耐熱鋁合金的研究及應用現(xiàn)狀與展望

張 琪

(中國鋁業(yè)集團有限公司 鋁加工事業(yè)部，北京 100082)

鋁合金以其高的比剛度、比強度、耐腐蝕及可循環(huán)利用等優(yōu)點，在航空航天、軌道交通、汽車、電子等領域得到廣泛應用。目前商用鋁合金的強化方式包括固溶強化、加工硬化、析出強化等。由于鋁合金的熔點較低，堆垛層錯能較高，擴展位錯較窄，易發(fā)生回復和再結(jié)晶；同時大部分時效強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、石油鉆探等領域的快速發(fā)展對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。如在城市管廊和遠距離電力輸送線路建設中，采用耐熱鋁導線替代傳統(tǒng)硬鋁線，導線的連續(xù)運行溫度可由90℃提高到150℃，在線路正常運行時，同等截面積的耐熱鋁導線的載流量是傳統(tǒng)硬鋁絞線的2.14倍，可大幅降低線路施工建設成本和運行維護難度[1-3]。在航空領域，隨著飛機飛行速度和智能化水平的進一步提升，迫切需要在250℃～300℃溫度區(qū)間使用的耐熱高強高韌鋁合金，代替鈦合金實現(xiàn)良好的減重效果[4，5]。在核乏燃料存儲領域，要求用于中子吸收材料的B4C/Al能夠在300℃以上長時間保持仍具有一定的強度[6]。

由于不同應用場景的服役條件不同，對鋁合金的耐熱性能和其他綜合性能的要求差異也較大。因此針對不同應用場景的耐熱鋁合金的設計、制造工藝及評價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、石油鉆探等主要應用領域耐熱鋁合金的性能特點、開發(fā)及應用現(xiàn)狀，以期為相關(guān)領域耐熱鋁合金的發(fā)展和應用提供借鑒。

1 不同應用場景耐熱鋁合金的研究及現(xiàn)狀

1.1 航空航天用高強韌耐熱鋁合金

20世紀90年代初，歐美國家開始研制新一代超音速民航客機，其設計航速達到了M2.4，機身與空氣的強烈摩擦可導致蒙皮溫度達到160℃～190℃，局部溫度可達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等合金的基礎上進行微合金化，改變合金的時效析出序列，同時形成新的耐熱相，在保證材料較高強韌性的基礎上，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，僅對合金鑄態(tài)組織中的晶粒或時效強化相的尺寸產(chǎn)生影響，并不改變合金中的主要強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，研究認為，Ω相是由Ag和Mg原子團簇逐步演變形成的，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的經(jīng)濟性要求及耐熱性能要求，是超音速飛機備選材料的一個極有希望的發(fā)展方向。

近期，西安交通大學研究人員[11]選用常見的Al-Cu合金并結(jié)合Sc元素的微合金化作用，實現(xiàn)了Sc原子在Al2Cu強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外加應力的苛刻蠕變環(huán)境下，可安全服役長達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)和顆粒增強鋁基復合材料相比，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個數(shù)量級。

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，如制造飛機輪轂、發(fā)動零部件；可軋制成厚板，制造火箭尾翼；可擠壓成型材，制造燃氣渦輪發(fā)動機靜態(tài)結(jié)構(gòu)件。我國學者也對Al-Fe-V-Si合金開展了大量研究，但目前未見國產(chǎn)化應用的報道。

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上發(fā)布，成功開發(fā)出了牌號為Al250C的高強高韌耐熱3D打印專用鋁合金材料，已經(jīng)達到了批產(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)報道，該Al250C材料強度達到目前可用于3D打印的鋁合金材料中的最高水平，屈服強度可達580MPa，抗拉強度590MPa以上，延伸率可達11%，所制備構(gòu)件通過了250℃高溫下持續(xù)5000h的穩(wěn)定試驗，相當于發(fā)動機常規(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)動機構(gòu)件

1.2 高壓輸電用耐熱鋁合金

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

日本研究者在20世紀70年代研制出電導率為60%IACS的鋁鋯合金耐熱鋁導線，并在20世紀90年代開始大量應用。為進一步提升鋁鋯合金耐熱導線的導電率，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率[17]，同時通過時效熱處理調(diào)控鋯耐熱鋁合金的電導率[18]。通過上述手段可以使導線的電導率提高至61%IACS，但由于工藝苛刻，一直未投入工業(yè)應用。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，改善了鋁合金導體的導電性和耐熱性，但總體耐熱性能距離稀土耐熱鋁合金導線仍有一定差距。美國2010年制定的ASTM B941標準[19]中，明確了鋁鋯耐熱鋁合金導線的相關(guān)性能指標，見表2。

表2 ASTM B941-10標準中耐熱鋁合金導線的性能指標[19]

我國學者和企業(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)出導電率為60%IACS的耐熱鋁合金導線，并已在國內(nèi)許多重要線路上得到了很好的應用。華北電力大學韓鈺[20]系統(tǒng)研究了Zr、B及稀土Re微合金元素復合添加對鋁合金導線組織和性能的影響，獲得了61%ICAS高導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制還有待進一步研究。國網(wǎng)全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院與中南大學、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，實現(xiàn)了導電率為61%IACS的耐熱鋁合金單絲(長期耐熱溫度150℃)及導線(長期耐熱溫度120℃)的成功制備[21，22]，完成了導電率為61%IACS的耐熱鋁合金導線的工程應用。

1.3 核乏燃料存儲用耐熱鋁基復合材料

在核電站反應堆的運行過程中，需要不斷將燃耗深度達到設計限值的核燃料卸出，稱之為“乏燃料”。預計截至2030年，我國核電站將累計卸出乏燃料約24000t。由于乏燃料仍具有較強的放射性，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。在乏燃料貯存和運輸中，中子吸收材料至關(guān)重要。碳化硼增強鋁基復合材料(B4C/Al)被認為是一種理想的中子吸收材料。由乏燃料貯存和運輸過程中仍在持續(xù)反應，并發(fā)出熱量，除對碳化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度(大于90MPa)，然而目前應用的B4C/Al復合材料難以滿足要求[23]。

近期，中國科學院金屬研究所[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增強相。通過對采用該類型鋁粉制備的B4C/Al復合材料熱壓坯錠進行鍛造，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℃時屈服強度為95MPa，遠高于傳統(tǒng)其他常規(guī)方案制備的B4C/Al復合材料(屈服強度低于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，及對鉆井效率和設備使用壽命的要求，石油行業(yè)對開采及輸送裝備輕量化的需求也越來越迫切。鋁合金由于高比強度、低密度、耐腐蝕等優(yōu)點成為石油行業(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域作為擴大鋁應用的重點發(fā)展領域。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)受復雜應力、摩擦磨損、高溫、高腐蝕等復雜的工作環(huán)境，是整個鉆探設備與工具組合中比較薄弱的環(huán)節(jié)。對于鋁合金鉆桿常用的7075合金，由于其主要強化相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Fe、Ni與Al結(jié)合形成難溶的FeNiAl9相[26]。2016年，我國重點研發(fā)計劃“重點基礎材料技術(shù)提升與產(chǎn)業(yè)化”專項中的“高性能鋁合金大規(guī)格擠壓材制造與應用技術(shù)”項目，設立“海洋石油鉆探用高強耐蝕鋁合金管材成套制備技術(shù)”課題，由西南鋁業(yè)(集團)有限責任公司牽頭，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，對石油鉆探用高強、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

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

(1)加強鋁合金耐熱機理的研究。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)系對耐熱性能的影響，開展室溫強韌性、耐蝕性與耐熱性的匹配性研究，在此基礎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價及標準體系。由于不同服役環(huán)境對耐熱鋁合金的性能要求差異較大，應針對不同服役條件和應用場景，建立耐熱鋁合金的綜合性能評價及標準體系。

(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于擴大鋁合金在航空航天、高壓輸電等領域的應用具有十分重大的意義。可以預見，十四五期間，隨著我國航空航天技術(shù)的發(fā)展，及“新基建”項目的加快實施，耐熱鋁合金的需求也將更加迫切。我國鋁加工學術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界同仁應堅持“科技自主自強”的原則，盡快實現(xiàn)耐熱鋁合金相關(guān)基礎研究突破，加快耐熱鋁合金的產(chǎn)業(yè)化應用，在世界上實現(xiàn)耐熱鋁合金研發(fā)和應用的“領跑”。