鑄造耐熱Al-Si合金的研究進展

孫建波，曾廣凱，王雨辰，黃冠兆，馬致遠，胡治流，2，3，潘利文，2，3*

（1.廣西大學(xué)資源環(huán)境與材料學(xué)院，廣西 南寧 530004；2.廣西有色金屬及特色材料加工重點實驗室，廣西 南寧 530004；3.廣西生態(tài)型鋁產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，廣西 南寧 530004）

鑄造耐熱Al-Si合金由于具有比重輕、高溫高比強度、良好的抗氧化、耐磨性等，廣泛用于汽車、航空航天、船舶等領(lǐng)域，如坦克裝甲車發(fā)動機活塞、導(dǎo)彈殼體、航空發(fā)動機氣缸、壓氣機葉片等[1]。

傳統(tǒng)鑄造耐熱鋁合金的高溫強度、耐熱疲勞性能目前已臨近極限狀態(tài)，不能滿足新型高功率發(fā)動機的發(fā)展要求[2]。原因主要是鋁合金中的強化相熱穩(wěn)定性不足，在高溫下容易粗化或溶解失去強化作用，鑄造Al-Si合金的使用溫度一般不超過230℃[3]。在Al-Si合金中加入Mg，時效析出的Mg2Si相的熱穩(wěn)定溫度約為180℃，所以Al-Mg-Si合金耐熱性低，工作溫度一般低于185℃[4]。Al-Si合金中加入Cu后時效析出的Al2Cu相，其熱穩(wěn)定溫度約為225℃，所以Al-Si-Cu系合金一般只能在225℃以下工作[5]。然而，作為發(fā)動機燃燒室中關(guān)鍵部件之一的活塞，它需與350℃~400℃的高溫氣體長時間接觸并承受25℃~300℃的熱機械疲勞作用[6]。為了進一步提高鑄造Al-Si合金的高溫性能，多數(shù)研究者是在傳統(tǒng)鑄造Al-Si合金基礎(chǔ)上添加高熔點、低熱擴散系數(shù)的合金化元素使基體析出高強、高熱穩(wěn)定性且與基體界面結(jié)合良好的彌散強化相。

1 鑄造耐熱Al-Si合金的研究進展

近幾年，為了在鑄造耐熱Al-Si合金中引入高強熱穩(wěn)強化相，添加Zr、V、Ti、Cr、Mn、Mo、Co、Ni、Er等高熔點金屬元素成為研究的熱點，在高溫強化機理和高溫力學(xué)性能方面取得較大的研究進展。

Mehdi Rahimian[7]研究表明Zr對鑄造Al-Si-Cu-Mg合金具有細化晶粒的作用，這是因為Al3Zr顆粒充當(dāng)Al的異質(zhì)形核劑。在200℃下，Al-7Si-2Cu-0.2Zr合金的力學(xué)性能性能得到提高，主要是由于納米級含Zr沉淀物的形成，該沉淀物與α-Al基體形成共格/半共格界面，且高溫下Zr在Al基體中的擴散率極小，其在高溫下更穩(wěn)定。Min-Su Jo[8]表示（Al，Si）3（Zr，Ni，F(xiàn)e）金屬間化合物的硬度非常高，為11.3GPa，相當(dāng)于Al-14Si合金中最硬相Si的值。（Al，Si）3（Zr，Ni，F(xiàn)e）金屬間化合物的硬度在350°C時略有降低14%，并保持約10GPa的高硬度值,有利于改善合金的高溫強度。

S.K.Shaha[9]在Al-Si-Cu-Mg基體中加入Mo和Mn，發(fā)現(xiàn)提高了合金的高溫拉伸性能。這歸因于Mn和Mo在凝固過程中形成熱穩(wěn)定的細小沉淀相與含Cu相一起增加了合金強度。另外，有害的含F(xiàn)e相與Mn、Mo反應(yīng)形成熱穩(wěn)定的沉淀物有效地阻礙了位錯的運動。

Guangjin Li[10]表明添加Cr能明顯改變Al-12Si-3.5Cu-2Mn合金中主要富錳相的形態(tài)，從細長桿到樹枝狀晶體再到星形顆粒，但沒有形成新的富Cr相，Cr主要溶解在富Mn相中，添加Cr可以顯著提高合金的高溫強度。Yuying Yang[11]表示Cr可使針狀β-AlFeSi相轉(zhuǎn)變?yōu)轸~骨狀α-Al（Fe，Cr）Si相，導(dǎo)致強化相的硬度降低，導(dǎo)致高溫拉伸強度隨Cr含量增加而降低。

S.K.Shaha等 人[12]用 Cr，Ti，V 和 Zr改 性 Al-7Si-1Cu-0.5Mg合金。在300℃時，合金的力學(xué)性能得到提高。因為在合金中添加Cr，Ti，V和Zr在凝固過程中形成了熱穩(wěn)定的彌散沉淀物，與含銅相一起增加合金強度，有效地阻止高溫拉伸過程中的位錯運動。而且，有害的富Fe相與Zr、Ti也能反應(yīng)形成熱穩(wěn)定沉淀相，也有利于高溫性能提高。Se-Weon Choi[13]在Al-6.5Si-0.44Mg-0.9Cu添加Ti促進了Ω和θ'相的形成，Al-6.5Si-0.44Mg-0.9Cu-0.2Ti合金的高溫?zé)釘U散系數(shù)均低于不含Cu和Ti合金。在所有溫度范圍內(nèi)，含Ti合金具有低的熱擴散率，所以顯著增加了高溫抗拉強度。

表1 高溫下鋁合金的抗拉強度

Kaiqi Hu[14]在Al-Si-Cu-Ni-Mg合金中引入納米AlNp微小骨架，相互連接形成三維網(wǎng)絡(luò)。同時，微小骨架在三維空間中與半連續(xù)的富Ni化合物協(xié)同增強基體，350℃時的UTS增加了24.7%，主要由于納米AlNp微型骨架有助于承受機械載荷，而且AlNp可以改變Si相形貌以降低應(yīng)力集中，并且納米AlNp微型骨架也在阻礙位錯運動中發(fā)揮作用。

LijieZuo[15]發(fā)現(xiàn)在Al-Si-Cu-Ni合金中，隨著δ-Al3CuNi相數(shù)量的增加，初生Si的平均直徑增加而共晶Si減少。鑄態(tài)合金中存在條形和魚骨形δ-Al3CuNi相，魚骨形δ-Al3CuNi相由許多獨立的短棒組成，條狀δ-Al3CuNi相在350℃下具有熱穩(wěn)定性。隨著δ-Al3CuNi相體積分數(shù)的增加，較多的載荷可以從基體轉(zhuǎn)移到δ-Al3CuNi相，在室溫和350℃下，YS和UTS隨δ-Al3CuNi的增加而增加。

Marco Colombo等人[16]在Al-7Si-0.4Mg合金中添加稀土Er，結(jié)果表明Er可碎裂和球化共晶形態(tài)。Er的添加量為0.22wt.%時，200℃具有最佳的力學(xué)性能。生成的Al3Er沉淀物在300℃下非常耐粗化，增強了高溫力學(xué)性能。Suwaree Chankitmunkong[17]將Cu和Er添加到AA4032合金中，發(fā)現(xiàn)初生Si的數(shù)量隨著Cu含量的增加而增加，表明Cu加入改變了合金的共晶點。另外，Er的加入導(dǎo)致初生Si消除和共晶硅細化，在AA4032合金中添加Cu和 Er導(dǎo) 致 ε-Al3Ni和 δ-Al3CuNi相 向 γ-Al7Cu4Ni，Q-Al5Cu2Mg8Si6和Al9Fe2Si2相變化，這些相有效的提高了高溫穩(wěn)定性和力學(xué)性能。

綜上所述，提高鑄造耐熱Al-Si合金的高溫力學(xué)性能仍是以合金化為主，通過物相、顯微組織及力學(xué)性能分析，更深入的了解了強化機理，在提高高溫力學(xué)性能方面也取得較大突破。表1是近幾年來研究報道的一些鑄造耐熱Al-Si合金350℃的抗拉強度，其中有不少耐熱鋁合金350℃的抗拉強度超過了100 MPa，比德國馬勒公司開發(fā)的已服役的鑄造耐熱鋁合金（M124、M142）的抗拉強度要高許多，有望作為新型鑄造耐熱鋁合金應(yīng)用于300℃以上。

2 結(jié)語

鑄造耐熱Al-Si合金由于鑄造流動性好、熱膨脹系數(shù)低及成本低等，目前仍是研究開發(fā)的重點，近幾年的研究取得了較大進展，通過過渡金屬元素及稀土元素的合金化作用，使有些耐熱鋁合金350℃的抗拉強度大大超過了現(xiàn)役的部分耐熱鋁合金，但目前仍缺少300℃以上的高溫蠕變性能，這是下一步值得開展的研究。另外，由于共晶硅在高溫（300℃以上）長時服役過程中容易出現(xiàn)球化粗化，影響了其作為新型耐熱鋁合金應(yīng)用于300℃以上，因此，應(yīng)該尋求方法抑制共晶硅的高溫球化和粗化，如使部分共晶硅通過合金化后生成熱穩(wěn)定性更佳的新強化相。另一方面，在鑄造Al-Si合金的基體中通過原位反應(yīng)生成高強熱穩(wěn)化合物或外加高強耐熱陶瓷顆粒形成鋁基復(fù)合材料也是未來值得開展的工作。