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耐热铝合金的发展及应用

发布时间: 2020-08-08 08:18 作者:   超凡棋牌游戏

  耐热铝合金的发展及应用_材料科学_工程科技_专业资料。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

  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 2.1 Al-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。 2.2 Al-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(Allied Signal)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。 2.3 Al-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 3.1 Al-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 0.13 μ m 仅增加到 0.21μ m。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 0.21 μ m 长大到 0.32μ m,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。 3.2 Al-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。 3.3 Al-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 0.1~1μ m 之间。此 合金的常温强度和高温强度较高,见表 1。 表 1 部分快速凝固耐热铝合金的性能 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 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 730MPa;300℃时的高温强度也比快凝 Al-Fe-V-Si 合金高。 Al-Fe-Cr-Zr 雾化合金存在 Al13Cr2,Al3Zr,Al3(Fe、Cr)及 Al31Fe4 金属间化 合物相, 合金粉末越细, 即冷却速度越高,Al13Cr2 越细小,平衡相 Al13Fe43 越少。 其中 Al3Cr2, 3Zr 和 Al3(Fe、 Al Cr)相具有良好的热稳定性和抗粗化能力,而 Al3Zr 相与基体存在共格关系, 沉淀强化效果较好,导致该合金具有高的常温和高温强 度及韧性。采用多级雾化热挤压工艺制备的 Al-6.8Fe-3.75Cr-1.52Zr 合金常温拉 伸强度达 465MPa,伸长率 5.0%,而 400℃时的强度仍保持 108MPa,伸长率升 到 9.3%。 快凝 Al-Fe-Ni 系耐热合金,由于存在以 Al(FeNi)2 为基的三元τ 相,可有效 地增加合金的模量,同时,τ 又是剪切时的稳定相,再加上τ 相与α -Al 基体具 有良好的取向关系,使合金强度和热稳定性显著增加。Al-Fe-Ni 合金中加入少量 Mo、Cr 后,合金中出现 AlxMo(x 表示制造条件不同,化合物的原子组成比不同) 等相,合金在 480℃时极限抗拉强度仍高达 490MPa,冲击值 K1c 也保持在 12MPa.m1/2 左右。 Al-Li-Mn-Zr 雾化及喷射沉积合金中存在第二相:Al6Mn,Al4Mn,Al3Zr, Al3Li 和 AlLi, 其中锰和锆弥散相抑制了再结晶和晶粒长大, 加速含锂相的时效。 这类合金常温强度和韧性均较低,但在高温时却保持较高的性能。例如:250℃ 时仍保持常温 85%~90%的模量和强度。 4.快凝耐热铝合金的应用及存在的问题 开发快凝耐热铝合金的最终目的是取代飞机零件中的钛合金。 近些年来的研 究成果表明, 这方面的工作已取得了很大进展,快凝耐热铝合金的某些性能已相 当或超过了部分钛合金的。例如:Al-Fe-Zr-V 的比强度与 Ti-6Al-4V 相当,而 Al-Fe-Ce 在 150℃和 230℃时屈服强度分别为 449MPa 和 391MPa,已超过 Ti-6Al-4V 合金的,再加上这些新型合金密度低,价格便宜,一般不含有贵重的 战略元素,已经有可能在 230~350℃的温度范围内与常规的钛合金竞争,甚至 取代钛合金。 目前, 快凝耐热铝合金已成功地用于制造气体涡轮发动机的压缩翼 片和叶片, 以及涡轮和散热片等部件,还可以用于制造火箭和宇宙飞船上的某些 构件。当快凝耐热铝合金用于制造飞机构件时,造价一般只是钛合金的 30%~ 50%,而飞机重量却可以减轻 15%左右。如果进一步提高其耐热性能,应用范围 还将扩大。 快凝耐热铝合金目前存在的问题主要有以下几方面。性能方面:1、快凝耐 热铝合金的疲劳强度、 蠕变强度还不够高,这与粉末冶金过程中原始颗粒界面和 氧化物有关;2、快凝耐热铝合金的断裂韧性也不甚理想,尤其是存在明显的中 温脆性,引起脆性的原因还待进一步研究。成本方面:采用粉末冶金工艺的快凝 耐热铝合金, 虽然性能比熔铸合金优越,但制造成本偏高却成了该合金面临的挑 战。 快凝耐热铝合金今后的研究方向将主要集中在以下几方面:1、发展低成本 的新型快凝工艺。由于喷射沉积快凝工艺相对 RS/PM 工艺而言,生产工序简化, 避免了原始粉末颗粒界面氧化问题,可使合金的韧性得到提高,生产成本降低。 因此,应进一步完善喷射沉积快凝工艺,使其应用于实际生产。2、进一步研究 合金的耐热机理,包括过固溶的基体在受热过程中的作用。3、研究引起合金中 温脆性的原因及解决措施,进一步提高合金的韧性。


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