耐热铝合金的研究发展及应用1 前言为了能在150350C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%勺合金元素，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150C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 E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合金系统平術固喀度 原子分数$ %快速凝固能达 到的最大扩展 固溶度 原子分数F %斗站零时的 扩散系遨 f Ctn2* s 1A - Ti0 .160.2-2M .証 * 1 0 -|5AJ - VD 21 .4 * 21ID ISAl - Ct0 .425 -72 |站皿Al- Mn0 .9242 12 10 IqAl - Fpn筛n 5 - 5.1 2 * 1 n -|：sAJ - C 1 0_ 5AJ - Ceo .011 .9K .41 U 14AJ - ZrD .0712-1 5 .6 IO - 17Al - Me010-1 56 OX ID IS2.1 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 AI-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 AI-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 SignaI) 选择 AI-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Si02的坩埚进行熔炼时，Si02被还原成 Si进入了铝液。Si进入铝合金后，形成了 Ali3(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450C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Mr，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)AI-Fe-Y(-Y),三元或四元，丫代表铝中包晶形成元素 Mo V、Zr、Ti等； Al-Fe-Si-Y , Y同样代表铝中包晶形成元素；(4)AI-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a -Al和Al3Fe组成。由于AI3Fe是硬脆相 且以粗大针状出现在a -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a -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a -Al，胞状a -Al，a -AI+AI6Fe，共晶组织以及 Al 3Fe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 Al 3Fe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， Al 3Fe 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 mFe(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%寸，弥散相体积分数由7%曾加到18%弥散相直径由0.13卩m 仅增加到0.21卩m这种弥散相的热稳定性较好，加热温度低于300E时，尺寸变化不大。含铁8%勺合金，500E下加热100h后，弥散相也仅由原来的0.21卩m 长大到0.32卩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-(210)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300r热暴露时，由于弥散相变化很小，因而强度变化也不大； 但在300C以上热暴露时，弥散相(主要是Al 3Fe)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100C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 Al 3Fe4,Al 6Fe 和 Al 4Ce ， 三元相 Al i3FdCe,AI ioFe2Ce 和 AGFesCeo AbFe,AI loFCe 和 AGF&Ce 并非是平衡相。 Raghava n等对气体雾化挤压后的AI-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Al2Fe5Ce（主要弥散相），等轴型亚稳相Al 10Fe2Ce（主要沉淀相），以及平衡相Al 13F8Ce和Al 13Fe3Ceo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 300C,在400C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 Al 3Fe4,Al 10Fe?Ce和 Al 20Fe5Ce转变成 Al 13Fe3Ceb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300E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 300C时，强度开始下降，但仍保持 较高的水平。如300r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%勺钛 后，室温抗拉强度375MPa 300C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AlaFe相变为球形Al 13（Fe,V） 3Si相，这是该合金中唯一的弥散相。虽然Ali3（Fe,V） 4Si仍是一种亚稳相，但热稳定性极佳，在温度高于 500C时仍保持亚稳状态。对采用平面流铸法生产的AI-13.4Fe-0.85V-2.23Si 合金条带组织进行了分 析，发现AIi3（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510C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：100C和300E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