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

2.1 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Al m Fe(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