納米陶瓷鋁合金在汽車上的應用

胥洲 李潤哲 成龍 譚福瑞

摘要：納米陶瓷鋁合金是采用物理或化學的方法，以鋁或鋁合金為基體，由一種或多種不同性質的增強物質組合而成的一種多項固體材料，該材料不僅具有基體鋁合金高塑性的優(yōu)點，同時具備了增強顆粒高硬度、高模量的優(yōu)點。納米陶瓷鋁合金具有良好的綜合性能，可廣泛應用于航空航天、電子電氣、汽車等領域。重點介紹了一種通過化學方法在鋁合金基體中原位自生出納米陶瓷顆粒，該方法制備出的納米陶瓷鋁合金具有輕質、高剛度、高強度、高抗疲勞、耐高溫的優(yōu)越性能，其力學性能遠高于鋁合金，同時保持了鋁合金良好的加工制造性能。

關鍵詞：納米陶瓷 鋁合金 復合材料 增強顆粒 原位自生

中圖分類號：U466? ?文獻標識碼：B? ?DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20220179

Abstract： Nano-ceramic aluminium alloy is a kind of multi-item solid material， which is based on aluminium or aluminium alloy by physical or chemical methods and composed of one or more reinforcing substances with different properties. This material not only has the advantages of high plasticity of aluminium alloy matrix， but also has the advantages of high hardness and high modulus of reinforcing particles. Therefore， nano-ceramic aluminium alloy has good comprehensive properties and can be widely used in aerospace， electronics and electric， automobiles and other fields. In this paper， a kind of in-situ self-generated nano-ceramic particles in aluminium alloy matrix by chemical method is introduced. The nano-ceramic aluminium alloy prepared by this method has the advantages of light weight， high rigidity， high strength， high fatigue resistance， high temperature resistance， and its mechanical properties are much higher than those of aluminium alloy， while maintaining good processing and manufacturing properties of aluminium alloy.

Key words： Nanometer ceramic， Aluminium alloy， Composite material， Reinforcing particle， In situ synthesis

1 前言

本研究中的陶瓷鋁合金是一種原位自生納米陶瓷顆粒增強鋁基復合材料，又稱納米陶瓷鋁合金，結合了陶瓷顆粒及鋁合金的優(yōu)點，突破了單一材料的性能局限，具有輕質、高剛度、高強度、高抗疲勞、耐高溫的優(yōu)越性能，其力學性能遠高于鋁合金，同時保持了鋁合金良好的加工制造性能，下文中提到的納米陶瓷鋁合金均由此種材料制備[1]。

汽車輕量化可以通過先進的制造工藝、輕量化材料、結構化設計途徑實現，輕質材料包括鋁、鎂、陶瓷、塑料、玻璃纖維、碳纖復合材料等[2]。從輕量化、節(jié)能、環(huán)保綜合性能方面考慮，鋁合金是汽車輕量化首選材料之一，而陶瓷鋁合金是國際領先的具有完全自主知識產權的新材料，克服了目前國際先進的外加陶瓷顆粒增強鋁基復合材料存在的顆粒尺寸大、分布不均勻、界面反應難以控制的問題，目前正逐步應用于汽車領域。

2 納米陶瓷鋁合金制備原理及特點

2.1 納米陶瓷鋁合金制備原理

在鋁熔體中加入組成陶瓷的基本元素通過原位自生的方法合成陶瓷顆粒，由此制備出納米陶瓷鋁合金材料[3]。

傳統(tǒng)的納米陶瓷鋁合金是通過物理攪拌的方式將納米陶瓷顆粒加入鋁合金基體中，這種方式制備的陶鋁材料中陶瓷顆粒有尖角、顆粒粗大、陶瓷顆粒與鋁基體界面不相容，如圖1所示，由此生產的陶鋁材料塑性差、加工困難、強度低。

而本研究通過在鋁熔體中加入組成陶瓷的基本元素通過原位自生的方法合成陶瓷顆粒，采用該種制備工藝生產出的陶鋁材料中陶瓷顆粒形狀規(guī)整、顆粒細小、陶瓷顆粒與鋁基體界面相容性好，如圖2所示。

由此生產的陶鋁材料塑性好、易加工、強度高，該種陶鋁材料中的納米陶瓷顆粒直徑尺寸可達到50～500 nm，如圖3所示。

2.2 納米陶瓷鋁合金特點

納米陶瓷鋁合金是一種原位自生納米陶瓷顆粒增強鋁基復合材料， 通過熔體控制技術，TiB2陶瓷顆粒原位自生，尺寸降低到50～500 nm，均勻鑲嵌在晶界外，與基體相容性好，起到析出強化作用，增強材料性能；國際上制備鋁基復合材料的傳統(tǒng)方法是先將陶瓷粉碎成陶瓷顆粒， 然后以攪拌鑄造或粉末冶金的方法混入鋁合金中復合材料，屬于機械混合，陶瓷顆粒的尺寸大（幾到幾十微米），分布不均勻、界面反應難以控制，帶來加工成形困難、強度及塑性差和性能不穩(wěn)定一系列問題[4]。

納米陶瓷鋁合金材料具有高剛度、高強度、高抗疲勞、低膨脹、高阻尼、耐高溫的優(yōu)越性能。力學性能遠高于鋁合金，同時保持了鋁合金良好的加工制造性能[5]；由于納米陶瓷鋁合金具有設計自由度高，可根據基體合金種類及納米陶瓷含量進行成分設計，進而達到材料性能定制目的。

3 納米陶瓷鋁合金材料性能

3.1 納米陶瓷鋁合金機械性能

在A356鑄造鋁合金中加入TiB2，質量分數為w（TiB2）=1.5%，研發(fā)的納米陶瓷鑄造鋁合金性能如表1所示。

納米陶瓷增強鋁合金材料與原基體材料比較，材料性能大幅提高。材料性能具有可設計性。在ZL205、A356、ZL109等常規(guī)鋁合金材料中耦合不同質量分數的TiB2，材料剛度、強度綜合性能大幅提高，具體性能見表2。

3.2 納米陶瓷鋁合金高溫性能和高溫疲勞性能

耐高溫納米陶瓷鋁合金性能與常規(guī)耐高溫鋁合金材料比較，依據標準GB/T 34220—2017《耐火材料 高溫抗拉強度試驗方法》及JJF 1298—2011《高溫蠕變、持久強度試驗機型式評價大綱》進行試驗，其高溫性能及疲勞性能顯著提高，具體參數見表3及表4。

3.3 納米陶瓷鋁合金擠壓性能

納米陶瓷鋁合金在普通鋁合金的基礎上增加20%的屈服強度，且保證同樣的延伸率，見圖4，部分納米陶瓷鋁合金6系牌號接近普通鋁合金7系的強度；型材納米陶瓷鋁合金材料，有輕質高強的特點，解決了普通鋁合金型材高強度無法擠壓薄壁件的難題，見圖5。

4 納米陶瓷鋁合金在汽車上的應用

納米陶瓷鋁合金材料具有高剛度、高強度、高抗疲勞、耐高溫等優(yōu)越性能。開發(fā)納米陶瓷鋁合金材料，通過優(yōu)化設計，應用于汽車上的不同零部件，實現汽車降重、降成本、提高疲勞壽命等目標，見表5。

4.1 鑄造納米陶瓷鋁合金

鑄造納米陶瓷鋁合金新材料可應用于汽車底盤零件，如副車架、轉向節(jié)、車輪支架、控制臂等，見圖6，尤其是一體化副車架，以及目前正在研究的一體化后地板，均可使用該材料，可顯著降低汽車質量，提升操控性。

采用該鑄造納米陶瓷鋁合金材料生產的轉向節(jié)可達到鍛造轉向節(jié)水平，具體性能指標見表6，鑄造納米陶瓷鋁合金材料采用鑄造工藝，接近常規(guī)6082Al T6鍛造材料水平。

4.2 型材納米陶瓷鋁合金

質量輕、強度高的型材納米陶瓷鋁合金材料可應用于車身結構件，如防撞梁、門檻加強件、新能源車電池盒等，見圖7，可顯著減輕汽車質量，減小壁厚，提升可靠性。型材納米陶瓷鋁合金在同等強度下，壁厚比常規(guī)鋁合金型材薄，可結合產品結構優(yōu)化設計。

型材納米陶瓷鋁合金力學性能可達到以下水平：抗拉強度≥350 MPa、屈服強度≥330 MPa、延伸率≥8%。由于壁厚的減薄和設計優(yōu)化。在成本不變情況下，可用于電池托盤等產品，見圖8，與傳統(tǒng)鋁合金A356材料相比，預計降重20%以上。

4.3 耐高溫納米陶瓷鋁合金

按照國V、國VI及以上排放要求，不斷增加的發(fā)動機升功率，不斷增長的活塞壽命，傳統(tǒng)耐高溫鋁合金已經不能滿足要求，耐高溫納米陶瓷鋁合金與常規(guī)耐高溫鋁合金材料比較，高溫抗拉強度、抗熱疲勞性能、耐腐蝕性及耐磨性顯著提高，可廣泛應用于發(fā)動機內零件，見圖9。

開發(fā)耐高溫納米陶瓷鋁合金材料，比較傳統(tǒng)鋁合金A356材料，材料強度提高8%，耐磨性提高10%；試制活塞在高速高負荷工況下摩擦功損失降低2%～3%，預計可降重10%，降低成本5%；試制缸體預計可降重5%、但成本會小幅增加，隨著材料用量增加，材料價格將降低，零件成本亦降低（以上數據待驗證）。

4.4 納米陶瓷鋁合金3D打印材料

納米陶瓷鋁合金3D打印材料具有高的激光吸收率，晶粒尺寸細小，經3D打印后可實現零件定制化、輕量化、復雜結構一體化，零件性能達到和超過鍛件水平，具體見表7。

通過使用納米陶瓷鋁合金3D打印材料可以快速制造加工復雜結構的零件，例如渦輪增壓葉片、熱交換器、管接頭等，見圖10，這樣可以減少開發(fā)階段的開模費用和實驗周期。

5 結論

依據此種強鋁基復合材料原位自生納米陶瓷顆粒優(yōu)異的特點，使其具有可設計性，實現對各種牌號鋁合金進行陶瓷鋁合金化，在基體鋁合金鑄件、型材、板材性能基礎上進一步提高材料強度，同時提升彈性模量、比強度、比剛度。

納米陶瓷顆粒增強鋁基復合材料應用在汽車上的效果如下。

（a）鑄造納米陶瓷鋁合金材料：采用鑄造陶鋁材料以鑄代鍛，可降重降成本；以鑄代鑄，可降重、但成本會小幅增加，隨著材料用量增加，材料價格將降低，零件成本亦降低。

（b）型材納米陶瓷鋁合金材料：陶瓷鋁合金型材新材料采用高強度陶瓷鋁合金型材，（抗拉強度≥350 MPa、屈服強度≥330 MPa、延伸率≥8%）。由于壁厚減薄和設計優(yōu)化。在成本不變情況下，可用于電池托盤等產品，預計降重20%以上。采用與普通型材鋁合金（如3系、4系、5系鋁合金等）同等系列材料時，型材納米陶瓷鋁合金材料強度要比普通型材鋁合金高，因此納米陶瓷型材鋁合金有一定的減薄空間，預計降重10%以上，可用于防撞梁等產品。

（c）耐高溫納米陶瓷鋁合金材料：耐高溫陶瓷鋁合金材料比較現有材料，其材料強度提高8%，耐磨性提高10%。試制活塞在高速高負荷工況下摩擦功損失降低2%～3%，預計可降重10%，降低成本5%；試制缸體預計可降重5%、但成本會小幅增加，隨著材料用量增加，材料價格將降低，零件成本亦降低。

（d）納米陶瓷鋁合金3D打印材料：3D打印陶鋁材料經3D打印后，可實現零件定制化、輕量化、復雜結構一體化，零件性能達到和超過鍛件水平。

參考文獻：

[1] 趙宇， 吳婉. SiC 顆粒增強鋁基復合材料的制備及組織分析[J]. 熱加工工藝， 2016， 45（2）： 98-103.

[2] 張松利， 張振坤， 趙玉濤. （Al2O3+Si）p/Al 系鋁基復合材料的原位制備及性能[J]. 材料熱處理學報， 2015， 36（1）： 16-21.

[3] 尹洪峰， 任耘， 羅發(fā). 復合材料及應用[M]. 西安， 科學技術出版社， 2003： 75.

[4] FROUM IN N， FRAGE N， AIZENSHTEIN M， et al. Interface reaction in B4C/（Cu-Si）system [J]. Acta Materialia， 2004， 52（9）： 2625.

[5] SAIZ E，TOM SIA AP，SUGANUMA K. Wetting and strength issues at Al/α- alumina interfaces [J]. Journal of the European Ceramic Society， 2003， 23： 2787-2796．