在直到450℃的温度都具有阻止溶质聚集和析出相粗化的能力，并保持高的固溶强化效果。而加入Zr后，在高温还会产生时效硬化现象。在这些早期工作的基础上，得到含4%～4.5%Cr和1.5%～2.5%Zr的合金具有良好的热稳定性。如果在合金中再加入少量的Mn，其耐热性可以进一步提高。与Al-Fe系耐热铝合金的不同之处在于，Al-Cr系耐热铝合金在固结成形后，还需要进行后续的热处理，以达到最佳力学性能。总之，近十几年来，对耐热铝合金进行了大量的研究，相继开发了一系列快速凝固耐热铝合金。除上述合金外,主要的还有Pratt&Whitney开发的Al-Fe-Mo-V合金，Pechiney开发的Al-Fe-Mo-Zr合金和Sumitomo开发的Al-Fe-V-Mo-Zr合金。这类合金主要以Al-Fe和Al-Cr为基础，添加表1所列的过渡族金属元素和镧系元素，形成以下几种三元、四元和多元合金：(1)Al-Fe-X，X代表铝中共晶形成元素Ce、Ni等；(2)Al-Fe-Y(-Y)，三元或四元，Y代表铝中包晶形成元素Mo、V、Zr、Ti等；(3)Al-Fe-Si-Y，Y同样代表铝中包晶形成元素；(4)Al-Cr-Zr-Mn合金。3．快速凝固耐热铝合金的组织及性能3.1Al-Fe二元快凝耐热铝合金的组织和性能Al-Fe二元合金在平衡条件下,由α-Al和Al3Fe组成。由于Al3Fe是硬脆相且以粗大针状出现在α-Al基体上，严重割裂了基体的连续性，使合金强度低、韧性差。而快凝技术可改变铁在α-Al中的固溶度及Al3Fe的形态和分布，并使Al3Fe成为合金的弥散强化相，使合金获得意想不到的高耐热性。Al-Fe合金的组织受冷却速度的影响，冷却速度不同,其组织形态也不同。例如：用气体雾化的Al-8Fe合金粉末，不同尺寸的颗粒，可能出现5种不同的微观组织，即显微α-Al，胞状α-Al，α-Al+Al6Fe，共晶组织以及Al3Fe初生相。而用熔体旋铸法制得的Al-Fe合金，条带由薄变厚，其组织形态由微晶变为细等轴晶、菊花状及放射状枝晶。合金中的Al3Fe形态和分布也受冷却速度的影响。冷却速度增加时，Al3Fe由粗大的棒状转变为细小的棒状，再转变成菊花状，进一步增加冷却速度，Al3Fe变得非常细小，甚至出现“光学无特性”组织。提高冷却速度，合金中的第二相不仅仅是平衡相Al3Fe，同时还有亚稳相Al6Fe及AlmFe(m=4.4)。Al-Fe二元合金的性能主要取决于弥散相的体积分数和大小。当合金中铁含量由2%增加到10%时，弥散相体积分数由7%增加到18%，弥散相直径由0.13μm仅增加到0.21μm。这种弥散相的热稳定性较好，加热温度低于300℃时，尺寸变化不大。含铁8%的合金，500℃下加热100h后，弥散相也仅由原来的0.21μm长大到0.32μm，且弥散相体积分数不受加热温度的影响。合金中铁元素含量决定弥散相体积分数，进而影响合金性能。对气体雾化Al-(2～10)Fe粉末热挤压后的性能研究表明：随着合金中铁含量的增加，弥散相体积分数增高，合金的拉伸强度增加。但是，铁含量增加到8%后，铁含量再增加，强度增加缓慢，而延伸率却显著下降。合金的高温强度取决于弥散相的热稳定性，在低于300℃热暴露时，由于弥散相变化很小，因而强度变化也不大；但在300℃以上热暴露时，弥散相(主要是Al3Fe)有粗化的趋势，强度开始下降，但合金的延伸率随温度的升高而增大。Al-Fe二元合金的其他主要性能特点还有：在均衡密度差的情况下，合金较小变形量的抗力(0.1%蠕变强度)较高，可与钛合金相比美；在100℃和某一给定应力下，该合金的蠕变抗力较传统铝合金也有显著的改善。3.2Al-Fe-Ce快凝耐热铝合金的组织及性能Ce是镧系元素，在铝基体中有小的溶解度和低扩散速度，而且能形成高体积分数的二元和三元金属间化合物,起弥散强化作用。这些金属间化合物一部分是热处理发生转变形成的亚稳相，其他是稳定相。因此，此类合金具有较高的强度和热稳定性。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等对气体雾化挤压后的Al-8.8Fe-3.7Ce合金的组织进行了研究，结果表明：合金中的金属间化合物有球状亚稳相Al6Fe，棒状亚稳相Al20Fe5Ce(主要弥散相)，等轴型亚稳相Al10Fe2Ce(主要沉淀相)，以及平衡相Al13Fe4Ce和Al13Fe3Ce。当对挤压态合金进行热处理时，亚稳相分解转化。分解开始温度约300℃，在400℃下长时间受热亚稳相基本转变为相应的平衡相，其中Al6Fe转变成Al3Fe4,Al10Fe2Ce和Al20Fe5Ce转变成Al13Fe3Ce。对气体雾化Al-8.32Fe-3.4Ce合金的性能进行了研究，结果表明：该合金常温拉伸和屈服强度均高达500MPa以上，在低于300℃受热后，室温下测得的强度基本不变，显示了较高的热稳定性。高于300℃时，强度开始下降，但仍保持较高的水平。如300℃热暴露100h后，室温下测得的强度仍在300MPa以上。合金受热强度下降的原因有两方面：一是亚稳相转变成平衡相，弥散强化作用减弱；二是晶粒长大和相粗化。在研究加入其他合金元素对Al-Fe-Ce合金组织和性能影响时，发现钛的加入有利于提高合金的热稳定性，其原因是钛可以阻塞合金元素的扩散通道，起提高再结晶温度的作用。例如，Al-8.9Fe-4.3Ce旋转叶片法快凝合金加入1%的钛后，室温抗拉强度375MPa，300℃时的抗拉强度仍保持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强度。3.3Al-Fe-Si快凝耐热铝合金的组织及性能快凝Al-Fe-V-Si耐热铝合金最早由AlliedCorp公司开发，该合金是在Al-Fe-V基础上引入了硅元素。合金中加入硅后，使原来针状Al3Fe相变为球形Al13(Fe,V)3Si相，这是该合金中唯一的弥散相。虽然Al13(Fe,V)4Si仍是一种亚稳相，但热稳定性极佳，在温度高于500℃时仍保持亚稳状态。对采用平面流铸法生产的Al-13.4Fe-0.85V-2.23Si合金条带组织进行了分析，发现Al13(Fe,V)4Si相沿晶成簇分布。由于弥散相沿晶分布，改变了合金再结晶温度并抑制了晶粒的生长，使合金具有较高的热稳定性。其中合金元素钒能降低弥散相颗粒与基体间的界面能，减小颗粒粗化驱动力。合金在510℃受热时，弥散相也没有明显粗化。Al-Fe-V-Si快凝铝合金具有许多优异的性能。例如：100℃和300℃下的拉伸强度分别高达470MPa和320MPa，屈服强度也在370MPa和300MPa以上。采用快凝/粉末冶金(RS/PM)法生产的该合金，断裂时呈一定的各向异性，这与原颗粒表面包覆的氧化物挤压过程中被拉伸有关；但该合金的冲击值较高，轴向K1c值，可高达21MPa.m1/2，径向值略低些。K1c值随着温度的升高而降低，316℃时仅是25℃时的一半。William，Richard和Chan等把高温韧性差的原因归于断口分层。Al-Fe-V-Si合金较其他成分的快凝耐热铝合金还具有高的疲劳强度和抗疲劳裂纹生长能力。研究表明：疲劳裂纹多在原颗粒界面或微孔上形核，扩展过程中常遇到细弥散相及变形亚结构的抑制，甚至裂纹能重新弥合，这是其疲劳强度高的原因。此外，该合金还具有较一般铸造合金高的抗腐蚀能力。3.4其他Al-Fe基耐热铝合金的组织及性能Al-Fe-V-Mo是具有包晶反应的快凝耐热铝合金，该合金中出现的金属间化合物相有：AlFe(Mo,V),，Al6Fe和Al3Fe。Al-8Fe-2Mo-1V是其典型合金，该合金中弥散相体积分数约占17%左右，金属间化合物尺寸在0.1～1μm之间。此合金的常温强度和高温强度较高，见表1。Al-Fe基耐热铝合金中加入锆形成Al3M型沉淀相，这类沉淀相与α-Al基体表1部分快速凝固耐热铝合金的性能间的界面能较小，因而，锆元素加入不仅可以减小沉淀相的析出速率，还可以降低粗化速度，增加了合金的热稳定性。Al-Fe-V-Zr合金中的相有胞状S′相，Al3Fe，Al3Zr及Al6Fe相，其中Al3Zr相体积分数较高，且多在热挤压过程中形成。该合金性能特点是，附带的耐蚀性特别好，其原因是化学成分和显微结构细化两者的综合作用结果。Al-Fe-Mo-Zr合金中的钼存在形式比较复杂，尚难准确确定，但衍射证明钼均匀分布于粉末中。此类合金中由于钼固溶改变了晶格常数，且在后续的热处理过程中形成大量的Al3Zr相，使合金强度提高。屈服强度高达650MPa，极限抗拉强度高达7