耐热铝合金研究进展Word下载.docx
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综述耐热铝合金材料研究进展，介绍耐热铝合金的强化机理，为耐热铝合金的设计提供参考。
1耐热铝合金材料
1.1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⑴。
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。
此外，快速凝固耐热铝合金也成为耐热铝
收稿日期：
2009-11-16；
修回日期=2010-01-26合金研究的热点，典型的合金有Al-Fe-Ce、Al-Fe-V-Si和Al-Cr-Zr等系列。
1.2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。
国外装甲车辆活塞以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Mahlel24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。
随着装甲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龙下强度达到215MPa,伸长率为1.3%,布氏硬度为64；
315龙下强度达到187MPa,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Mahlel24合金300龙下的强度132MPa,伸长率为0.6%；
350龙下的强度为103MPa,伸长率为1%。
基金项目：
发动机缸盖用新型耐热铸造铝合金成分优化及强化机理研究（2009A10024）
作者简介：
贾祥磊，男，在读硕士研究生；
主要从事耐热铝合金研究。
E-mail:
jiaxianglei@o
装甲车辆发动机缸盖和箱体的体积大、形状比较复杂、工况恶劣，对材料的耐热性和铸造工艺性要求较高。
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R.达到400MPa,伸长率
A达到5%。
俄罗斯注重缸盖材料的高温性能，300V时抗拉强度R.达到230MPa以上，350龙抗拉强度Rm达到190MPa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R.达到300MPa,伸长率（4）达到5%,疲劳强度达到70MPa。
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W1.5%。
采用该材料制造的缸盖抗拉强度R.为200~240MPa、耐压为1.25MPa°
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的基础上开发了新型AlSi7CuNiFe合金，它的高温强度、蠕变性能都高于A380合金⑶,可用于高性能发动机箱体。
法国的GerardLaslaz发明了一种Al-Si-Cu耐热合金'
句，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龙保温100h的高温强度约为100MPa,300龙保温100h的高温强度约为65MPa。
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龙保温100h的抗拉强度可达133MPa⑶。
德国PEAKWerkstoff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龙）超过了300MPa,大幅度提升了合金的耐热性能⑶。
对于一些体积较小、形状简单的耐热铸件可采用Al-Cu系合金。
该系列合金的耐热温度为300-350无。
在Al-Cu合金加入一定量的Mn元素后，一方面可以改善含Fe杂质相的形态⑹，另一方面也可以形成T（Al12CuMn2）相，有利于合金耐热性的提高眼」。
在AlCu5Mn合金再加入Ni和Ce可以进一步提高合金的耐热性能，该合金在250龙保温500h后，仍具有300MPa的抗拉强度⑼。
某保时捷增压发动机上的AlCu5Nil.5CoSbZr合金，经T6处理后高温抗拉强度（250龙）达到210MPa,保证该合金应用的可靠性。
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W00071765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。
1.3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系列和Al-Cu-Mg-Ag列。
目前变形耐热铝合金在航空、航天上应用较多，如火箭和导弹壳体、导弹尾翼、超音速飞机蒙皮、飞机机翼等⑩。
Al-Cu-Mg-Fe-Ni系列合金开发应用较早，如美国的2618合金，前苏联的Ak4-1等。
Al-Cu-Mn系耐热合金则以2519,2219等为代表。
近几年，科研人员又在2519合金的基础上开发了耐热性更好的C415.C416两种Al-Cu-Mg-Ag系列合金。
Al-Cu-Mn系耐热铝合金应用较早，可在150-2502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Ak4-1相比，提高了20%~30%,更重要的是在断裂韧性上也提高了25%~50%[11|oHirokiAdachi等人用快速凝固制粉，然后热压的方法制备的A16.4Cul.7Mg3.6Mnl.7Zn合金，经T4处理后，弥散分布的亚微米级的Q（A178.8Mn12Cu8Zni.2）相强化了合金，使其高温抗拉强度（250龙）和屈服强度分别达到319,266MPa,伸长率达到了17%通。
Al-Cu-Mg-Ag系合金耐热性优于Al-Cu-Mg-Fe-Ni系列，可在200-250龙⑻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Q强化相生成'
妇叫肖代红等人研究的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559MPa,高温抗拉强度（300龙）达到228MPa^,并且其断裂韧性也高于Al-Cu-Mg-Fe-Ni系列网。
研究还发现uw,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580MPa,高温抗拉强度（300^C）最高可达290MPao
1.4新型耐热铝合金
新型耐热铝合金是指在快速凝固技术基础上发展起来的耐热铝合金。
此类合金多以Al-Fe、Al-Cr、Al-Ti为基，再适当添加一些V、Mn、Nb、W、Zr、Mo、Ce等具有极小平衡极限固溶度和固态扩散系数的过渡族元素，经快速凝固后产生过饱和固溶体，在随后的热加工过程中，细小弥散的亚稳强化相析出，可延缓晶界的迁移，使得合金具有较好的高温强度。
采用喷射沉积技术制备的高铁铝合金可应用于装甲车辆发动机缸套、连杆，还可以应用于导弹外壳,涡轮发动机叶片等。
Al-Fe-V-Si系列合金综合性能良好，高体积分数弥散分布的体心立方Al12（Fe,V）3Si相是该系列合金的主要强化相。
该相高温下不易发生相转变和粗化成，能有效阻碍位错运动，提高合金的高温性能。
FVS0611、FVS0812、FVS1212合金是该系列合金代表，研究发现8〕,经过SiCp晶须增强的FVS0812合金室温抗拉强度从470MPa提高到535MPa,高温抗拉强度（315龙）从200MPa提高到228MPa。
经TiC颗粒增强的FVS0812合金的高温抗拉强度（350龙）从204MPa提高到224MPa"
〕。
除对该系列合金的复合强化研究外，也有学者在新工艺方面做了积极探索。
M.Arhami等人研究了挤压铸造Al-Fe-V-Si的组织性能，研究发现洌,在挤压铸造状态下合金的主要中间相为汉字状«
-Al7（Fe,V）3Si相和针状p-Al18FenSi相吊相对合金性能不利，而K.L.Sahoo等人发现Mg元素可以使P相变成纤维状湖，提高合金的性能。
图1为A1-Fe-V-Si合金Mg变质、挤压状态下性能对比
O.D.Neikov等人采用高压水雾化法制备了A1-Fe-Ce系列耐热铝合金，所得雾化颗粒尺寸在5-100ptm范围内，其室温、高温抗拉强度（300龙）分别可达500-550MPa,270-300MPa[3I-32]o
K.S.Dunnett等人采用粉末烧结的方法制备了A1-15Ni-5Cu-lMg合金，其屈服强度明显优于同种工艺制备的AC2014合金，两种合金不同温度下的屈服强度对比如图2所示倒。
快速凝固耐热铝合金以其优异的耐热性能，吸引了众多学者的关注。
该系列合金进一步提高了铝合金的耐热温度，扩大了耐热铝合金的应用范围。
图1AIfF—IV-ISi合金不同含Fe鼠的抗拉强度变化
Fig.1VariationofUTSwithFecontentoftheAkrFe~lV-lSialloy
图2不同温度下两种合金屈服强度对比
Fig^Comparisonofyieldstrengthatdifferent
temperaturesfortwoalloys
2耐热铝合金的强化机制
2.1固溶强化
对耐热铝合金的强化要从基体强化、第二相强化和晶界强化几个方面考虑。
在一定的温度下，铝合金基
体将发生软化，导致材料的性能下降。
通过固溶强化,可提高基体的热强性。
为保证固溶强化效果，所加固溶元素首先要不显著降低合金的熔点，使合金具有较高的再结晶温度。
过渡族元素是固溶强化的主要元素，它们与铝多形成包晶系，熔点较高，再结晶温度也较高,如Al-Ti包晶温度为6652,A1-Zr 660°
C,即使形
成共晶系，共晶温度也要较高，如Al-Mn系合金的共晶温度为6582,A1-Fe为6552,A1-Ni为640龙。
而非过渡族元素大多与铝形成的共晶温度较低，如A1-Mg系为450龙,合金熔点越低，再结晶温度相应的也低，耐热性也越差。
其次,合金元素多元加入有利于固溶体成分的复杂化，增大原子间结合力，减慢原子的扩散过程和固溶体分解速度，提高固溶体高温下的热稳定性欧。
另外，所加合金元素应具备在铝中扩散速率低,平衡固溶度小的特点。
表1为部分元素在铝基体中的扩散速率和溶解度。
常用的固溶强化元素有Cu、Cr、Mn、Fe、Li以及稀土等。
2.2过剩相强化
过剩相强化是铸造耐热铝合金的主要强化方式。
当铝中加入的合金元素含量超过其极限溶解度时，淬火加热时便有一部分不能溶入固溶体的第二相出现,称之为过剩相。
铝合金中过剩相多数为硬而脆的金属间化合物，它们在合金中阻碍晶界滑移和位错运动，使强度、硬度提高，而塑性、韧性下降。
过剩相的熔点越高，成分和结构越复杂，高温下越稳定，强化效果也越好。
过剩相的数量越多，越细小，其强化效果越好。
如过共晶铝硅合金随硅含量的增加过剩相（硅晶体）的数量增多，合金的强度、硬度相应提高。
但过剩相过多时，合金容易变脆而导致强度急剧降低曲。
铝合金中热稳定较好过剩相有Al2CuMg（S）AAl6Cu3NiAAlxCu4Mg5Si4（W）、ALFeSi、AlgFeNi、AbCuLi、Al6Mn,Al3Ti、A，Fe、A/a、A£
Ce等。
2.3弥散强化
弥散强化是快速凝固耐热铝合金和粉末烧结耐热
表1元素在铝基体中的扩散速率和溶解度啊
过渡族元素
最大平衡固溶度/%
液相溶解度/%
（1127°
C）
扩散系数/（mW）
（435幻）
Fe
0.025
18.52
5.4x10-1。
V
0.2
0.85*
7.4x10-'
*
Zr
0.07
3.7
3.4x10*
Cr
0.44
8.4
l.lxlO-8
Ce
0.05
12
8.4x10-12
Mo
0.86
2.4x10-'
°
Ti
—
3.6
3.0X10W
*927°
C时的原子数分数
©
1994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved,
Table1Solubilityanddiffusionrateofelementsinaluminummatrix[40]
铝合金主要强化方式〔35场】。
高温下稳定弥散的金属间化合物、非金属质点或纤维增强材料将减小高温晶界流变及基体内的位错运动3-39〕,从而保证较好的热强性。
弥散相的体积分数越大、半径越小对合金的强化效果越好。
高温下，溶质原子扩散变得更加容易，弥散相容易粗化，使得位错运动阻力减小，晶界易于滑移、攀移，导致材料的性能下降。
因此,为提高第二相的弥散强化效果，一方面要控制合金成分，以获得不易粗化的第二相，另一方面要控制工艺，使得第二相颗粒细小、弥散分布。
表2列举了部分快速凝固条件下弥散相的粗化速率。
第二相的粗化主要受扩散机制控制。
式
（1）为第二相长大动力学公式。
dr/dt^Do-Cg-y/r2
（1）
式中Do为元素在铝中的扩散系数;
C。
为元素的平衡固溶度;
「为第二相的粒子半径”为比表面能。
表2中间相的粗化速率啊
Table2Coarseningrateoftheintermediatephase[40]
合金体系
中间相
粗化速率（425rycm3-^1）
Al-F^Ce
Al3Fe
2.2XKT23
ALFeEe
4.2X10-23
Al-Fe-Mo-V
Al3（Fe,Mo,V）Si
1.7x1b23
Al-Cr-Zr-Nd
Al3（Zr,Nd）
2.5IxE
Al-Fe-V-Si
Al12（Fe,V）3Si,Fe/V=10
8.4X10-27
Al12（Fe,V）3Si,Fe/V=5
2.9x1b26
Al-Zr
AlaZr
2.5x1b26
Al-Zr-V
Al3（Zr,V）
1.6x1b25
400勾时中间的粗化速率。
从第二相长大动力学中可知：
强化相的粗化与组成强化相的某些元素的平衡固溶度以及这些元素在基体中的扩散系数呈正比。
因此，应选择在铝基体中平衡固溶度小、扩散速率低的元素强化耐热铝合金血，如Fe、Ce、Mo、Zr、Cr、W等过渡族元素。
2.4晶界强化
晶界强化也是提高铝合金耐热性能的重要途径。
添加表面活性元素,吸附在晶界上，提高晶界热力学稳定性，降低晶界能和提高原子间结合力，从而减少晶界处原子的扩散能力，提高合金的抗蠕变性能堕小〕。
据报道〔yRTi、Zr、V、Sc等元素不仅可以细化晶粒,还可以形成弥散的ALM型强化相，这些相本身比较稳定，与基体错配度低,可与基体保持共格关系，能有效钉扎位错,稳定亚结构，阻止晶界滑移，同时抑制基体再结晶，提高基体再结晶温度。
此外，稀土元素化学活性较强，形成热稳定性良好的稀土化合物，在晶界处呈放射状分布，能有效强化晶界，提高合金的高温性能盗书七
3结束语
在未来的高科技战争中，装甲车辆受到精确制导武器和强大地面活力的严重威胁。
高机动性是提高装甲车辆的战场生存能力有效途径。
高功率密度发动机的研制将成为解决这一问题的关键环节，而高强耐热铝合金材料在装甲车辆发动机上的应用也尤为重要。
目前，发动机铝合金材料以铝硅系为主，调整Cu、Ni、Fe.Mn等主要合金元素，并添加微量的Zr、Ti、V、Co、Mo以及稀土元素La、Ce、Sc、Nd中的一种或几种，将是提高发动机铝合金材料耐热性能的主要方法。
导弹、轰炸机是未来战争中必不可少的制空武器。
Al-Cu-Mg-Ag系变形耐热铝合金以及快速凝固耐热铝合金有望在导弹壳体、尾翼和飞机蒙皮上得到应用。
通过微合金化和稀土强化可进一步提高该系列合金的耐热性能。
武器装备的换代升级要依赖于高强材料和先进制备工艺的应用，耐热铝合金的研发可为装甲车辆、导弹、轰炸机提高整体性能做好技术准备。
耐热铝合金今后的发展主要集中在：
1）通过微量元素特别是稀土元素对现有合金进行改性强化。
2）探索新的耐热合金体系，设计新的耐热相.
3）简化现有快速凝固工艺，并开发新的快速凝固技术，拓宽耐热铝合金的应用范围。
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