耐热铝合金研究进展

崔君阁1，孙建波1，屈浩博1，伏祥州1，杨海龙1，陈永斌1，潘利文1,,2,,3,,*

摘要铝合金因其高强度、高韧性、良好的耐腐蚀性能和理想的加工性能在航空航天工业中得到了广泛的应用，大部分大型飞机和先进战斗机的轴承架、楼板梁、翼梁、翼板等都是用铝合金制成的。目前流行的铝合金有Al-Mg-Cu系列和Al-Zn-Mg-Cu系列。随着现代航空航天工业的发展，新一代超高强度铝合金具有质量轻、强度高、韧性好、断裂韧性好、耐腐蚀性能高等优点。

关键词：原位反应；Al3Ti强化相；显微组织；力学性能

1 耐热铝合金的过去发展

1821年，Berthier发现了铝矿，并将其命名为铝土矿。到1886年，法国工程师Paul  Heroult和美国化学家Charles Hall独立并同时开发了将氧化铝还原为纯铝的工艺，即今天所知的Hall-Heroult工艺。这种工艺为铝及其合金的工业应用打开了大门。1888年，美国铝业公司开发了第一批商用铝合金，即铝合金1100。这是已知的仍在使用的最古老的商业合金。在1903-1906年期间，为减轻枪弹外壳材料重量，杜雷纳金属公司的阿尔弗雷德·威尔姆在一项研究过程中发现，在淬火后，含有4 wt.%铜的铝合金在室温下放置数天会慢慢变硬，并于1911年发布了自己的研究结果。到1920年，Mirca正确地推断出强化的来源是在低于固溶体分解线的温度下产生的“亚微观”沉淀物。1938年，Andre Guinier和Dawson Preston分别将合金中的溶质富集区域确定为观测到的强化的可能原因，随后将其称为GP区。随着20世纪50年代电子显微镜的发展，析出相的性质在物理上变得清晰。在北美，Al1100通过添加锰进一步改进，生产出第一个3xxx系列合金，当时被称为3S，即今天的3003。此后不久，在20世纪20年代，镁被添加到3S合金中，开发出4S或3004，用于铝罐的主体结构。

自20世纪20年代以来，铝合金的发展取得了很大进展。目前，有超过500种不同的合金在铝协会注册。这些合金分为锻造(1xxx-8xxx)和铸造(1xx-8xx)合金[1]。铝合金的应用已经扩展到各种市场，包括汽车、航空航天、建筑和海洋工业。

航空航天工业和汽车工业一样，都需要轻量化和高强度。铝合金2xxx, 5xxx和7xxx系列具有优异的机械性能，以及优异的耐腐蚀性。这些合金广泛应用于航空航天工业。对于海洋应用，动力性能和耐腐蚀性是关键。5xxx和6xxx合金家族一直并将继续很好地服务于这个行业。

2 耐热铝合金研究现状

2.1存在的问题

近年来，铝合金因其在强度比重量、力学性能、成形性和可回收性等方面的优势，重新成为汽车轻量化材料。耐热铝合金已用于发动机缸体，气缸盖和气缸套。目前，传统铸造耐热铝合金的高温强度、耐热疲劳性能等已经临近极限状态，不能满足新型高功率发动机的发展要求。原因主要是铝合金中的强化相高温热稳定性不足，在高温下容易粗化或溶解失去强化作用，例如传统常用耐热铝合金A319和A356，其使用温度一般不超过230℃。因此，发展热稳定性更高、高温力学性能和疲劳性能更好的耐热铝合金以适应新工业发展要求，并部分取代高温钛合金降低商业成本，是近20~30年来国内外在新型铝合金研究领域的重要课题。

目前强化耐热铝合金性能的方法有很多。例如，通过引入合金化元素形成金属间化合物[1]、通过外加SiC, Al2O3 和 SiO2等耐热颗粒增强铝合金高温性能、通过原位引入弥散分布的耐热相、还通过DAS(枝晶臂间距)控制、快速凝固和热机械处理等方法提高材料的耐高温性等，这些方法为后续研究给予了启示作用。

引入金属间化合物的方法有很大局限性，例如，在Al-Si-Mg-Fe合金中，包括β-(Al5FeSi)和α-(Al5FeSi)析出相在内的脆性金属间相在200℃以上不稳定，它会降低合金的高温性能。除了利用金属间相析出物增强外，通过添加弥散强化颗粒制备的铝合金在高温条件下性能相对优越，但与常规材料相比存在成本较高、弥散强化颗粒与基体界面非相干导致物理性能降低、热膨胀系数差异导致残余热应力、性能局部偏差等问题。然而复杂的加工控制和高昂的成本仍然限制了这些方法的商业化。因此，有必要使用与传统方法不同的新强化相来提高高温性能。

2.2强化方法

铝合金热稳定性取决于其微观结构的变化，这是由合金元素扩散引起的。因此，在加热过程中，微观组织成分，如晶粒尺寸、相组成、相形态或基体中的溶质将会发生变化。为了评估微观结构变化对热稳定性的影响，应考虑铝合金在室温和受热时的基本强化机制。在实践中，不存在具有单一强化机制的合金，在使用过程中，几个贡献者同时控制合金的行为[2]。

例如，对于Al-Li合金，Li在Al基体中的溶解是关键因素，主要的增强来自于大量的Al3Li析出相。Al3Li相的强化由几种机制引起，如相干和表面硬化、模量硬化和相干有序析出相[3]的强化；对于不涉及沉淀硬化的冷加工AA1050合金，晶界强化贡献约为30 MPa，剩余170 MPa屈服应力被位错强化[4]覆盖。在挤压态AA7075合金的复杂组织中，晶界强化、位错强化、固溶体强化、析出强化和氧化物弥散体强化[5]是主要的强化因素。随着温度的升高，个别强化因素将选择性地改变其效果。例如，在非晶合金中，结晶和细小沉淀物的形成将代表关键的变化。对于纳米晶合金，当温度升高时，晶粒的生长将是主要的问题。

2.2.1基体中原子的固溶强化

溶质原子通过对周围主原子施加晶格应变来影响合金强度，从而减少位错运动和位错与基体原子之间的晶格应变场相互作用。合金原子倾向于在位错周围扩散和分离，以找到更适合其半径的原子位置，这降低了整个应变能，并固定位错。固溶体硬化的强度来自于每个溶质原子周围的应变场，取决于其失配半径。

2.2.2塑性变形引起的应变硬化或冷加工

应变或加工硬化是指继续塑性变形所需的应变的应力增加。当材料在低同源温度(低于再结晶)下变形时，其结构内部位错密度增加。铝具有较高的层错能，其变形主要是位错导致的滑移。应变/加工硬化过程通常被描述为位错积累和位错湮灭之间的竞争，被描述为动态恢复。

2.2.3细颗粒强化

细颗粒强化机制包括热处理沉淀强化或时效硬化，以及弥散体颗粒夹杂后的弥散强化，对位错运动起到阻碍作用。在合金中，颗粒可能被位错切割或拒绝切割，从而迫使位错绕过它们。

2.2.4 晶粒尺寸强化

当材料变形时，塑性流动阻力由位错滑移控制，扩散控制过程不存在问题，晶粒尺寸减小导致强化效果。

3 耐热铝合金研究进展展望

研究人员利用Ni、Cr、Mn、Co、Fe、La、Ce、Y、Ti、Zr、Hf、Nb、Mo、Ta等高熔点、低热扩散系数元素的微合金化作用，能对铝合金基体起到固溶强化或沉淀强化作用，进而提高铝合金的高温力学性能[6, 7]。其中，Er、Zr、Y、Mn、Ni、Cr、Ti、Sc等能在铝合金中形成多种耐热强化相。如A.V.pozdniakov[8]、SP Wen 等在铝合金中引入Er、Zr、Y，经固溶时效处理后析出的Al3Zr、Al3Y、Al3Er等强化相在高温下稳定；肖于德、SI Park 等人在铝基体引入过渡金属元素Zr、Ti、V、Ni与铝反应生成Al3Zr、Al3Ti、Al3V及Al3Ni等，统称Al3M型化合物，这也是近些年学者们的研究焦点。

参考文献

1.Rajeev, V.R., D.K. Dwivedi, and S.C. Jain, Effect of load and reciprocating velocity on the transition from mild to severe wear behavior of Al–Si–SiCp composites in reciprocating conditions. Materials in engineering, 2010. 31(10): p. 4951-4959.

2.Embury, J.D., D.J. Lloyd, and T.R. Ramachandran, Strengthening Mechanisms in Aluminum Alloys. Treatise on Materials Science & Technology, 1989. 31: p. 579-601.

3.Furukawa, M., Y. Miura, and M. Nemoto, Strengthening Mechanisms in Al–Li Alloys Containing Coherent Ordered Particles. Materials Transactions Jim, 1985. 26(4): p. 230-235.

4.Xiao Guang Qiaosupa/sup, N.G.s. and M.J. Starinksupa/supsup*/sup, A model of grain refinement and strengthening of Al alloys due to cold severe plastic deformation. Philosophical Magazine, 2012. 92(4): p. 446-470.

5.Ma, K., et al., Mechanical behavior and strengthening mechanisms in ultrafine grain precipitation-strengthened aluminum alloy.

Acta Materialia, 2014. 62(5): p. 141-155.

6.Chen, J., et al., Contributions to high temperature strengthening from three types of heat-resistant phases formed during solidification, solution treatment and ageing treatment of Al-Cu-Mn-Ni alloys respectively. Materials Science and Engineering: A, 2020. 772: p. 138819.

7.Xavier, M.G.C., et al., Effects of Ni and Co on the Corrosion Resistance of Al-Si-Cu-Zn-Fe Alloys in NaCl Solution. Metals (Basel ), 2022. 12(4): p. 645.

8.Pozdniakov, A., et al., Effect of Zr on the microstructure, recrystallization behavior, mechanical properties and electrical conductivity of the novel Al-Er-Y alloy. Journal of Alloys and Compounds, 2018. 765: p. 1-6.