W含量對Al-W合金微觀組織及力學性能的影響

張明新，劉 杰，劉利輝，韓 旭，謝春明，韓 偉，孟另柱，于興德，董驚濤

(天津那諾機械制造有限公司 天津 300457)

隨著世界經濟的發展以及對各種能源的依賴，輕質量、高性能已經成為當今工業領域的追求，這一特點在航天航空及汽車等交通運輸裝備的發展方向上尤為明顯[1-2]。其中，發展輕質量、高強度的材料已經成為趨勢，而鋁合金作為輕金屬，其密度低、導熱性能好，成為當今人們替換鋼鐵的首選材料[3-4]。新型耐熱鋁合金是指在快速凝固技術基礎上發展起來的耐熱鋁合金。此類合金多以 Al-Fe、Al-Cr、Al-Ti為基礎，再適當添加 V、Mn、Nb、W、Zr、Mo、Ce等具有極小平衡極限固溶度和固態擴散系數的過渡族元素，經快速凝固后產生過飽和固溶體，在隨后的熱加工過程中，細小彌散的亞穩強化相析出，可延緩晶界的遷移，使得合金具有較好的高溫強度[5-7]。由于 W 具有高熔點和良好的熱穩定性，已經在鎳基高溫合金中獲得成功應用，成為提高鎳基合金高溫性能的主要元素之一，但是在鋁合金中 W 的應用不多[8-9]。本文針對高溫、高強鋁合金的發展趨勢，將 W 引入到鋁合金中，主要研究W含量對Al合金組織及性能的影響，以期為后續的高溫鋁合金的設計與開發提供基礎性的參考。

1 實驗材料及設備

本實驗采用純鋁、純鎢，利用高溫電弧熔煉爐熔煉出鎢含量為 3%,、5%,、7%,、9%,的 4 組 Al-W 二元合金，在 Olympus激光共聚焦顯微鏡下觀測金相組織，HB-3000B型布氏硬度計測量合金硬度，ML-100磨粒磨損試驗機測試合金耐磨性。

2 結果及分析

2.1 不同W含量時合金的微觀組織

不同W含量合金的微觀組織見圖1。

圖1 鑄態條件下的Al-W合金的組織Fig.1 As-cast Al-W alloy organization

由圖 1可以看出，鋁鎢合金的微觀組織中，暗黑色的 α-Al基體上分布著銀白色的塊狀析出物。結合Al-W 二元相圖以及所設計的合金成分，銀白色塊狀物應該為 Al12W。隨著 W含量的增加，Al12W的數量逐漸增多，當W含量低于7%,時，Al12W的分布較為均勻；當 W含量達到 9%,時，Al12W 的尺寸較大，且偏聚較為嚴重。從圖 1還可以看出，中間相主要分布在晶界處，因為晶界處能量較高，處于不穩定狀態，中間相容易形核并且長大。熔煉溫度為1,150,℃，在澆注的過程中溫度在不斷降低，當溫度降到697,℃的時候按包晶轉變生成Al12W。

2.2 不同W含量時合金的力學性能

對不同W含量的合金進行硬度測試后得到不同合金硬度值(見表1)和鎢含量-合金硬度關系曲線(見圖 2)。

表1 不同W含量合金的布氏硬度Tab.1 BH of Alloy with different W contents

圖2 鑄態下鎢元素含量與布氏硬度的關系曲線Fig.2 Curve of as-cast tungsten element content with BH

由表1和圖2可見，隨鎢含量的增加，鑄態合金的硬度有所提高。但是當W含量達到7%,時，合金硬度最大為24.9,HB，W含量繼續增加時合金的硬度值卻有所降低。理論上，鑄態合金中第二相 Al12W 含量所占比例越大，第二相越多且分布越均勻，合金的硬度就越高。從鑄態微觀組織分析可知，當 W 含量低于 7%,時 Al12W 分布比較均勻，W 含量達到 9%,時 Al12W 尺寸較大并且發生偏聚比較嚴重，所以當W含量低于7%,時合金的硬度不斷增大，之后由于偏聚導致硬度下降。硬度值出現反常現象可能是由于下述原因所致：在熔煉及鑄造過程中，第二相 Al12W分布不均勻，導致偏聚較大，進而影響合金的硬度。總體上說，隨W含量的提高，合金的硬度值增大。

不同鎢含量時合金的磨損性能見表2和圖3。

表2 不同鎢含量合金的磨損量Tab.2 Abrasion loss of alloys with different W contents

根據表2中不同 W 含量合金的磨損數據，得到W含量與單位面積磨損量之間的關系曲線(見圖3)。

圖3 鎢含量與單位面積磨損量的關系曲線Fig.3 Curve of As-cast tungsten content with abrasion loss per unit area

由表2和圖3可以看出，當W含量低于7%,時，試樣的耐磨性能隨著 W 含量增加逐漸增強，當鎢含量大于 7%,的時候，試樣單位面積磨損量有所增大。分析其原因如下：當合金中W含量小于7%,時，隨W含量增多，合金中的 Al12W 逐漸增多，因此合金的耐磨性增強；當 W 含量超過 9%,時，合金中 Al12W尺寸較大且分布不均勻，粗大相在磨損過程中容易剝落，導致耐磨性下降。

3 結 論

W 含量對合金的鑄態組織有較大影響，隨著 W含量的增加，Al12W 的數量逐漸增多，當 W 含量低于 7%,時，Al12W 的分布較為均勻，當 W 含量達到9%,時，Al12W的尺寸較大，且偏聚較為嚴重。

W含量對合金的硬度有較大影響，隨W含量增加合金的硬度先增加后減小，W含量為7%,時合金的硬度值最大，為24.9,HB。

W含量對合金耐磨性有較大影響，隨W含量增加，合金的耐磨性增強，當 W 含量達到 7%,時，合金的耐磨性最好。