耐热铝合金的发展及应用

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1、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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、基体的连续性，使合金强度低、韧性差。而快凝技术可改变