快速凝固技術在鋁基合金材料中的應用

李傳福

（濰坊工程職業學院山工機電工程學院，山東濰坊 262500）

試驗研究

快速凝固技術在鋁基合金材料中的應用

李傳福

（濰坊工程職業學院山工機電工程學院，山東濰坊 262500）

介紹了快速凝固技術的特點以及快凝鋁基合金材料的發展現狀，綜述了快速凝固技術在鋁基合金材料中的應用以及鋁基晶態合金、鋁基準晶合金、鋁基非晶合金的發展現狀。最后指出，快速凝固技術需要進一步完善工藝，降低成本，實現量產；需要優化合金成分，加強多元系合金快凝過程的理論研究以及計算機模擬在鋁基合金材料快凝過程中的模擬應用。

快速凝固技術；鋁基合金；準晶合金

1 前言

快速凝固技術的應用研究始于20世紀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。通過快速凝固技術可以研究合金在凝固時的各種組織結構變化，從而控制得到生活、生產要求的合金。隨著航空航天技術以及交通運輸工具輕型化的發展，對高性能鋁合金材料的需求越來越大，而快速凝固技術為鋁基合金新型材料的開發提供了一種新的途徑。本研究介紹快速凝固技術的特點，綜述快凝鋁基合金材料的發展現狀。

2 快速凝固技術的特點

快速凝固技術是一種非平衡的凝固過程，以105～106K/s的冷卻速率直接將液態金屬瞬間冷凝成固態，一般生成微晶和納米晶、準晶、非晶等亞穩相，得到具有特殊性能和用途的材料。快速凝固技術使凝固過程中熔體的冷卻速度顯著提高，減少了單位時間內金屬凝固時產生的熔化潛熱，增加了凝固過程中介質的傳熱速度。快速凝固技術的特點是使熔體快速冷卻，合金熔體中形成大的起始形核過冷度，從而實現高的凝固速率，最終獲得細小優異的凝固組織。快速凝固技術主要分為兩類：一是“動力學”方法，即提高熔體凝固時的傳熱速度，從而提高凝固時的冷速，使熔體形核時間極短，來不及在平衡熔點附近凝固而只能在遠離平衡熔點的較低溫度凝固，因而具有較大的凝固過冷度和凝固速度，具體實現這一方法的技術稱為急冷凝固技術（RQT），也稱為熔體淬火技術（MQT）；另一種是“靜力學”方法，即針對通常鑄造合金都是在非均勻形核條件下凝固，使合金凝固的過冷度很小的問題，設法提供近似均勻形核的條件，在這種條件下凝固時，盡管冷速不高但同樣可以達到很大凝固過冷度，從而提高凝固速度，具體實現這種方法的技術稱為大過冷技術（LUT）［1］。

3 快凝鋁基合金材料的發展現狀

快速凝固對合金成分的設計、合金的微觀組織結構以及宏觀特性都產生了很大的影響，已經成為發展新型材料的重要手段之一。從工程技術的層面來看，快速凝固技術已發展成為材料非平衡制備的重要手段，采用快速凝固技術可以制取粉末狀、絲狀或帶狀的非晶態、準晶態或微晶以至納米晶材料。經過40余年的發展，快速凝固技術及其合金的研究已經成為材料科學與工程的一個重要分支。據統計，世界上大多數相關企業和大學實驗室都在進行這方面研究，現有各種成分己定型的合金幾乎全被用快速凝固技術研究過。快速凝固合金已經在美國、英國、德國、日本等國廣泛應用于航空、航天、核工業、機械、電子等許多部門，并發揮著十分重要的作用。

從20世紀80年代以來，受航天航空以及其他運輸工具輕型化迅速發展影響，人們開始將注意力集中到高強度、低密度材料的研究工作，特別是對鋁基快凝合金的研究，這在國內外有關非平衡凝固金屬材料和非晶態合金的學術會議上得到充分體現［2-3］。根據快凝鋁基合金的微觀結構特點，可將其分為鋁基晶態合金、鋁基準晶合金及鋁基非晶合金。

3.1 晶態合金

根據快凝鋁基晶態合金性能特點，將其分為高強高韌鋁合金、超塑鋁合金和高溫耐熱鋁合金。

3.1.1 高強高韌鋁合金

高強高韌鋁合金具有密度低、強度高、加工性能及焊接性能好等特點，被廣泛應用于航天、航空工業以及民用工業等領域。尤其是在航空工業中占有十分重要的位置，是航空工業主要結構材料之一。高強高韌鋁合金主要以Al-Cu-Mg和Al-Zn-Cu-Mg為基的合金。前者的靜強度略低于后者，但使用溫度卻比后者高。Al-Cu-Mg系合金是發展最早的一種熱處理強化型合金。航空工業的發展，促進了該系合金的改進。20世紀20年代和30年代相繼發展了2014和2024合金，隨后又發展了2618合金。這個系的合金發展較為成熟，已先后定型了十幾個牌號。這些合金作為航空工業的結構材料，已得到了廣泛的應用，約占每年航空工業消耗各種合金總量的一半。但同時也存在一些有待解決的問題，比如此類合金疲勞裂紋長大速度較快。由于這類合金通常采用霧化快速凝固方法生產，在快速凝固過程中會有不同程度的氧化等問題。因此為了適應未來航空航天技術的發展，還必須進一步提高高強高韌鋁合金的強度、韌性、疲勞特性、耐應力腐蝕開裂性和耐熱穩定性。

3.1.2 超塑鋁合金

超塑鋁合金是近年來超塑性研究最活躍的領域，在已發現的超塑合金中，鋁合金占1/3以上。最早開發的超塑鋁合金是Al-33Cu。當時人們對超塑性的認識還比較膚淺，工作主要集中于共晶、共析型合金。20世紀70年代末，人們開始認識到超塑性是金屬材料共有的一種特性，研究工作的重點開始轉向工業合金。我國的超塑性研究起步較晚，但發展很快，最早的超塑性鋁合金是Al-Ca共晶合金。以后相繼開發了Al-Cu-Zr等新型合金，近年來集中研究工業鋁合金，其中LC4的超塑性已達到世界先進水平。隨著超塑成型技術的發展，超塑成型的鋁合金部件已廣泛應用于飛機、儀表、機械等各方面，這種新材料已產生明顯的經濟效益。

3.1.3 高溫耐熱鋁合金

傳統的高強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數＞2%的合金元素，并通過時效過程中金屬間化合物的析出達到合金強化的效果。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。通過近幾十年對耐熱鋁合金的大量研究，人們開發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，添加過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度而得到世界各國科研工作者的關注［4］。

3.2 準晶合金

1984年，美國的Shechtman等在快速凝固Al-Mn、Al-Cr、Al-Fe合金中作出了歷史性的發現，他們在這些合金中觀察到一種新的結構，這種結構的電子衍射譜既具有5次旋轉對稱性，又是由明銳的衍射斑點組成的，定出其點群為m，這與周期結構是不相容的，因此這種結構既不屬于晶態合金，也不屬于非晶態金屬，具有這種結構的合金應該是一類新的合金［5］。此后，Levine和Steinhardt等根據理論計算和計算機模擬證明可能存在一種新的固態金屬結構，它們的原子排列具有長程鍵合取向序和準周期性，Levine和Steinhardt等認為，這正是有非晶體學對稱性的三維準周期結構，相當于Penrose拼砌的三維推廣，第一次把這種結構稱為準晶體（quasicrystal），作為準周期晶體的簡稱［6］。他們的研究不僅為Shechtman等的實驗發現提供了理論依據，而且，明確指出了固態金屬在結構上除了晶態和非晶態之外還存在介于它們之間的準晶態。這些實驗和理論研究結果向經典的金屬學理論發出了挑戰，同時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新的領域，快凝準晶合金的發現是近年來凝聚態物理學的一個重要突破，觸發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。隨后人們又陸續在Al-Ge，Al-M（M=Cu，Ni，Cr，Pd）等一系列合金系中通過噴槍技術得到非晶和晶體的共存體，但是通過噴槍技術和熔體急冷技術并沒有得到完全的非晶［8］。1981年第一次在含Al超過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，以致于人們認為脆性是鋁基非晶固有的特征。1987年，Inoue在含Al超過80%的Al-Ni-Si和Al-Ni-Ge合金體系中發現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現，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來代替EM的Al-RE-TM和二元Al-RE非晶系也先后被發現［11］。所有這些合金都表現出優良的力學性能，包括高彈性和韌性。1988年，Y.He［12］等人發現了含鋁量達90%（原子分數）的高強度低密度的Al-TM-RE非晶合金。1990年Inoue等人利用快凝技術得到新型的Al-TM-RE納米復合材料（納米晶體彌散分布在非晶基體上），其強度和韌性均超過所對應的非晶合金［13］。和傳統的鋁合金相比，鋁基非晶合金擁有非常優異的機械性能、耐蝕性、耐磨性及低的熱脹系數，鋁含量超過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，從而有著巨大的應用前景。

4 結語

隨著快速凝固技術的日益完善與發展，已生產出一系列性能優異的快凝鋁基合金材料，更廣泛地應用于航空航天、輕型運輸工具等生活的各個方面。同時也應該看到，快速凝固技術還存在一些問題，有待進一步解決，比如，快速凝固技術還未完全走出實驗室，需要進一步完善工藝，降低生產成本，實現工業量產；其次，需要優化合金成分，加強多元系合金快凝過程理論研究以及計算機模擬在鋁基合金材料快凝過程中的模擬應用。相信隨著快速凝固技術進一步深入的研究，將會生產出更多高性能的鋁基合金材料，應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］.濟南：山東大學，2003.

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［3］李傳福，張川江，辛學祥.化學短程序對Al-Zn基合金非晶形成能力的影響［J］.稀有金屬與硬質合金，2009，37（1）：12-14.［4］劉克明，陸德平，楊濱，等.快速凝固耐熱鋁合金的現狀與發展［J］.材料導報，2008，22（2）：57-60.

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［6］Levine D.,Steinhardt P.J..Quasicrystals:A new class of ordered structures［J］.Phys.Rev.Lett.，1984，53：2 477-2 480.

［7］Predecki P.,Giessen B.C.,Grant N.J..New metastable alloy phases of gold,silver,and aluminum［J］.Trans Metall Soc AIME, 1965，233（7）：1 438-1 439.

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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年畢業于齊魯工業大學材料學專業，碩士。現為濰坊工程職業學院山工機電工程學院講師，從事鋁基合金材料方面的研究及教學工作。