新型彌散強(qiáng)化鋁及鋁合金的技術(shù)現(xiàn)狀和商業(yè)前景

供稿|張超，劉娜，朱國(guó)峰，郭志猛，羅驥，陳存廣，曹慧欽，葉安平 / ZHANG Chao, LIU Na, ZHU Guo-feng, GUO Zhi-meng, LUO Ji, CHEN Cun-guang, CAO Hui-qin, YE An-ping

隨著我國(guó)制造業(yè)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)航空航天、交通運(yùn)輸、電子電氣、石油化工、能源等工業(yè)部門的發(fā)展迅速，工業(yè)用鋁材的消耗大大增加。并且，由于大飛機(jī)項(xiàng)目的啟動(dòng)及大型航母的制造等國(guó)家大型工程的實(shí)施，亟需開發(fā)低成本、高品質(zhì)、高性能鋁合金精密型材、管材、棒材以及鍛件等產(chǎn)品。

鋁合金的制備方法主要包括熔鑄法和粉末冶金法。目前，鋁合金的生產(chǎn)制造主要還是傳統(tǒng)的熔鑄法，通過(guò)采取提高原材料純度、調(diào)整合金成分、改變熱處理規(guī)范，根據(jù)需要進(jìn)行變形加工處理的方式，來(lái)改進(jìn)鋁合金的性能，但性能提高的幅度已經(jīng)越來(lái)越小。粉末冶金方法能夠避免材料成分偏析，提高合金元素在鋁基體中的固溶度，細(xì)化組織，改善其形態(tài)及分布特征，具有比熔鑄法更優(yōu)異的物理、化學(xué)、力學(xué)性能，因此成為制備高性能鋁合金的主要方法之一[1]。彌散強(qiáng)化鋁合金是新型高性能粉末冶金鋁合金的杰出代表。

彌散強(qiáng)化

彌散強(qiáng)化[2]，是采用粉末冶金方法，依靠特殊手段，在金屬基體中引入穩(wěn)定、均勻、細(xì)小的第二相質(zhì)點(diǎn)，釘扎位錯(cuò)、晶界、亞晶界，阻礙位錯(cuò)的移動(dòng)，從而強(qiáng)化材料的方法，其強(qiáng)化作用比固溶強(qiáng)化、形變強(qiáng)化、時(shí)效強(qiáng)化等都要突出。圖1是彌散強(qiáng)化機(jī)理示意圖?；顫娊饘俚难趸锞哂泻芨叩姆€(wěn)定性，常用作彌散強(qiáng)化材料的增強(qiáng)相，這類材料稱為氧化物彌散強(qiáng)化(Oxide Dispersion Strengthened，ODS)材料[3]，Al2O3是典型的彌散相。

圖1 彌散強(qiáng)化機(jī)理示意圖

彌散強(qiáng)化鋁及鋁合金的顯微組織細(xì)小、可控，可根據(jù)用途添加所需的合金元素，并且合金元素含量能夠超出鑄造鋁合金和變形鋁合金的合金范圍。彌散強(qiáng)化相與傳統(tǒng)時(shí)效強(qiáng)化鋁合金中的沉淀析出相相比有本質(zhì)上的區(qū)別，沉淀析出相在高溫下會(huì)溶解到基體中，但彌散強(qiáng)化相(如Al2O3)在高溫下也能穩(wěn)定存在于基體中，因此在高溫時(shí)彌散相也能起到很好的強(qiáng)化作用，大大提高了鋁合金的使用溫度。同時(shí)，由于彌散相粒子尺度為納米級(jí)，不會(huì)影響鋁合金本體的塑性及導(dǎo)電導(dǎo)熱性能，拓寬了彌散強(qiáng)化鋁及鋁合金的應(yīng)用領(lǐng)域。

由于鋁及鋁合金粉末表面不可避免地會(huì)包覆一層超薄致密氧化膜，且不可還原，在常規(guī)粉末冶金工藝成形和燒結(jié)過(guò)程中氧化膜會(huì)阻礙顆粒間形成冶金結(jié)合，難以獲得高致密度、界面潔凈的鋁合金[1]。本文提出充分利用鋁粉表面天然自生的氧化膜，采用高溫振動(dòng)活化燒結(jié)工藝，將氧化膜破碎成為彌散強(qiáng)化相粒子，輔以擠壓、拉拔、鍛造等后續(xù)處理工藝，獲得高致密、高性能彌散強(qiáng)化鋁及鋁合金制品。下面介紹幾種典型成分體系的彌散強(qiáng)化鋁及鋁合金。

彌散強(qiáng)化純鋁

圖2是霧化法制備的純鋁粉形貌(a)與彌散強(qiáng)化純鋁顯微組織形貌(b)?？梢钥闯?，鋁粉顆粒較為細(xì)小，為橢圓形；彌散強(qiáng)化純鋁的顯微組織中白色顆粒為Al2O3，其尺寸大部分在5~50 nm，在基體中均勻分布。表1為彌散強(qiáng)化純鋁的室溫力學(xué)性能與導(dǎo)電性能。結(jié)果表明，彌散相Al2O3對(duì)純鋁基體的強(qiáng)化作用十分明顯，強(qiáng)度提高幅度達(dá)3~5倍，而對(duì)其物理性能(如導(dǎo)電性)影響較小，且退火對(duì)彌散強(qiáng)化純鋁影響不大。一般來(lái)說(shuō)，采用顆粒增強(qiáng)的方式能夠提高鋁的強(qiáng)度，但鋁的導(dǎo)電性會(huì)明顯下降。因此，彌散強(qiáng)化是解決鋁的強(qiáng)度與導(dǎo)電性之間矛盾的最好方法。彌散強(qiáng)化鋁有望在電力行業(yè)大力推廣，能夠替代目前所用的鋁合金電纜，甚至部分實(shí)現(xiàn)以鋁代銅，生產(chǎn)成本大幅降低，市場(chǎng)前景巨大。

圖2 霧化鋁粉形貌(a)與彌散強(qiáng)化純鋁顯微組織形貌(b)

彌散強(qiáng)化鋁合金

2000系(Al-Cu-Mg系)、7000系(Al-Zn-Mg-Cu系)高強(qiáng)鋁合金作為一種高性能材料，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)各領(lǐng)域，其發(fā)展水平的高低是一個(gè)國(guó)家鋁工業(yè)先進(jìn)程度的體現(xiàn)。盡管鋁合金一直對(duì)航空、航天等高新技術(shù)起著十分重要的支撐作用，但隨著鈦合金、復(fù)合材料的快速發(fā)展，鋁合金正面臨前所未有的挑戰(zhàn)[4]。彌散強(qiáng)化鋁合金由于具有比傳統(tǒng)變形鋁合金更優(yōu)異的性能，已經(jīng)部分替代航空交通工具上所使用的2000和7000系列商業(yè)鋁合金，改善其結(jié)構(gòu)效能，達(dá)到減重效果，全面提升鋁合金的綜合性能。

表1 彌散強(qiáng)化純鋁的室溫力學(xué)性能與導(dǎo)電性能

圖3是2024彌散強(qiáng)化鋁合金燒結(jié)-T6態(tài)與擠壓-T6態(tài)的顯微組織，圖4是2024彌散強(qiáng)化鋁合金擠壓樣品(半圓管材與細(xì)棒材)?？梢钥闯?，合金燒結(jié)-T6態(tài)組織致密，無(wú)孔隙存在，晶粒細(xì)小，尺寸在20~30 μm；擠壓-T6態(tài)組織呈細(xì)長(zhǎng)條狀，晶粒更加細(xì)小，尺寸在1~5 μm。

表2與表3分別給出了2024彌散強(qiáng)化鋁合金(擠壓-T6態(tài))室溫與高溫力學(xué)性能。與2024普通變形鋁合金相比，彌散強(qiáng)化鋁合金表現(xiàn)出更加優(yōu)異的室溫與高溫抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度，而延伸率降低不多。此外，2024普通變形鋁合金在107周次下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞測(cè)試，疲勞強(qiáng)度為200 MPa；而2024彌散強(qiáng)化鋁合金在同樣條件下測(cè)試出的疲勞強(qiáng)度為246 MPa，提高了20%。

圖3 2024彌散強(qiáng)化鋁合金燒結(jié)態(tài)(a)與擠壓態(tài)(b)顯微組織形貌

圖4 2024彌散強(qiáng)化鋁合金擠壓樣品

圖5為2A50彌散強(qiáng)化鋁合金鍛件，(a)負(fù)重輪與(b)重型卡車輪轂，其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通的2A50變形鋁合金輪轂，抗拉強(qiáng)度達(dá)到450 MPa，屈服強(qiáng)度達(dá)到380 MPa，延伸率為10%。這對(duì)重載車輛的進(jìn)一步減重大有好處，還能減少油耗，提高輪胎的使用壽命。同時(shí)，彌散強(qiáng)化鋁合金還有望用于制造汽車底盤零件，如上臂、下臂、橫梁和盤式制動(dòng)器卡爪等強(qiáng)度要求高的零件。

此外，還開發(fā)出高性能7055彌散強(qiáng)化鋁合金，抗拉強(qiáng)度達(dá)到730MPa，屈服強(qiáng)度達(dá)到690 MPa，延伸率為9.4%。與相同牌號(hào)的國(guó)外7055變形鋁合金[5]相比，彌散強(qiáng)化鋁合金的強(qiáng)度提高了15%以上，延伸率稍有下降。

結(jié)束語(yǔ)

彌散強(qiáng)化鋁及鋁合金表現(xiàn)出十分驚人的優(yōu)異性能，將會(huì)為鋁合金行業(yè)的發(fā)展指明新的開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化方向。低成本制造高性能彌散強(qiáng)化鋁合金，是未來(lái)鋁合金發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。變形鋁合金2000系和7000系售價(jià)相對(duì)較高，而同等強(qiáng)度的甚至更高強(qiáng)度的彌散強(qiáng)化鋁合金制造成本要低于相同牌號(hào)的變形鋁合金，因此可全部替代目前所用的2000系和7000系高強(qiáng)鋁合金。繼續(xù)推進(jìn)彌散強(qiáng)化鋁及鋁合金的產(chǎn)業(yè)化，將會(huì)推動(dòng)我國(guó)工業(yè)技術(shù)以及國(guó)防科技的發(fā)展，對(duì)我國(guó)未來(lái)高技術(shù)更新?lián)Q代和新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有強(qiáng)有力的支撐作用。

北京科技大學(xué)對(duì)于該新型彌散強(qiáng)化鋁及鋁合金已經(jīng)建立起核心專利保護(hù)體系，經(jīng)過(guò)前期研究開發(fā)，中試規(guī)模產(chǎn)品已經(jīng)獲得用戶高度評(píng)價(jià)并快速在相關(guān)行業(yè)形成影響力。該項(xiàng)目經(jīng)過(guò)北京國(guó)際高技術(shù)中心評(píng)估，認(rèn)為具備較好的商業(yè)化應(yīng)用前景，并推薦。

聯(lián)系人朱國(guó)峰，北京國(guó)際高技術(shù)中心項(xiàng)目經(jīng)理，聯(lián)系電話13466336556，E-mail：ihtc@ustb.edu.cn。聯(lián)系地址：100083海淀區(qū)學(xué)院路30號(hào) 北京科技大學(xué)辦公樓224。

表2 2024彌散強(qiáng)化鋁合金的室溫力學(xué)性能

表3 2024彌散強(qiáng)化鋁合金的高溫力學(xué)性能

圖5 2A50彌散強(qiáng)化鋁合金負(fù)重輪(a)與重型卡車(b)輪轂實(shí)物圖

[1] 陳峰，閆志巧，蔡一湘．粉末冶金鋁合金及復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)．材料研究與應(yīng)用，2014，8(1)：1-5．

[2] 李美霞，郭志猛，趙奇特．氧化鋁彌散強(qiáng)化銅的研究進(jìn)展及其應(yīng)用．粉末冶金工業(yè)，2008，18(1)：36-40．

[3] Chen C G, Guo Z M, Luo J, et al. Self-propagating combustion synthesis and characterization of ODS Fe-base super alloy powders.Materials Science Forum, 2013, 747-748: 641-646.

[4] 雷彬彬，周志明，黃偉九，等．Al-Cu-Mg高強(qiáng)鋁合金的研究進(jìn)展．熱加工工藝，2012，41(2)：41-45．

[5] Srivatsan T S, Anand S, Sriram S, et al. The high-cycle fatigue and fracture behavior of aluminum alloy 7055. Materials Science and Engineering A, 2000, 281(1-2): 292-304.