快速凝固技術(shù)在鋁基合金材料中的應(yīng)用

李傳福

（濰坊工程職業(yè)學(xué)院山工機(jī)電工程學(xué)院，山東濰坊 262500）

試驗(yàn)研究

快速凝固技術(shù)在鋁基合金材料中的應(yīng)用

李傳福

（濰坊工程職業(yè)學(xué)院山工機(jī)電工程學(xué)院，山東濰坊 262500）

介紹了快速凝固技術(shù)的特點(diǎn)以及快凝鋁基合金材料的發(fā)展現(xiàn)狀，綜述了快速凝固技術(shù)在鋁基合金材料中的應(yīng)用以及鋁基晶態(tài)合金、鋁基準(zhǔn)晶合金、鋁基非晶合金的發(fā)展現(xiàn)狀。最后指出，快速凝固技術(shù)需要進(jìn)一步完善工藝，降低成本，實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)；需要優(yōu)化合金成分，加強(qiáng)多元系合金快凝過(guò)程的理論研究以及計(jì)算機(jī)模擬在鋁基合金材料快凝過(guò)程中的模擬應(yīng)用。

快速凝固技術(shù)；鋁基合金；準(zhǔn)晶合金

1 前言

快速凝固技術(shù)的應(yīng)用研究始于20世紀(jì)50年代末60年代初，自1960年杜韋茲（Duwez）首次用熔體旋淬法制備出Au-Si系合金，快凝材料的制備及研究引起了研究者的極大興趣。通過(guò)快速凝固技術(shù)可以研究合金在凝固時(shí)的各種組織結(jié)構(gòu)變化，從而控制得到生活、生產(chǎn)要求的合金。隨著航空航天技術(shù)以及交通運(yùn)輸工具輕型化的發(fā)展，對(duì)高性能鋁合金材料的需求越來(lái)越大，而快速凝固技術(shù)為鋁基合金新型材料的開發(fā)提供了一種新的途徑。本研究介紹快速凝固技術(shù)的特點(diǎn)，綜述快凝鋁基合金材料的發(fā)展現(xiàn)狀。

2 快速凝固技術(shù)的特點(diǎn)

快速凝固技術(shù)是一種非平衡的凝固過(guò)程，以105～106K/s的冷卻速率直接將液態(tài)金屬瞬間冷凝成固態(tài)，一般生成微晶和納米晶、準(zhǔn)晶、非晶等亞穩(wěn)相，得到具有特殊性能和用途的材料?？焖倌碳夹g(shù)使凝固過(guò)程中熔體的冷卻速度顯著提高，減少了單位時(shí)間內(nèi)金屬凝固時(shí)產(chǎn)生的熔化潛熱，增加了凝固過(guò)程中介質(zhì)的傳熱速度?？焖倌碳夹g(shù)的特點(diǎn)是使熔體快速冷卻，合金熔體中形成大的起始形核過(guò)冷度，從而實(shí)現(xiàn)高的凝固速率，最終獲得細(xì)小優(yōu)異的凝固組織。快速凝固技術(shù)主要分為兩類：一是“動(dòng)力學(xué)”方法，即提高熔體凝固時(shí)的傳熱速度，從而提高凝固時(shí)的冷速，使熔體形核時(shí)間極短，來(lái)不及在平衡熔點(diǎn)附近凝固而只能在遠(yuǎn)離平衡熔點(diǎn)的較低溫度凝固，因而具有較大的凝固過(guò)冷度和凝固速度，具體實(shí)現(xiàn)這一方法的技術(shù)稱為急冷凝固技術(shù)（RQT），也稱為熔體淬火技術(shù)（MQT）；另一種是“靜力學(xué)”方法，即針對(duì)通常鑄造合金都是在非均勻形核條件下凝固，使合金凝固的過(guò)冷度很小的問(wèn)題，設(shè)法提供近似均勻形核的條件，在這種條件下凝固時(shí)，盡管冷速不高但同樣可以達(dá)到很大凝固過(guò)冷度，從而提高凝固速度，具體實(shí)現(xiàn)這種方法的技術(shù)稱為大過(guò)冷技術(shù)（LUT）［1］。

3 快凝鋁基合金材料的發(fā)展現(xiàn)狀

快速凝固對(duì)合金成分的設(shè)計(jì)、合金的微觀組織結(jié)構(gòu)以及宏觀特性都產(chǎn)生了很大的影響，已經(jīng)成為發(fā)展新型材料的重要手段之一。從工程技術(shù)的層面來(lái)看，快速凝固技術(shù)已發(fā)展成為材料非平衡制備的重要手段，采用快速凝固技術(shù)可以制取粉末狀、絲狀或帶狀的非晶態(tài)、準(zhǔn)晶態(tài)或微晶以至納米晶材料。經(jīng)過(guò)40余年的發(fā)展，快速凝固技術(shù)及其合金的研究已經(jīng)成為材料科學(xué)與工程的一個(gè)重要分支。據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界上大多數(shù)相關(guān)企業(yè)和大學(xué)實(shí)驗(yàn)室都在進(jìn)行這方面研究，現(xiàn)有各種成分己定型的合金幾乎全被用快速凝固技術(shù)研究過(guò)?？焖倌毯辖鹨呀?jīng)在美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、日本等國(guó)廣泛應(yīng)用于航空、航天、核工業(yè)、機(jī)械、電子等許多部門，并發(fā)揮著十分重要的作用。

從20世紀(jì)80年代以來(lái)，受航天航空以及其他運(yùn)輸工具輕型化迅速發(fā)展影響，人們開始將注意力集中到高強(qiáng)度、低密度材料的研究工作，特別是對(duì)鋁基快凝合金的研究，這在國(guó)內(nèi)外有關(guān)非平衡凝固金屬材料和非晶態(tài)合金的學(xué)術(shù)會(huì)議上得到充分體現(xiàn)［2-3］。根據(jù)快凝鋁基合金的微觀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可將其分為鋁基晶態(tài)合金、鋁基準(zhǔn)晶合金及鋁基非晶合金。

3.1 晶態(tài)合金

根據(jù)快凝鋁基晶態(tài)合金性能特點(diǎn)，將其分為高強(qiáng)高韌鋁合金、超塑鋁合金和高溫耐熱鋁合金。

3.1.1 高強(qiáng)高韌鋁合金

高強(qiáng)高韌鋁合金具有密度低、強(qiáng)度高、加工性能及焊接性能好等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航天、航空工業(yè)以及民用工業(yè)等領(lǐng)域。尤其是在航空工業(yè)中占有十分重要的位置，是航空工業(yè)主要結(jié)構(gòu)材料之一。高強(qiáng)高韌鋁合金主要以Al-Cu-Mg和Al-Zn-Cu-Mg為基的合金。前者的靜強(qiáng)度略低于后者，但使用溫度卻比后者高。Al-Cu-Mg系合金是發(fā)展最早的一種熱處理強(qiáng)化型合金。航空工業(yè)的發(fā)展，促進(jìn)了該系合金的改進(jìn)。20世紀(jì)20年代和30年代相繼發(fā)展了2014和2024合金，隨后又發(fā)展了2618合金。這個(gè)系的合金發(fā)展較為成熟，已先后定型了十幾個(gè)牌號(hào)。這些合金作為航空工業(yè)的結(jié)構(gòu)材料，已得到了廣泛的應(yīng)用，約占每年航空工業(yè)消耗各種合金總量的一半。但同時(shí)也存在一些有待解決的問(wèn)題，比如此類合金疲勞裂紋長(zhǎng)大速度較快。由于這類合金通常采用霧化快速凝固方法生產(chǎn)，在快速凝固過(guò)程中會(huì)有不同程度的氧化等問(wèn)題。因此為了適應(yīng)未來(lái)航空航天技術(shù)的發(fā)展，還必須進(jìn)一步提高高強(qiáng)高韌鋁合金的強(qiáng)度、韌性、疲勞特性、耐應(yīng)力腐蝕開裂性和耐熱穩(wěn)定性。

3.1.2 超塑鋁合金

超塑鋁合金是近年來(lái)超塑性研究最活躍的領(lǐng)域，在已發(fā)現(xiàn)的超塑合金中，鋁合金占1/3以上。最早開發(fā)的超塑鋁合金是Al-33Cu。當(dāng)時(shí)人們對(duì)超塑性的認(rèn)識(shí)還比較膚淺，工作主要集中于共晶、共析型合金。20世紀(jì)70年代末，人們開始認(rèn)識(shí)到超塑性是金屬材料共有的一種特性，研究工作的重點(diǎn)開始轉(zhuǎn)向工業(yè)合金。我國(guó)的超塑性研究起步較晚，但發(fā)展很快，最早的超塑性鋁合金是Al-Ca共晶合金。以后相繼開發(fā)了Al-Cu-Zr等新型合金，近年來(lái)集中研究工業(yè)鋁合金，其中LC4的超塑性已達(dá)到世界先進(jìn)水平。隨著超塑成型技術(shù)的發(fā)展，超塑成型的鋁合金部件已廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、儀表、機(jī)械等各方面，這種新材料已產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

3.1.3 高溫耐熱鋁合金

傳統(tǒng)的高強(qiáng)鋁合金主要是亞共晶成分的合金，含有在固溶體中固溶度原子分?jǐn)?shù)＞2%的合金元素，并通過(guò)時(shí)效過(guò)程中金屬間化合物的析出達(dá)到合金強(qiáng)化的效果。但在150℃以上，這些析出相快速粗化，使材料性能急劇下降，從而限制了其使用范圍。通過(guò)近幾十年對(duì)耐熱鋁合金的大量研究，人們開發(fā)了一系列快凝耐熱鋁合金，這些合金主要以Al-Fe、Al-Cr和Al-Ni系為基礎(chǔ)，添加過(guò)渡金屬元素和稀土元素，形成三元、四元或多元合金，其中Al-Fe-V-Si系耐熱鋁合金中的8009合金由于具有良好的室溫和高溫強(qiáng)度而得到世界各國(guó)科研工作者的關(guān)注［4］。

3.2 準(zhǔn)晶合金

1984年，美國(guó)的Shechtman等在快速凝固Al-Mn、Al-Cr、Al-Fe合金中作出了歷史性的發(fā)現(xiàn)，他們?cè)谶@些合金中觀察到一種新的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的電子衍射譜既具有5次旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，又是由明銳的衍射斑點(diǎn)組成的，定出其點(diǎn)群為m，這與周期結(jié)構(gòu)是不相容的，因此這種結(jié)構(gòu)既不屬于晶態(tài)合金，也不屬于非晶態(tài)金屬，具有這種結(jié)構(gòu)的合金應(yīng)該是一類新的合金［5］。此后，Levine和Steinhardt等根據(jù)理論計(jì)算和計(jì)算機(jī)模擬證明可能存在一種新的固態(tài)金屬結(jié)構(gòu)，它們的原子排列具有長(zhǎng)程鍵合取向序和準(zhǔn)周期性，Levine和Steinhardt等認(rèn)為，這正是有非晶體學(xué)對(duì)稱性的三維準(zhǔn)周期結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于Penrose拼砌的三維推廣，第一次把這種結(jié)構(gòu)稱為準(zhǔn)晶體（quasicrystal），作為準(zhǔn)周期晶體的簡(jiǎn)稱［6］。他們的研究不僅為Shechtman等的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)提供了理論依據(jù)，而且，明確指出了固態(tài)金屬在結(jié)構(gòu)上除了晶態(tài)和非晶態(tài)之外還存在介于它們之間的準(zhǔn)晶態(tài)。這些實(shí)驗(yàn)和理論研究結(jié)果向經(jīng)典的金屬學(xué)理論發(fā)出了挑戰(zhàn)，同時(shí)也為金屬材料研究特別是快速凝固合金的研究開辟了一個(gè)新的領(lǐng)域，快凝準(zhǔn)晶合金的發(fā)現(xiàn)是近年來(lái)凝聚態(tài)物理學(xué)的一個(gè)重要突破，觸發(fā)了這方面研究的熱潮。

3.3 非晶合金

1965年，Predecki［7］等人首次通過(guò)熔體急冷的方法在Al-Si合金得到了非晶和晶體的共存體。隨后人們又陸續(xù)在Al-Ge，Al-M（M=Cu，Ni，Cr，Pd）等一系列合金系中通過(guò)噴槍技術(shù)得到非晶和晶體的共存體，但是通過(guò)噴槍技術(shù)和熔體急冷技術(shù)并沒(méi)有得到完全的非晶［8］。1981年第一次在含Al超過(guò)50%的Al-Fe-B和Al-Co-B合金系中得到了單一的非晶相［9］，隨后人們又在Al-Fe-Si，Al-Fe-Ge，Al-Mn-Si合金系中得到了單一的非晶相。但是這些非晶合金非常的脆，以致于人們認(rèn)為脆性是鋁基非晶固有的特征。1987年，Inoue在含Al超過(guò)80%的Al-Ni-Si和Al-Ni-Ge合金體系中發(fā)現(xiàn)了韌性良好的非晶合金相［10］。自此以后，大量具有韌性的鋁基非晶相在三元合金中被發(fā)現(xiàn)，如Al-Zr-Cu、Al-Zr-Ni和Al-Nb-Ni，從而形成了Al-EM-TM非晶合金系。隨后，用RE來(lái)代替EM的Al-RE-TM和二元Al-RE非晶系也先后被發(fā)現(xiàn)［11］。所有這些合金都表現(xiàn)出優(yōu)良的力學(xué)性能，包括高彈性和韌性。1988年，Y.He［12］等人發(fā)現(xiàn)了含鋁量達(dá)90%（原子分?jǐn)?shù)）的高強(qiáng)度低密度的Al-TM-RE非晶合金。1990年Inoue等人利用快凝技術(shù)得到新型的Al-TM-RE納米復(fù)合材料（納米晶體彌散分布在非晶基體上），其強(qiáng)度和韌性均超過(guò)所對(duì)應(yīng)的非晶合金［13］。和傳統(tǒng)的鋁合金相比，鋁基非晶合金擁有非常優(yōu)異的機(jī)械性能、耐蝕性、耐磨性及低的熱脹系數(shù)，鋁含量超過(guò)80%的Al-TMRE非晶合金還具有很好的韌性，非晶條帶可以彎折180°而不折斷，從而有著巨大的應(yīng)用前景。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著快速凝固技術(shù)的日益完善與發(fā)展，已生產(chǎn)出一系列性能優(yōu)異的快凝鋁基合金材料，更廣泛地應(yīng)用于航空航天、輕型運(yùn)輸工具等生活的各個(gè)方面。同時(shí)也應(yīng)該看到，快速凝固技術(shù)還存在一些問(wèn)題，有待進(jìn)一步解決，比如，快速凝固技術(shù)還未完全走出實(shí)驗(yàn)室，需要進(jìn)一步完善工藝，降低生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)工業(yè)量產(chǎn)；其次，需要優(yōu)化合金成分，加強(qiáng)多元系合金快凝過(guò)程理論研究以及計(jì)算機(jī)模擬在鋁基合金材料快凝過(guò)程中的模擬應(yīng)用。相信隨著快速凝固技術(shù)進(jìn)一步深入的研究，將會(huì)生產(chǎn)出更多高性能的鋁基合金材料，應(yīng)用到人們生活的方方面面。

［1］張忠華.快速凝固鋁基中間合金的研究［D］.濟(jì)南：山東大學(xué)，2003.

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Application and Research of Rapid Solidification Technology on Al-based Alloys

LI Chuanfu
（School of Electromechanical Engineering,Weifang Engineering Vocational College,Weifang 262500,China）

This article introduced the characteristics of rapid solidification technology and the development status of rapid solidified Al-based alloys.It mainly summarized the application of rapid solidification technology in Al-based alloys,and the development status of Al-based crystalline alloy,Al-based quasicrystalline alloy and Al-based amorphous alloys.Finally,it is pointed out that the rapid solidification technology should need to further improve the process,reduce the cost,achieve mass production,optimize the alloy composition,and strengthen the multicomponent alloy rapid solidification process of theoretical research and computer simulation application in aluminum alloy materials in the process of rapid solidification.

rapid solidification technology;Al-based alloy;quasicrystalline alloy

TG111.4；TG146.21

A

1004-4620（2015）02-0038-03

2014-12-31

李傳福，男，1984年生，2009年畢業(yè)于齊魯工業(yè)大學(xué)材料學(xué)專業(yè)，碩士。現(xiàn)為濰坊工程職業(yè)學(xué)院山工機(jī)電工程學(xué)院講師，從事鋁基合金材料方面的研究及教學(xué)工作。