耐熱鋁合金的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀與展望

張 琪

(中國鋁業(yè)集團(tuán)有限公司 鋁加工事業(yè)部，北京 100082)

鋁合金以其高的比剛度、比強(qiáng)度、耐腐蝕及可循環(huán)利用等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、軌道交通、汽車、電子等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。目前商用鋁合金的強(qiáng)化方式包括固溶強(qiáng)化、加工硬化、析出強(qiáng)化等。由于鋁合金的熔點(diǎn)較低，堆垛層錯(cuò)能較高，擴(kuò)展位錯(cuò)較窄，易發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶；同時(shí)大部分時(shí)效強(qiáng)化鋁合金的彌散析出相在200℃以上發(fā)生快速粗化或溶解，導(dǎo)致大部分鋁合金很難在200℃以上長期使用。

近年來，航空航天、高壓輸電、核乏燃料貯存、石油鉆探等領(lǐng)域的快速發(fā)展對(duì)鋁合金的耐熱性能提出了更高要求，迫切需要開發(fā)能在較高溫度下長期使用的鋁合金材料。如在城市管廊和遠(yuǎn)距離電力輸送線路建設(shè)中，采用耐熱鋁導(dǎo)線替代傳統(tǒng)硬鋁線，導(dǎo)線的連續(xù)運(yùn)行溫度可由90℃提高到150℃，在線路正常運(yùn)行時(shí)，同等截面積的耐熱鋁導(dǎo)線的載流量是傳統(tǒng)硬鋁絞線的2.14倍，可大幅降低線路施工建設(shè)成本和運(yùn)行維護(hù)難度[1-3]。在航空領(lǐng)域，隨著飛機(jī)飛行速度和智能化水平的進(jìn)一步提升，迫切需要在250℃～300℃溫度區(qū)間使用的耐熱高強(qiáng)高韌鋁合金，代替鈦合金實(shí)現(xiàn)良好的減重效果[4，5]。在核乏燃料存儲(chǔ)領(lǐng)域，要求用于中子吸收材料的B4C/Al能夠在300℃以上長時(shí)間保持仍具有一定的強(qiáng)度[6]。

由于不同應(yīng)用場(chǎng)景的服役條件不同，對(duì)鋁合金的耐熱性能和其他綜合性能的要求差異也較大。因此針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景的耐熱鋁合金的設(shè)計(jì)、制造工藝及評(píng)價(jià)方式也存在較大差別，不能一概而論。本文綜述了航空航天、高壓輸電、核乏燃料貯存、石油鉆探等主要應(yīng)用領(lǐng)域耐熱鋁合金的性能特點(diǎn)、開發(fā)及應(yīng)用現(xiàn)狀，以期為相關(guān)領(lǐng)域耐熱鋁合金的發(fā)展和應(yīng)用提供借鑒。

1 不同應(yīng)用場(chǎng)景耐熱鋁合金的研究及現(xiàn)狀

1.1 航空航天用高強(qiáng)韌耐熱鋁合金

20世紀(jì)90年代初，歐美國家開始研制新一代超音速民航客機(jī)，其設(shè)計(jì)航速達(dá)到了M2.4，機(jī)身與空氣的強(qiáng)烈摩擦可導(dǎo)致蒙皮溫度達(dá)到160℃～190℃，局部溫度可達(dá)200℃以上。傳統(tǒng)耐熱鋁合金(如2519、2618、2219等2xxx系耐熱合金)的蠕變性能或耐損傷性能都無法滿足這一新要求。

近年來，國內(nèi)外研究者先后在2014、2219、2519等合金的基礎(chǔ)上進(jìn)行微合金化，改變合金的時(shí)效析出序列，同時(shí)形成新的耐熱相，在保證材料較高強(qiáng)韌性的基礎(chǔ)上，提升耐熱性能[7-9]。一般來說，微量Mn、Cr、Zr、Ti和Sc等元素添加到Al-Cu-Mg合金中后，僅對(duì)合金鑄態(tài)組織中的晶粒或時(shí)效強(qiáng)化相的尺寸產(chǎn)生影響，并不改變合金中的主要強(qiáng)化相類型和析出序列[10]，而研究者發(fā)現(xiàn)微量Ag的添加則可以改變合金的時(shí)效析出序列。國內(nèi)外研究者先后在2014、2219和2519等合金中添加微量Ag[7-9]，使得合金中析出一種新相Ω，研究認(rèn)為，Ω相是由Ag和Mg原子團(tuán)簇逐步演變形成的，其具體析出序列和相結(jié)構(gòu)還有待進(jìn)一步研究；Ω相比θ(Al2Cu)相和S(Al2CuMg)相具有更好的熱穩(wěn)定性。大量研究表明，與現(xiàn)有2xxx系鋁合金相比， Al-Cu-Mg-Ag系合金不僅可以獲得較高的室溫強(qiáng)度及耐損傷性能，還可改善鋁合金的高溫性能。因此，Al-Cu-Mg-Ag系合金有望滿足超音速飛機(jī)的經(jīng)濟(jì)性要求及耐熱性能要求，是超音速飛機(jī)備選材料的一個(gè)極有希望的發(fā)展方向。

近期，西安交通大學(xué)研究人員[11]選用常見的Al-Cu合金并結(jié)合Sc元素的微合金化作用，實(shí)現(xiàn)了Sc原子在Al2Cu強(qiáng)化相顆粒界面的高濃度偏聚，顯著抑制了該顆粒在高溫下的粗化長大。該合金具有超常的抗高溫蠕變性能(圖1)，在300℃以及大于30MPa外加應(yīng)力的苛刻蠕變環(huán)境下，可安全服役長達(dá)350h以上。與常規(guī)耐熱鋁合金(包括Al-Cu-Mg系、Al-Mg-Si系、Al-Zn-Mg系、Al-Si系和Al-Sc系)和顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料相比，此新型Al-Cu-Sc合金在相同的服役條件下其高溫蠕變性能提高了2～3個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖1 新型Al-Cu-Sc合金蠕變性能[11]

美國Allied-Signal公司采用快速凝固-粉末冶金法成功研制了三種Al-Fe-V-Si合金[12-14]，分別命名為FVS0812(Al-8.5%Fe-1.3%V-1.7%Si)，F(xiàn)VS1212(Al-12.4%Fe-1.2%V-2.3%Si)，F(xiàn)VS0611(Al-5.5%Fe-0.5%V-1.1%Si)。采用快速凝固-粉末冶金法制備的Al-Fe-V-Si系合金中均勻分布著直徑小于40nm的細(xì)小的類球狀硅化物Al12(FeV)3Si彌散相，并且與鋁基體存在特定的位向關(guān)系，與鋁基體共格良好，熱穩(wěn)定性極好[13]。FVS0812和FVS1212合金的力學(xué)性能列于表1。FVS0812和FVS1212合金可模鍛成航空航天器的各類零部件，如制造飛機(jī)輪轂、發(fā)動(dòng)零部件；可軋制成厚板，制造火箭尾翼；可擠壓成型材，制造燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)靜態(tài)結(jié)構(gòu)件。我國學(xué)者也對(duì)Al-Fe-V-Si合金開展了大量研究，但目前未見國產(chǎn)化應(yīng)用的報(bào)道。

表1 快速凝固-粉末冶金Al-8.5%Fe-1.3%V-1.7%Si合金的力學(xué)性能

2019年8月，澳大利亞工程院吳鑫華院士在美國里諾舉行的國際航空材料大會(huì)上發(fā)布，成功開發(fā)出了牌號(hào)為Al250C的高強(qiáng)高韌耐熱3D打印專用鋁合金材料，已經(jīng)達(dá)到了批產(chǎn)和商業(yè)化使用階段，受到了包括美國通用、波音、雷神、賽峰等多家航空巨頭的高度贊賞和重視。據(jù)報(bào)道，該Al250C材料強(qiáng)度達(dá)到目前可用于3D打印的鋁合金材料中的最高水平，屈服強(qiáng)度可達(dá)580MPa，抗拉強(qiáng)度590MPa以上，延伸率可達(dá)11%，所制備構(gòu)件通過了250℃高溫下持續(xù)5000h的穩(wěn)定試驗(yàn)，相當(dāng)于發(fā)動(dòng)機(jī)常規(guī)服役25年的要求(圖2)。目前該合金的成分、制粉和打印工藝尚處于保密狀態(tài)。

圖2 采用Al250C鋁合金3D打印發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件

1.2 高壓輸電用耐熱鋁合金

對(duì)于高壓輸電用耐熱鋁合金導(dǎo)線，耐熱性和導(dǎo)電率是一對(duì)存在“倒置”關(guān)系的性能。目前國內(nèi)外商業(yè)化的耐熱鋁合金導(dǎo)線導(dǎo)電率最高為61%IACS，但耐熱溫度僅為120℃；而耐熱溫度為150℃的耐熱鋁合金導(dǎo)線其導(dǎo)電率為60%%IACS，難以滿足遠(yuǎn)距離、大容量輸電線路建設(shè)工程及電網(wǎng)擴(kuò)容改造工程的需求[15]。因此如何在保證導(dǎo)電率的前提下，提升耐熱性是耐熱鋁合金導(dǎo)線的研究重點(diǎn)。

日本研究者在20世紀(jì)70年代研制出電導(dǎo)率為60%IACS的鋁鋯合金耐熱鋁導(dǎo)線，并在20世紀(jì)90年代開始大量應(yīng)用。為進(jìn)一步提升鋁鋯合金耐熱導(dǎo)線的導(dǎo)電率，日本研究者嘗試在固溶型鋯耐熱鋁合金添合金元素Li或B[16]，并通過溫拉拔或控制鑄造冷卻速度來調(diào)高耐熱鋁合金的電導(dǎo)率[17]，同時(shí)通過時(shí)效熱處理調(diào)控鋯耐熱鋁合金的電導(dǎo)率[18]。通過上述手段可以使導(dǎo)線的電導(dǎo)率提高至61%IACS，但由于工藝苛刻，一直未投入工業(yè)應(yīng)用。除稀土微合金外，美國South Wire公司開發(fā)的Al-Fe系耐熱鋁合金導(dǎo)體材料、美鋁公司開發(fā)的CK76合金、加鋁公司的1320C合金，瑞典Elekro Coppar公司的Ductalex合金等，這些合金圍繞Fe、Cu、Mg等元素的合金化，改善了鋁合金導(dǎo)體的導(dǎo)電性和耐熱性，但總體耐熱性能距離稀土耐熱鋁合金導(dǎo)線仍有一定差距。美國2010年制定的ASTM B941標(biāo)準(zhǔn)[19]中，明確了鋁鋯耐熱鋁合金導(dǎo)線的相關(guān)性能指標(biāo)，見表2。

表2 ASTM B941-10標(biāo)準(zhǔn)中耐熱鋁合金導(dǎo)線的性能指標(biāo)[19]

我國學(xué)者和企業(yè)也在耐熱鋁合金的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化方面開展了大量工作，目前已經(jīng)能夠穩(wěn)定生產(chǎn)出導(dǎo)電率為60%IACS的耐熱鋁合金導(dǎo)線，并已在國內(nèi)許多重要線路上得到了很好的應(yīng)用。華北電力大學(xué)韓鈺[20]系統(tǒng)研究了Zr、B及稀土Re微合金元素復(fù)合添加對(duì)鋁合金導(dǎo)線組織和性能的影響，獲得了61%ICAS高導(dǎo)電率耐熱鋁合金的優(yōu)化成分，但各稀土元素的交互作用機(jī)制還有待進(jìn)一步研究。國網(wǎng)全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院與中南大學(xué)、中國鋁業(yè)股份有限公司、國網(wǎng)遼寧電力公司等單位合作，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)電率為61%IACS的耐熱鋁合金單絲(長期耐熱溫度150℃)及導(dǎo)線(長期耐熱溫度120℃)的成功制備[21，22]，完成了導(dǎo)電率為61%IACS的耐熱鋁合金導(dǎo)線的工程應(yīng)用。

1.3 核乏燃料存儲(chǔ)用耐熱鋁基復(fù)合材料

在核電站反應(yīng)堆的運(yùn)行過程中，需要不斷將燃耗深度達(dá)到設(shè)計(jì)限值的核燃料卸出，稱之為“乏燃料”。預(yù)計(jì)截至2030年，我國核電站將累計(jì)卸出乏燃料約24000t。由于乏燃料仍具有較強(qiáng)的放射性，并伴隨著大量中子發(fā)射，因此解決和完善乏燃料貯存的安全性至關(guān)重要。在乏燃料貯存和運(yùn)輸中，中子吸收材料至關(guān)重要。碳化硼增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料(B4C/Al)被認(rèn)為是一種理想的中子吸收材料。由乏燃料貯存和運(yùn)輸過程中仍在持續(xù)反應(yīng)，并發(fā)出熱量，除對(duì)碳化B4C/Al的中子吸收性能有較高的要求外，還要求該材料在375℃長期服役具有一定的高溫強(qiáng)度(大于90MPa)，然而目前應(yīng)用的B4C/Al復(fù)合材料難以滿足要求[23]。

近期，中國科學(xué)院金屬研究所[24，25]開發(fā)了一種耐熱B4C/Al中子吸收材料，其主要思路是通過增加鋁粉的比表面積，利用鋁粉的表面氧化，向基體中引入更多的Al2O3增強(qiáng)相。通過對(duì)采用該類型鋁粉制備的B4C/Al復(fù)合材料熱壓坯錠進(jìn)行鍛造，制得耐熱B4C/Al中子吸收材料。拉伸結(jié)果表明，所制備的材料在375℃時(shí)屈服強(qiáng)度為95MPa，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)其他常規(guī)方案制備的B4C/Al復(fù)合材料(屈服強(qiáng)度低于40MPa)，可以滿足未來乏燃料貯存的苛刻要求。

1.4 石油鉆探用耐熱鋁合金

由于石油開采及輸送條件越來越惡劣，及對(duì)鉆井效率和設(shè)備使用壽命的要求，石油行業(yè)對(duì)開采及輸送裝備輕量化的需求也越來越迫切。鋁合金由于高比強(qiáng)度、低密度、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)成為石油行業(yè)裝備、尤其是石油鉆探桿輕量化的理想材料。世界各大鋁業(yè)公司均將石油化工領(lǐng)域作為擴(kuò)大鋁應(yīng)用的重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域。2009年，美國鋁業(yè)公司專門成立油氣資源事業(yè)部推廣鋁合金石油鉆探桿。

一般來講，油井深度每增加100m，油井溫度增加2.54℃[25]。石油鉆探桿在井內(nèi)要經(jīng)受復(fù)雜應(yīng)力、摩擦磨損、高溫、高腐蝕等復(fù)雜的工作環(huán)境，是整個(gè)鉆探設(shè)備與工具組合中比較薄弱的環(huán)節(jié)。對(duì)于鋁合金鉆桿常用的7075合金，由于其主要強(qiáng)化相MgZn2在100℃以上易發(fā)生粗化，因此GB/T 20659-2006規(guī)定該系列鋁合金鉆桿的最高使用溫度不能超過120℃。俄羅斯開發(fā)了Al-Cu-Mg-Fe-Ni系耐熱鋁合金鉆桿材料AK4-1T1，該系列合金合除含Al、Cu、Mg元素外，還添加含量約1%的Ni、Fe元素及微量的Ti。通常采用Fe與Ni含量為1∶1的方式分別加入0.8%～1.4%含量的Fe和Ni，使合金主要處于α(Al)+FeNiAl9相，促進(jìn)Fe、Ni與Al結(jié)合形成難溶的FeNiAl9相[26]。2016年，我國重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“重點(diǎn)基礎(chǔ)材料技術(shù)提升與產(chǎn)業(yè)化”專項(xiàng)中的“高性能鋁合金大規(guī)格擠壓材制造與應(yīng)用技術(shù)”項(xiàng)目，設(shè)立“海洋石油鉆探用高強(qiáng)耐蝕鋁合金管材成套制備技術(shù)”課題，由西南鋁業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司牽頭，聯(lián)合北京有色金屬研究總院、山東兗礦輕合金有限公司和中國石油天然氣有限公司管材研究所，對(duì)石油鉆探用高強(qiáng)、耐蝕、耐熱和抗疲勞鋁合金開展聯(lián)合攻關(guān)。

2 我國耐熱鋁合金的研究及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展建議

在各領(lǐng)域迫切需求的牽引下，我國研究者針對(duì)耐熱鋁合金的成分、工藝研究方面開展了大量基礎(chǔ)研究工作，取得了大量開創(chuàng)性的研究結(jié)果。但目前除耐熱鋁導(dǎo)線取得了一定的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用外，在航空航天、乏燃料貯存、石油鉆探等領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用還尚未起步，尤其是航空領(lǐng)域，對(duì)耐熱鋁合金產(chǎn)業(yè)化的需求十分迫切。為此，筆者建議：

(1)加強(qiáng)鋁合金耐熱機(jī)理的研究。研究耐熱相在分布(晶內(nèi)分布、晶界分布，蜂窩狀分布等)、形貌及與基體的位向關(guān)系對(duì)耐熱性能的影響，開展室溫強(qiáng)韌性、耐蝕性與耐熱性的匹配性研究，在此基礎(chǔ)上開展耐熱鋁合金微觀組織多尺度構(gòu)筑。

(2)加快建立耐熱鋁合金的評(píng)價(jià)及標(biāo)準(zhǔn)體系。由于不同服役環(huán)境對(duì)耐熱鋁合金的性能要求差異較大，應(yīng)針對(duì)不同服役條件和應(yīng)用場(chǎng)景，建立耐熱鋁合金的綜合性能評(píng)價(jià)及標(biāo)準(zhǔn)體系。

(3)加快完善耐熱鋁合金創(chuàng)新鏈和產(chǎn)業(yè)鏈。鋁加工龍頭企業(yè)應(yīng)成為鋁合金創(chuàng)新鏈和產(chǎn)業(yè)鏈的組織者，組織相關(guān)高校、研究所與用戶企業(yè)開展全鏈條式研究，同時(shí)開展耐熱鋁合金的產(chǎn)業(yè)化布局。

3 結(jié)束語

提升鋁合金的耐熱性對(duì)于擴(kuò)大鋁合金在航空航天、高壓輸電等領(lǐng)域的應(yīng)用具有十分重大的意義?？梢灶A(yù)見，十四五期間，隨著我國航空航天技術(shù)的發(fā)展，及“新基建”項(xiàng)目的加快實(shí)施，耐熱鋁合金的需求也將更加迫切。我國鋁加工學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界同仁應(yīng)堅(jiān)持“科技自主自強(qiáng)”的原則，盡快實(shí)現(xiàn)耐熱鋁合金相關(guān)基礎(chǔ)研究突破，加快耐熱鋁合金的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，在世界上實(shí)現(xiàn)耐熱鋁合金研發(fā)和應(yīng)用的“領(lǐng)跑”。