弥散强化铝合金/纯铝技术

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  弥散强化铝合金简介

  高性能铝合金具有密度小、比强度和比刚度高、比弹性模量大、导电导热性好、耐高温、抗氧化、耐腐蚀、制备工艺灵活等许多优点而引起人们的普遍关注,各国在研发上都投入了大量的人力物力。高性能铝合金是轻质高强材料的典型代表,在交通、军工、航空、航天领域具有广泛的应用,可以用于制造汽车发动机零件、直升机桨叶夹板,飞机的机翼、方向舵、襟翼、机身、蒙皮,卫星陀螺仪支架等部件。

  目前高性能的铝合金常见的有时效强化铝合金和颗粒强化铝合金。时效强化是靠铝合金中时效析出的第二相来强化,典型的代表为2000系列铝合金和7000系列铝合金。时效强化铝合金的强化效果有限,并且在高温时其第二相会溶解到基体中去,失去强化效果。颗粒强化铝合金是靠外加硬质颗粒来强化,典型的材料为SiC颗粒强化铝合金,但是这种颗粒强化铝合金一般加入的强化相粗大并且较多,会严重影响铝合金的塑性和加工性能,并且SiC颗粒在基体中分布不均匀的话也会严重影响材料的强度。

  弥散强化铝合金是在铝合金基体中加入或者原位生成弥散分布的第二相粒子,该粒子一般为Al2O3、Al4C3和AlN等粒子,并且粒子粒径较小,为纳米级,能起到显著的强化作用,大大提高铝合金的常温强度和高温强度。同时由于基体中的粒子直径小,不会影响铝合金的塑性和导电导热性能。

  弥散强化铝合金具有以下优点:

  1. 超高的室温强度和高温强度;
  2. 具有可加工性,塑性较好;
  3. 良好的抗疲劳性能;
  4. 很高的蠕变性能;
  5. 优异的导电导热性能。

  弥散强化铝合金克服了普通固溶强化高强度铝合金高温强度低和颗粒增强铝基复合材料的塑性差的缺点,同时其室温强度也要高于传统高强度铝合金和颗粒增强铝基复合材料。

  为了给各种机械设备减重,未来材料的一个重要发展方向为轻质化高强化。弥散强化铝合金由于其优异的比强度,可以广泛用于航空航天工业中飞行器的制造,同时也可应用在发动机的受热部件如活塞、连杆和气缸内衬,为汽车飞机以及武器装备减重,是铝合金发展的一个重要方向。

  目前国内外均采用机械合金化法制备弥散强化铝合金。采用高能球磨的方法制粉,之后对高能球磨后的粉末装包套并采用热等静压、热挤压等致密化工艺进行致密化,进而制备出性能优异的弥散强化铝合金材料。这种方法的主要缺点就是制备工艺复杂,成本极高,不适合于大规模生产,难以推广应用。

  弥散强化铝合金基本工艺

  弥散强化铝合金的制备工艺流程

  致密化技术是弥散强化铝合金生产最为关键的技术,由于铝粉或铝合金粉末颗粒为“鸡蛋壳结构”,即铝颗粒表面天然存在一层致密的氧化膜,这层氧化膜强烈阻碍烧结过程,常规的真空或惰性气氛烧结难以达到致密化,即使通过热等静压等特殊技术手段使得铝粉达到全致密化,氧化膜的存在使得烧结铝合金内部原始颗粒边界明显,烧结合金塑性很差,锻造开裂倾向大,影响后续加工。

  我们的铝合金粉末活化烧结技术,采用多元控制进行铝粉的活化烧结,可得到全致密的粉末冶金铝合金。在活化烧结过程中,铝粉表面的氧化铝膜参与反应、破裂、迁移、分散,最终保留在合金内部形成细小、均匀的弥散强化相。

  技术成果

  1、弥散强化2024铝合金

  我们采用2024合金粉为原料进行活化烧结,成功制备出了相对密度在99%以上的弥散强化铝合金锭。对烧结的铝合金锭进行组织观察,可以看出,其组织致密,无气孔存在,晶粒细小。

  弥散强化铝烧结后组织形貌
烧结的弥散强化铝合金锭
挤压后得到的弥散强化铝合金产品

  对烧结后的弥散强化铝合金进行热挤压,得到性能满足要求的产品。

  不同状态下的弥散强化铝合金拉伸曲线
制备的弥散强化铝合金性能
弥散强化2024铝合金的高温力学性能

  从表中可以看出,所制备的弥散强化铝在挤压后进行热处理,得到的弥散强化2024铝合金的室温性能和高温性能较为优异。

  2、弥散强化6061铝合金

  我们采用6061合金粉为原材料,经过冷等静压烧结和热挤压之后,制备出弥散强化6061铝合金型材。

  

  图中所挤出的弥散强化6061铝合金型材壁厚为2mm。

  3、弥散强化纯铝

  采用雾化纯铝粉为原材料,制备出了弥散强化纯铝,并对其性能进行测试。

  雾化纯铝粉形貌照片
弥散强化纯铝微观形貌组织

  从图中可以看出我们采用雾化法制备的纯铝粉颗粒较为细小,为椭圆形。弥散强化纯铝的显微组织是采用雾化纯铝粉经冷等静压烧结和挤压之后得到的,其中的白色颗粒第二相为氧化铝颗粒,该氧化铝颗粒较为细小,大部分处于5-50nm之间,并且在基体中均匀分布。

  弥散强化纯铝的抗拉强度和屈服强度分别为192MPa和177MPa,延伸率为18%,在320℃退火后,其抗拉强度和屈服强度分别为190Mpa和172MPa,延伸率为18.5%。由于弥散相的影响,退火对弥散强化纯铝的性能没有影响。

  对制备的弥散强化纯铝进行导电性的测试,弥散强化纯铝的电导率为62%IACS,而牌号为1199的工业纯铝电导率为64.5%IACS。结果表明,弥散相大大提高弥散强化铝的力学性能,而对其物理性能影响较小。

  制备的弥散强化铝合金性能

  我们的弥散强化铝技术特点

  一、采用新的雾化制粉技术降低制粉成本。我们雾化法制备的铝粉,优势明显:

  1. 得到的铝粉末更加细小,比表面积大。
  2. 所得到的铝粉总氧含量与氮气雾化铝粉相当,但铝粉表面的氧化膜更薄,制备的弥散强化铝合金中的弥散相更加细小。
  3. 成本低廉,适合于规模化制备弥散强化铝合金。

  二、采用具有自主知识产权的烧结致密化工艺,将铝粉或铝合金粉在活性气氛下进行活化烧结,在烧结过程中,铝粉表面的氧化膜破碎,不会阻碍铝合金的烧结致密化,并且破碎的氧化膜形成细小的弥散相均匀分布在基体中,起到弥散强化的作用。采用活化烧结制备出全致密的弥散强化铝合金坯料,制备出的弥散强化铝合金性能优异,成本低廉并且适合于规模化生产。

  三、采用粉末冶金工艺制备的弥散强化铝合金,弥散相会阻碍晶粒的长大,即使将铝合金加热到熔点温度,其晶粒也不会长大,性能优异且稳定。

  技术成果应用前景

  该技术制备的弥散强化铝合金性能优异,在航空航天领域、武器装备领域、交通运输领域以及其他民用领域均有广泛的应用。

  1)航空航天领域

  铝合金在航空航天工业中的应用发展很快,每架飞机上使用几十吨的厚铝板,大多数空中发射的巡航导弹的壳体是用优质铝锻件制造的。通过粉末冶金技术生产的弥散强化铝合金可以满足航空航天工业所需要的工程性能,在国外已经有一定的应用。

  在航空结构材料中,应用最多的商业铝合金是Al-Mg-Cu合金(2000系列)和Al-Zn-Mg-Cu合金(7000系列),因为其具有高的强度。弥散强化铝合金由于具有更高的强度,已经部分替代航空交通工具上所使用的2000和7000系列商业铝合金,改善其结构效能,达到减重效果。比如Alcoa公司采用粉末冶金工艺制备的牌号为7090和7091的弥散强化铝合金,性能十分优异。7090合金已经用于制备波音757飞机主起落架支撑梁连杆和起落架制动器支撑配件,7091合金锻件已用于制造L-1011飞机翼梁盖和波音767飞机座椅导轨等。

  国际镍公司制备的弥散强化铝合金INCOMAP Al9052的常规性能与7000系列的大体相同,但具有更优异的抗化学腐蚀能力。INCOMAP Al9021的化学成分与2024铝合金类似,但是抗拉强度达到610MPa以上。Al9052和Al9021在抗拉强度、疲劳强度、韧性、抗腐蚀等方面的性能优异,主要用于制造直升机和其他飞机零部件。INCOMAP Al905XL是一种弥散强化Al-Mg-Li合金,强度、断裂韧性和抗腐蚀性能均高于7075-T73Al合金,被开发用于飞机、导弹结构件上,该合金已经在欧洲阿古斯塔·韦斯特兰公司生产的EH101直升机起落架上以锻件的形式使用。

  2)武器装备领域

  弥散强化铝合金在要求高强度、高韧性、高刚度和轻量化的军用材料中得到了广泛的应用。弥散强化铝合金与传统高强铝合金相比,其强度提高25%以上,可应用于导弹上作为结构材料,对于改善导弹的结构和性能非常重要。

  弥散强化耐热铝合金使用温度可达400℃以上,因此可以部分取代钛合金、常规铝合金和钢材,已经成为军事领域特别是军用飞机备受青睐的合金系,作为下一代先进的军用飞机(例如时速达3马赫的战斗机)等的机身结构材料和喷气式发动机的叶片、翼片、涡轮和散热片等部件,其造价一般只相当于钛合金的50%左右,而总重可以减轻15%左右,因而具有广泛的应用前景。美国曾用弥散强化耐热铝合金制造时速高达3.2马赫的SR-71黑鸟侦察机的加强端盖。

  3)交通运输领域

  粉末冶金零件以其节能、节材、环保及适于大批量生产等诸多优点而在制造业中获得广泛应用,全世界粉末冶金总产量的60%-70%应用于汽车工业。

  自20世纪70年代以后,粉末冶金汽车材料逐步由铁基、铜基合金向轻合金、高强度方向发展,特别是铝基合金发展更为迅速。采用粉末冶金技术制备的弥散强化铝合金在汽车零件中的重大进展是Metal Powder Products公司成功的开发出用于通用汽车公司Northstar顶置发动机的粉末冶金铝基凸轮轴轴承盖,这事第一个大量用于美国汽车工业的粉末铝基结构件。从1993年台架试验后,迄今已使用2500多万只这种凸轮轴轴承盖,从未发生过失效。美国GM公司的新式Vortec 4200型4.2L V6发动机中就有14个粉末冶金铝合金的凸轮轴轴承盖。

  在21世纪的今天,对发动机的要求是高功率、低油耗、低排放、低噪声和长寿命,因此,对发动机的重量和性能提出了更高的要求,在此基础上,提出了全铝发动机的概念。要制备全铝发动机,关键要制备出性能优异的铝合金,要提高铝合金的耐热性、耐磨性、耐蚀性和强度。而弥散强化铝合金以其优异的性能,在汽车发动机上得到了应用。德国的PEAK公司利用粉末冶金技术制备的牌号为DISPAL的弥散强化Al-Si系合金,已经用于制造汽车发动机气缸衬里、活塞、连杆、轴承盖、油泵齿轮、气门弹簧座、进气阀等。

  采用弥散强化铝合金来制造汽车零部件,可以显著减轻汽车的重量,减轻行驶阻力,减少油耗。目前日本住友电气公司开发的弥散强化铝合金已经用于制备汽车空调压缩机转子和叶片等,并采用弥散强化铝硅合金来制备发动机活塞以及气缸衬套。同时,弥散强化铝合金有望用于制备汽车车轮轮毂、底盘零件(如上臂、下臂、横梁和盘式制动器卡爪)等强度要求高的零件上使用。