高強(qiáng)鋁合金的強(qiáng)韌化研究進(jìn)展

1、第37卷第2期2008年4月有色金屬加工nonferrous metals processingvol 37 no 2april 2008高強(qiáng)鋁合金的強(qiáng)韌化硏究進(jìn)展杜愛華龍晉明裴和中勺范艷芳3,王永福3（1昆.明理工大學(xué)材料與冶金工程學(xué)院，云南昆明650093）（2昆明理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，云南昆明650093）（3杭州大地網(wǎng)架制造有限公司，浙江杭州311215）摘要:簡述了鋁介金的強(qiáng)韌機(jī)理，重點(diǎn)討論了近年發(fā)展起來的鋁介金強(qiáng)韌方法，即優(yōu)化合金成分、采用特殊的加工 方法和熱處理工藝，就后指出我國應(yīng)加強(qiáng)高強(qiáng)鋁合金的研究與開發(fā)。關(guān)鍵詞：高強(qiáng)鋁合金;強(qiáng)韌;研究進(jìn)展中圖分類號:tg146. 2+1文獻(xiàn)標(biāo)

2、識碼:a文章編號16716795（ 2008） 02- 0004- 05近幾|年來，鋁合金人致向兩個(gè)方向發(fā)展：一是 發(fā)展高強(qiáng)高韌鋁合金新材料，以滿足航空和航天發(fā)展 的需要；二是發(fā)展可以滿足各種使用條件的民用鋁合 金材料。各工業(yè)發(fā)達(dá)國家一直在不斷地研究開發(fā)各 種新合金、新工藝及新的熱處理制度，使鋁合金的性 能及加工工藝達(dá)到了一個(gè)新的水平。本文著重評述 為提高鋁合金的強(qiáng)韌性而開發(fā)的各種新技術(shù)、新方 法。從理論上講,利用工藝手段提高金屬強(qiáng)度的常用 方法有固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、笫二相強(qiáng)化和應(yīng)變強(qiáng)化 等。合金強(qiáng)韌化的主要途徑是優(yōu)化合金成分、采川新 型熱處理制度及特殊加工工藝等。1優(yōu)化合金成分1.1添加微量

3、re元素稀土在鋁合金中的作用主要表現(xiàn)在以下兒方面 【1】：變質(zhì)。稀土元素能冇效減小鋁合金的枝晶間 距,細(xì)化鑄態(tài)晶粒組織；精煉、凈化。稀土元素具有很高的化學(xué)活性， 可與hz、fe、si、s等雜質(zhì)元素形成化合物熔渣，將 其從熔體中排除;微合金化。稀土元素形成的金屬間化合物作 為第二相能有效增加鋁合金的強(qiáng)韌性。冃前研究較多的re元索冇la、ce、sc、zr、er 等。文獻(xiàn)2- 5報(bào)道了稀土元素ce對a i cum g ag 合金組織和性能的影響，指出合金中添加微量的稀土 元索收稿日期:2007 11 26cez除能細(xì)化鑄態(tài)合金的晶粒、提高力學(xué)性能外，還 能加速合金的吋效碾化特性，使鑄態(tài)合金的高溫耐熱

4、 性能得到提高。但是，加入量要控制在一定范圍，否則 會給其它合金元索的作用帶來負(fù)面影響。sc在鋁合金中的合金化作用己得到廣泛研究【& 刀。sc與a i結(jié)合形成初生和次生al3sc第二相粒 子，起細(xì)化晶粒、彌散強(qiáng)化和抑制變形組織再結(jié)晶的 作川。冇資料【8）表明，向鋁及其合金中每添加0 1% sc （ sc% 0 4% ）,其強(qiáng)度可提高約50m pa,強(qiáng)化作有色金屬加工 用人人超過了目前工業(yè)鋁合金所用的傳統(tǒng)合金元素m g、cu> zn、si、m n、cr 等。無論是 a im g、 a i znm g系合金，述是a i znm g cu、a il i系合 金，含銃鋁合金的b均比同類合

5、金高出100- 200 mpa,延伸率也比同類合金高。當(dāng)合金中同時(shí)存在zr 時(shí)，zr可以代替部分sc原子,從而形成a l3 sczr粒 了，這種粒了比a bsc和a lzr粒子的熱穩(wěn)定性更 高，改善鋁合金性能的效果更明顯9-u。有研究【a報(bào)道，在a i znm g合金中添加er, 對合金的力學(xué)性能、再結(jié)晶行為、時(shí)效動力學(xué)及微 觀組織均能產(chǎn)生明顯影響，其作用與sc、zr相似。 另外，er還可加快合金的時(shí)效進(jìn)程，捉高時(shí)效強(qiáng)化效 果，因?yàn)閍 ber質(zhì)點(diǎn)以及山此形成的高密度亞結(jié)構(gòu)將 產(chǎn)生能雖松弛，可作為的優(yōu)先形核位置，從而促使相 的均勻析出。1. 2添加新合金元素近年的研究發(fā)現(xiàn)，在7xxx系鋁合金中添

6、加鎰， 不僅能細(xì)化晶粒、阻礙基體品粒長人和再結(jié)晶，且在 不降低合金塑性和韌性的情況下顯著提高合金強(qiáng)度， 這一現(xiàn)象引起了廣泛關(guān)注m均。研究16認(rèn)為，過飽 第2期和鋁合金固溶體分解形成細(xì)小、彌散含鎰相是強(qiáng)度 提高的主要原因，因?yàn)楹勏啻龠M(jìn)了晶粒的均勻塑變， 細(xì)化了滑移帶的寬度，從而降低了應(yīng)變或應(yīng)力集中， 使材料塑性得到提高。另有研究【17發(fā)現(xiàn)，利用粉末冶金法制備的猛增韌 高強(qiáng)鋁合金中，含鎰相以a l6m n、a icu2m n的形 式彌散析出并均勻分布，經(jīng)t6處理后，合金的抗拉強(qiáng) 度達(dá)到774m pa,屈服強(qiáng)度為755mpa;同時(shí)還發(fā)現(xiàn)， 在高鋅含量的超高強(qiáng)度鋁合金屮添加一定量的鎰元 素，可以細(xì)化

7、晶粒，減小斷口韌窩尺寸，降低斷口中沿 品斷裂所占比例，改善斷口的組織形態(tài)，提高合金韌 性。李海研究了 ag含量對7055鋁合金薄板時(shí)效狀 態(tài)下微觀組織與力學(xué)性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在含 02%ag的7055鋁合金鑄造組織中沿晶界形成a iznm gcuag型化合物，而品粒內(nèi)部形成a ifecuzn型化合物。這種晶內(nèi)a ifecuzn化合物在 二級均勻化過程中并不能完全消除，在隨爐冷卻時(shí)成 為m g和ag原子陷阱，從而形成alznm gcufea g型化合物。若添加過最的ag（ > 0 5% ）,會造成非 平衡共品相體積分?jǐn)?shù)增加，消耗主合金元素，這些非 平衡共晶組織在均勻化過程中難以充分消除

8、，因而不 利于提高合金強(qiáng)度，但少量的ag （ < 0 2% ）不存在 這些不利影響。宋嘆1®研究了 ag的存在對a i 8cu 0. 5m g 合金的機(jī)械性能和微觀組織的影響。結(jié)杲顯示，有 ag存在的合金由于相（cu2a b.6）與相在方向（001） 和（111）上的均勻分布而得到強(qiáng)化。相對來說，無ag 存在的合金屮只有相。這種細(xì)小、大量的相與相提 高了含ag合金的抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度，尤其是在高 于宗溫的狀態(tài)下。2采用新型熱處理制度固溶和吋效是高強(qiáng)度鋁合金的主要熱處理工藝。 對于a i znm g cu系鋁合金，目前工業(yè)上可用的時(shí)效 制度大致可分為三類：第一類為峰值時(shí)效（t6x

9、 ）,通過 最大密度的基體沉淀相析出便合金具有最高強(qiáng)度，但 在這種狀態(tài)下合金具有最強(qiáng)的應(yīng)力腐蝕敏感性；第二 類為過時(shí)效處理（t7xx ）,通過改變基體沉淀相形態(tài)和 晶界結(jié)構(gòu)來提高合金的強(qiáng)韌性；第三類是短時(shí)回歸再 時(shí)效新型熱處理制度,即rra ( retrogression and rea geing)處理【mi,通過峰值時(shí)效、回歸及再時(shí)效, 使合金得到一種不同于前兩類制度的顯微紐織，可顯 苦提高合金的綜合性能。近年來，在rra的基礎(chǔ)上乂 開發(fā)出了 t77處理(降低rra處理第二級時(shí)效溫度5和延長時(shí)效時(shí)間),進(jìn)一步提高了 7xxx系鋁合金的綜 合性能。固溶處理工藝是制約高強(qiáng)鋁合金力學(xué)性能和熱 處

10、理生產(chǎn)率的主要因素。蔣壽生co】等以7075鋁合 金為例，采用高溫預(yù)熱裝爐、分級固溶等方法，研究 了快速固溶對高強(qiáng)鋁合金組織和力學(xué)性能的影響。 結(jié)果表明，固溶時(shí)間相同時(shí)，分級固溶的強(qiáng)度高于單 級固溶，但塑性略低于單級固溶；采用500高溫預(yù)熱 裝爐、470 /5m in+ 485 /9 m in 固溶和 140 /6 h+ 150 /i h時(shí)效，可明顯縮短熱處理時(shí)間，提高牛產(chǎn)率， 力學(xué)性能達(dá)到了常規(guī)熱處理水平。寧愛林21等提岀短時(shí)快速加熱分級固溶處理的 概念，可提高7a04鋁合金固溶溫度而不發(fā)牛過燒及 晶粒粗人化。陳康華122)等提出長時(shí)間緩慢升溫強(qiáng)化 固溶的概念。研究表明，緩慢升溫處理可以將固

11、溶溫 度提高到非平衡共晶溫度以上，人人減少結(jié)晶相粒子 數(shù)量，獲得了顯著高于常規(guī)固溶處理的力學(xué)性能。李 海2刃等研究了固溶時(shí)間及溫度對al znm g cu zr 性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，固溶處理時(shí)間過短、溫度過 低，可溶第二和粒子難以充分冋溶到基體中，不利于 發(fā)揮合金的強(qiáng)度潛力；固溶溫度過高或時(shí)間過長，易 導(dǎo)致試樣過燒，不利于發(fā)揮合金的強(qiáng)度和塑性潛力； 鮫佳的固溶處理丄藝為470,60m in或180m in。近來，冇研究者根據(jù)金屬的超駛性理論提出了超 塑預(yù)處理的形變熱處理方法，即利用過吋效得到一定 尺寸、一定間距和體積分?jǐn)?shù)的第二相粒子，隨后進(jìn)行 大形變量的變形，在笫二相周圍形成互不連接重合的

12、形變區(qū)；在中間退火過程中，析出彌散的第二相粒了； 然麻利用靜態(tài)或動態(tài)再結(jié)晶，在過時(shí)效粒子周圍得到 細(xì)小的再結(jié)品品粒組織，中間退火析出的彌散第二相 可起到釘扎晶界、阻止晶粒長大的作用【24。鄭青春 【25利用此工藝對7a04合金和2024合金的組織及 力學(xué)性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)該工藝可使7a04合金晶 粒細(xì)化到11 m,而傳統(tǒng)處理工藝的晶粒為30 mo另外，高低溫循環(huán)處理也是一種強(qiáng)化手段，在激 冷激熱過程中，由于溫度梯度和成分不均勻、晶體結(jié) 構(gòu)變化等因素導(dǎo)致局部應(yīng)力集中，產(chǎn)生人量位錯(cuò)，而 原有的品粒破碎，分成許多小品粒(亞品)，使微觀組織 細(xì)化，因此循環(huán)處理能同吋提高強(qiáng)度和塑性26)。3采用特殊成

13、形及加工工藝3. 1 噴射成形(spray form ing)噴射成形【27】是由英國的singer教授率先提出的，6又被稱為噴射沉積(spray deposition)噴射鑄造 (spray casting)。其基木工藝過程是熔融金屬或合金 液在保護(hù)性氣氛中被霧化成彌散分布的液態(tài)微滴，霧 化后的液滴在高壓氣體或離心力的作用下，噴射到具 有不同運(yùn)動方式的金屬基底表面，經(jīng)過霧滴與氣體的 對流換熱及沉積坯與基底的熱傳導(dǎo)，鋁或合金液迅速 冷卻，從而凝固成具存不同形狀和較高致密度的金屬坯料。凝固過程完全不同于鑄造和粉末冶金工藝，霧 化吋金加液被高壓氣體擊碎成很小的液滴，并為霧化 氣體發(fā)牛強(qiáng)對流散熱，使

14、液滴獲得很人的冷卻速度（- 般為102 105 k /s）,并以很高的運(yùn)動速度（約100 m /s）撞擊在預(yù)先沉積的坯體上，將已經(jīng)形成的枝品打碎 使組織球化。因此，噴射成形材料具有細(xì)小的等軸晶 組織，品粒大小一般在0 9 15 m zl'可。噴射成形材 料中通常述伴隨著低水平的溶質(zhì)原子再分配、第二相 細(xì)化和金屬間化合物（ 15 m）0另外，由于冷卻速度快，使沉積材料的固溶度得到提高且形成一些亞穩(wěn)和, 在隨后的熱處理中合理控制析出相的析出行為可得到 最佳的力學(xué)性能1胡。張永安【29】等采用噴射成形技術(shù)制備了 a i llzn 2 8m g 1 8cu超高強(qiáng)鋁合金，研究了噴射沉積過程 中的

15、霧化氣體/合金液體質(zhì)量流率比（g /m ）對材料 顯微組織及室溫機(jī)械性能的影響。結(jié)果表明，噴射成 形沉積壞件微觀組織均勻、細(xì)小，品?；緸榍蛐位?類球形，t相和s相數(shù)雖大幅度減?。ㄅc鑄造相比）；隨 著g /m比的增大，噴射成形沉積坯件的晶粒尺寸和 低熔點(diǎn)共晶相的數(shù)量逐漸減少，但收得率逐漸降低； 當(dāng)g / m值為4 5 5 0 kg /kg時(shí)，晶粒度為15 25 mz合金的極限抗拉強(qiáng)度達(dá)到800 830mpar延 伸率在9%以上。噴射成形是一種新型的快速凝固成形方法，具有 組織精細(xì)、合金含量高、力學(xué)性能優(yōu)越、生產(chǎn)效率高、 產(chǎn)品規(guī)格大等優(yōu)點(diǎn)，將對鋁合金性能的升級產(chǎn)生深遠(yuǎn) 影響。3. 2反向擠壓金屬

16、反向擠壓法呵已有130多年的歷史，而成 功地運(yùn)用于工業(yè)生產(chǎn)是授近幾i年的事情。鋁及鋁有色金屬加工合金特別是硬鋁合金的管、棒、型材生產(chǎn)屮已廣泛釆用反向擠壓（圖l）o現(xiàn)代專用的反向或止/反兩用擠壓機(jī)均設(shè)有雙擠 壓軸。反向擠壓時(shí)擠壓制品的流出方向與模軸的和 對運(yùn)動方向是相反的，與擠壓軸和擠壓筒的運(yùn)動方向 是相同的。如圖1所示，采用堵頭（或固定擠壓墊）吋, 空心軸5固定不動，堵頭3在擠壓機(jī)主缸壓力作第37卷用下推動擠壓筒2和鑄錠1同吋詢進(jìn)，迫使金屬從模 孔4中沿著與空心擠壓軸5相反的方向流出（故稱反 向擠壓）；當(dāng)采丿ij雙擠壓軸反擠壓法時(shí)，空心擠壓軸（即 模軸）5固定不動，鑄錠1在擠壓軸7的壓力作用下

17、 與擠壓筒2同時(shí)前進(jìn)，金屬從?？?中沿著與空心擠 壓軸5札i反的方向流出。有資料顯示，經(jīng)反向擠壓材 的強(qiáng)度比傳統(tǒng)擠壓材高約loompao* 2 4（a ）帶堵頭的反擠壓i飭飾2檸爪wf 2w5頭d檸川5*心檸圧抽 - -6擠壓林7擠葩一8擠尿蟄- abui逅腿収冋休止12任不思bu w figi t|irnf metnl !ndin*<*!鄧波罰等對7n01鋁合金進(jìn)行了高速反向擠壓實(shí)驗(yàn)，研究了擠壓方式、擠壓溫度、擠壓速度對合金 成形過程及組織性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用反向擠 壓，控制合理的擠壓溫度，可以使擠壓速度提高到27 6m /m in;通過后續(xù)熱處理組織中析出彌散的強(qiáng)化相,材料的機(jī)

18、械性能達(dá)到b = 516 7mpa、02= 450 8mpa、= 10 6% o3. 3超塑成形超塑成形是在超塑性溫度下，以氣體壓力作為成 形動力，使金屬板材成形為所需零件的先進(jìn)制造技術(shù)。 超塑成形與一般成形技術(shù)有本質(zhì)的區(qū)別，它是在一定 條件下呈粘性或半粘性的成形，沒冇或只冇很小的應(yīng) 變硬化現(xiàn)象，流動性和填充性都很好。變形過程為宏 觀均勻變形，變形后表而平滑，沒有起皺、凹陷、微裂 及滑移痕跡等；金屬變形后晶粒內(nèi)部沒有發(fā)生應(yīng)變，可 以消除或減輕帶狀紐織；變形是晶界起作川，在晶粒轉(zhuǎn) 動、晶界滑動、晶粒移位等方面與通常的鴉性變形不 同。冇研究【辺顯示，利用lc4鋁合金板材通過超塑 成形可以獲得完好的

19、尾翼零件，其綜合性能高于lc4 cs材料，完全可以替代機(jī)械加工尾翼，且材料利用率 從原工藝的10%提高到66%。3. 4快速凝固技術(shù)（rsp）快速凝固】是duwez等人首先創(chuàng)立的一種研制 新型合金的冶金技術(shù)，通過對熔體的快速冷卻（104 106 k /s）或?qū)Ψ蔷|(zhì)形核的遏制，使合金在很大的冷卻 度卜發(fā)主高生長速率（100 cm /s）的凝固。第2期實(shí)質(zhì)上就是通過急冷來實(shí)現(xiàn)大的過冷度，以獲得亞穩(wěn) 相（過飽和固溶體）?？焖倌痰闹饕饔檬菧p少偏析、細(xì)化晶粒、增 大固溶度及形成細(xì)小的亞穩(wěn)相【河。隨著冷卻速度的加 快，凝固組織的結(jié)構(gòu)特征發(fā)生顯著變化，導(dǎo)致合金性能 顯著變化。快速凝固技術(shù)是開發(fā)新-代髙

20、強(qiáng)度、高韌性鋁合 金或具冇特殊性能鋁合金的冇效途徑，為擴(kuò)大合金元 素的過飽和固溶度、研制彌散強(qiáng)化型鋁合金開辟了一 條新路。將快速凝固與其它工藝方法結(jié)合，進(jìn)一步改 善合金的綜合性能是目前的發(fā)展方向。3. 5電磁鑄造電磁鑄造【初是在鑄造過程中向熔體施加交變電磁 場，由于渦電流和磁場的相互作用，產(chǎn)生對金屬液的電 磁壓九以克服金屬液的靜壓力和表而張力，從而實(shí)現(xiàn) 成形鑄造。曹志強(qiáng)【迢等對電磁鑄造和普通連續(xù)鑄造的 2024鋁合金的性能進(jìn)行了對比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)電磁鑄造錠 內(nèi)部組織細(xì)小均勻，冇高的破度、良好的疲勞性能和 耐桝性，硬度、疲勞強(qiáng)度、磨損失重最分別是普通連 續(xù)鑄造鑄錠的2倍、3倍、50 %c電磁鑄造既可

21、以獲 得細(xì)晶組織，乂可以強(qiáng)化合金元索的固溶，同時(shí)可以改 善高強(qiáng)鋁合金的鑄造性能，因此具有較好的發(fā)展空間。 3. 6壓鑄成型壓鑄成形是將熔化的合金液高速高壓注入精密的 金屬型腔內(nèi)，使其快速成形。近年來，各國鑄造工作者 研究出了許多髙性能壓鑄鋁合金，其抗拉強(qiáng)度大多達(dá) 到300 400m pa,少數(shù)達(dá)到400500 mpa,但多 數(shù)仍處于試驗(yàn)階段。目前，我國的高強(qiáng)度壓鑄鋁合金 的抗拉強(qiáng)度般為300 mpa左右，但塑性較低，伸長 率v 4%。為了提高壓鑄鋁合金的強(qiáng)韌性,于海朋切 等對高強(qiáng)韌a icu系合金的壓鑄及熱處理進(jìn)行了研究， 試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)壓鑄大大細(xì)化了合金的微觀組織，再經(jīng)低溫 時(shí)效后合金強(qiáng)度達(dá)到一般

22、高強(qiáng)壓鑄鋁合金的水平，但 塑性高；1； 20%以上。4其它強(qiáng)韌法鋁合金的強(qiáng)韌化手段還有很多，如激光沖擊強(qiáng)化、 復(fù)合強(qiáng)化(利用陶瓷、碳纖維、晶須、顆粒等增強(qiáng)鋁基 體)、優(yōu)晶處理等。激光沖擊強(qiáng)化【洌，利用高功率密度的激光束在極 短的脈沖時(shí)間內(nèi)沖擊材料表面，使表面一薄層產(chǎn)生爆 炸性氣化和動量脈沖，形成很強(qiáng)的壓力波向材料內(nèi)部7傳遞，從而使表層和內(nèi)部組織以及應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生很大 的變化，使合金產(chǎn)生密集、均勻、穩(wěn)定的位錯(cuò)，形成 類似于爆炸沖擊后的亞結(jié)構(gòu)。山于沖擊波貯藏的彈 性變形能大于合金的塑性變形能，使介金表面產(chǎn)生殘 余壓應(yīng)力，從而人人提高了材料的強(qiáng)度、硬度、韌性 和抗疲勞性能。與傳統(tǒng)的激光表面處理技術(shù)相比

23、，激 光沖擊處理的時(shí)間極知；棊本上沒冇向材料內(nèi)部傳遞 熱量，因此不存在軟化區(qū)，同時(shí)操作簡單，具有一定的 技術(shù)優(yōu)勢，特別適用于鋁合金強(qiáng)化。5結(jié)束語高強(qiáng)鋁合金是航空、航天及國防丄業(yè)的重耍材料， 具有重要的戰(zhàn)略地位。目前我國在高強(qiáng)鋁合金的研究 和牛產(chǎn)方而與國外的差距仍然很大。隨著我國宇航事 業(yè)的發(fā)展，對超鬲強(qiáng)鋁合金的需求非常迫切，急需建立 i套完幣的研究、開發(fā)、生產(chǎn)體系。參考文獻(xiàn)1 周曉霞，張仁元稀土元素在鋁合金中的作用和應(yīng)用幾稀土信息,2003( 6): 18- 20.2 xiao d h, wang j n, d ing d y, et a.i effect of rare earth ce a

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