铝合金强化原理与应用综述

耐热铝合金研究现状及发展趋势

1.前言

耐热铝合金是指在高温下有足够的抗氧化性和在温度和载荷（动态和静态）的长时间作用下，具有抗塑性变形（蠕变）和破坏能力及导热性好和密度低等特点。在兵器、船舶、航空、航天、汽车等行业得到广泛应用，如坦克装甲车辆发动机的活塞、缸套、连杆、箱体、缸盖，导弹壳体、尾翼、航空发动机汽缸、叶片、飞机蒙皮等。随着航空、航天和汽车工业的迅速发展，对耐热铝合金的耐热性能也提出了更高的要求。随着航空、航天工业的发展, 人们对铝合金的使用温度提出了更高要求。特别是20 世纪70 年代后期,为了满足先进战斗机对材料的需求, 各国纷纷把注意力集中于开发在300℃左右的温度下能取代钛合金的铝合金。近年来, 我国电力工业突飞猛进的发展对输电线路提出了大容量、耐高温的要求, 从而掀起了耐热铝合金研究的新高潮。

2.耐热铝合金材料

2.1耐热铝合金分类

传统的耐热铝合金根据加工工艺特点不同可分为铸造耐热铝合金和变形耐热铝合金。铸造耐热铝合金主要分为Al-Si 系和Al-Cu 系。Al-Si 系合金铸造性能好，但强度低，往往要添加Cu、Ni、Mn、稀土等元素以提高其的耐热性能。Al-Cu 系合金耐热性好，但铸造工艺性及耐蚀性差。变形耐热铝合金可分为Al-Cu-Mn 系耐热硬铝和Al-Cu-Mg-Fe-Ni 系耐热锻铝。近几年，科研人员又开发了耐热性更好的Al-Cu-Mg-Ag 系变形铝合金。

2.2 铸造耐热铝合金

主要应用于装甲车辆发动机和汽车发动机以Al-Si-Cu-Mg-Ni 系为主，标准牌号有：美国汽车工程协会SAE390 合金、德国马勒公司Mahle124 合金。箱体、缸盖以Al-Si-Cu 和Al-Si-Mg系为主，标准牌号有美国的319 合金、A380 合金以及A356 合金等。随着车辆发动机功率提高，传统活塞材料的高温强度、耐热能力已临近极限状态，不能满足大功率发动机发展的需求。高性能耐热铝合金材料的研究受到广泛关注，经过多年的探索，2002 年，美国航空、航天局（NASA）

研制出新型过共晶铝硅合金MSFC-398。该合金260 ℃下强度达到215 MPa，伸长率为1.3%，布氏硬度为64；315 ℃下强度达到187 MPa，伸长率为2.5%，布氏硬度为50。其高温强度明显高于ZL109 合金。德国马勒公司开发的Mahle124 合金300 ℃下的强度132 MPa，伸长率为0.6%；350 ℃下的强度为103MPa，伸长率为1%。德国MTU 公司将特殊的合金强化技术用于发动机机体铝合金，使其抗拉强度达到400 MPa，伸长率达到5%。俄罗斯注重缸盖材料的高温性能，300 ℃时抗拉强度达到230 MPa 以上，350 ℃抗拉强度达到190 MPa 以上。奥地利AVL 公司将HIP 技术用于Al-Si7-Cu-Mg 合金，使其抗拉强度达到300MPa，伸长率达5%，疲劳强度达到70 MPa。前苏联发动机铸造生产厂家白俄罗斯铸造工艺与设备研究所采用的缸盖材料质量分数为6%~8% Si，0.3%~0.4% Mg，0.17%~0.35% Mn，杂质总量≤1.5%。采用该材料制造的缸盖抗拉强度Rm为200~240 MPa、耐压为1.25 MPa。Feikus 等人在A356 合金中加入的质量分数为0.5%Cu，使合金的耐热温度提高到150℃。Hydro公司还在AlSi7Cu0.5 的基础上开发了AlSi7CuNiFe 合金，它的高温强度、蠕变性能都高于A380 合金，可用于高性能发动机箱体。法国的Gerard Laslaz 发明了一种Al-Si-Cu 耐热合金，该合金中加入的质量分数为3%~4%的Cu，并加入了Hf、Nb、Ta、Cr、Mo 等微量元素，使得该合金具有较好的高温性能，250℃保温100 h 的高温强度约为100 MPa，300 ℃保温100 h 的高温强度约为65 MPa。M.Garat 等人通过Zr、Mn、V、Ti 等微量元素对319 合金进行改性，新合金在250 ℃保温100 h 的抗拉强度可达133MPa。德国PEAK Werkstoff 公司新近开发的ZLB 系列高性能缸套铝合金是在AlSi25Mg 合金中加入了一定量的Fe、Cu、Ni，合金高温性能（200 ℃）超过了300MPa，大幅度提升了合金的耐热性能。铸造耐热铝合金目前主要的合金化元素有Cu 、Ni、Fe、Mn，EP1057900、US4336076 和WO0071765 等专利还介绍了提高材料耐热性和疲劳性能的其他技术途径，如通过添加微量合金元素Mg、Mn、Sc、Ti、B、Zr、V 等实现固溶强化、弥散强化和晶粒细化。

2.3变形耐热铝合金

变形耐热铝合金主要有Al-Cu-Mg-Fe-Ni 系列，Al-Cu-Mn 系列Al-Cu-Mg-Ag 列。

Al-Cu-Mn 系耐热铝合金应用较早，可在150~250℃下使用。俄罗斯VIAM 等

人向D21 合金中添加Ge和Zr，形成的新合金在力学性能方面与Aк4-1 相比，提高了20%~30%，更重要的是在断裂韧性上也提高了25%~50% 。Hiroki Adachi 等人用快速凝固制粉，然后热压的方法制备的Al6.4Cu1.7Mg3.6Mn1.7Zn 合金，经T4 处理后，弥散分布的亚微米级的Q（Al78.8Mn12Cu8Zn1.2）相强化了合金，使其高温抗拉强度（250 ℃）和屈服强度分别达到319，266 MPa，伸长率达

到了17%。Al-Cu-Mg-Ag 系合金耐热性优于Al-Cu-Mg-Fe-Ni 系列，可在

200~250 ℃温度下长期使用。合金中加入一定量的Ag 后，促进了热稳定较好的Ω 强化相

生成。肖代红等人研究的Al-Cu-Mg-Ag 合金，在Cu 的质量分数达到8%时合金的室温抗拉强度达到559 MPa，高温抗拉强度（300 ℃）达到228 MPa ，并且其断裂韧性也高于Al-Cu-Mg-Fe-Ni 系列。研究还发现，Er、Ce、Pr、Sc、Ti、Zr、Yb 等对合金的耐热性提高具有明显的效果，其中有几种合金室温抗拉强度

均已经超过580 MPa，高温抗拉强度（300 ℃）最高可达290 MPa。

Al-Fe系合金美国铝公司(Alcoa)选择Al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。

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。总之，近十几年来，对耐热