劉瑩瑩，鄭立靜，張 虎

(北京航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191)

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快速凝固Al-Fe-V-Si耐熱鋁合金研究進(jìn)展

劉瑩瑩，鄭立靜，張 虎

(北京航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191)

快速凝固技術(shù)制備Al-Fe-V-Si系合金，可以獲得細(xì)小彌散且高溫下擴(kuò)散率低的第二相粒子，從而獲得良好的耐熱性能。本文綜述了Al-Fe-V-Si系合金的發(fā)展歷程，著重介紹了Al-Fe-V-Si系合金的制備工藝、微觀組織控制及強(qiáng)化措施；分析了該合金目前發(fā)展中存在的問(wèn)題，并闡述了該合金今后的發(fā)展應(yīng)重點(diǎn)集中在工藝優(yōu)化、提高熱穩(wěn)定等方面。

Al-Fe-V-Si系合金；制備工藝；組織控制；強(qiáng)化措施

隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們?cè)噲D開(kāi)發(fā)出一種能在230～350℃溫度范圍內(nèi)與耐熱鋼或鈦合金相媲美的鋁合金材料[1-3]。傳統(tǒng)鑄造鋁合金和高強(qiáng)變形鋁合金難以滿足先進(jìn)空間飛行器對(duì)耐高溫、高比強(qiáng)等輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的苛刻要求，一系列Al-Fe，Al-Cr，Al-Ti基快速凝固耐熱鋁合金應(yīng)運(yùn)而生，并在耐熱零部件上得到廣泛應(yīng)用[4-8]。

在Al-Fe-Ce，Al-Fe-V-Si，Al-Cr-Zr等一系列高溫鋁合金中，美國(guó)Allied Singal公司研發(fā)的Al-Fe-V-Si系合金最為引人注目，備受國(guó)內(nèi)外研究工作者的青睞[9,10]。Skinner等[11]研究表明當(dāng)F/V比介于10∶1到5∶1之間時(shí)，彌散相粗化率最低，并由此開(kāi)發(fā)出Al-5.5(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%，下同)Fe-0.6V-1.1Si(FVS0611)，Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si(FVS0812)，Al-11.5Fe-1.4V-2.3Si(FVS1212)三種不同成分的Al-Fe-V-Si系合金，其中FVS0812是綜合性能最優(yōu)異的一種合金[12]。本文著重介紹了Al-Fe-V-Si系耐熱鋁合金的制備工藝、微觀組織控制及強(qiáng)化措施，并對(duì)該合金今后的發(fā)展提出了自己的看法，為合金設(shè)計(jì)提供參考。

1 Al-Fe-V-Si系合金制備工藝

理論上，實(shí)現(xiàn)快速凝固有急冷和深過(guò)冷兩個(gè)基本途徑，但在實(shí)際生產(chǎn)中，人們更多采用急冷途徑，借助外力改變?nèi)垠w形狀與大小，使其呈液滴、絲狀、薄帶狀以增大散熱面積，降低熱阻，使熔體熱量得以迅速消耗，實(shí)現(xiàn)快速冷卻與凝固，獲得不同形狀快速凝固態(tài)初級(jí)產(chǎn)品。實(shí)現(xiàn)快速凝固方法眾多，各有特色，各有優(yōu)勢(shì)。目前最常用的制備Al-Fe-V-Si系合金的工藝主要有快速凝固-粉末冶金法(包括平面流鑄造法、氣霧化法)及噴射沉積法(見(jiàn)圖1)等，其工藝方法對(duì)比見(jiàn)表1。

快速凝固-粉末冶金法制備工藝比較復(fù)雜，一般要經(jīng)過(guò)快速凝固制粉-篩分、包套-真空除氣-熱壓固結(jié)-熱擠壓-模鍛等多道次工藝成形。但快速凝固-粉末冶金法作為新材料制備技術(shù)的典型代表，在制備Al-Fe-V-Si系耐熱鋁合金方面占據(jù)著重要地位，其冷速高，制備合金綜合性能非常優(yōu)異和穩(wěn)定，在制備小型構(gòu)件方面非常實(shí)用。隨著社會(huì)日益進(jìn)步，人們?cè)絹?lái)越需要綜合性能優(yōu)異的大型構(gòu)件，快速凝固-粉末冶金法因受工藝和產(chǎn)品規(guī)模限制無(wú)法滿足要求，集快速凝固、半固態(tài)加工和近終成形于一體的噴射沉積技術(shù)日益受到人們的廣泛關(guān)注。制備大尺寸快速凝固零件是噴射沉積工藝優(yōu)勢(shì)的充分體現(xiàn)，其工藝簡(jiǎn)單，可從液態(tài)金屬直接制取具有快速凝固組織特征的沉積坯件，并可有效控制構(gòu)件中的氧含量。但噴射成形技術(shù)的弊端在于其冷速低、合金致密度不高，導(dǎo)致合金整體性能不高。

目前較成熟的制備快速凝固Al-Fe-V-Si耐熱鋁合金的工藝由于受到各個(gè)方面限制，給大規(guī)模生產(chǎn)帶來(lái)不便，制約了該合金的廣泛應(yīng)用，科研工作者們還需進(jìn)一步研究更實(shí)用化的直接制備大規(guī)格高性能快速凝固材料的工藝方法。

圖1 工藝原理示意圖 (a)平面流鑄造法；(b)氣體霧化法；(c)噴射沉積法Fig.1 Schematic diagram of technical principle (a)planar flow casting;(b)gas atomization;(c)spray deposition

PreparingmethodPrincipleCoolingratePhasecompositionAdvantage&disadvantagePlanarflowcastingThecentrifugalforcethrowsthemoltenal?loyastheformofstrip，thenthestrippul?verizewithathin，degassing，consolida?tionforming，asshowninfig．1(a)[13]105?106K/sα?AlAl12(Fe，V)3SiHighcoolingrates，excellentfatiguestrengthandfracturetoughnessbuttheprocessiscomplicatedandtheproductioncostishigh[14]GasatomizationThemeltisbrokenintosmalldropletsun?derhighpressureandrapidlycooledintopowdersbythermalconvection，asshowninfig．1(b)[15]103?104K/sα?AlAl8Fe2SiAl12(Fe，V)3SiIt’sveryusefulinthepreparationofsmallcomponentsbutthemanufacturingprocesswillproducesomeharmfulbrittlephase[16，17]SpraydepositionThemeltisatomizedintodropletsbyinertgas，thensprayedintothesubstrate，asshowninfig．1(c)[18]About103K/sα?AlAl8Fe2SiAl12(Fe，V)3SiAl13Fe4Itcancontroloxygencontenteffectivelybutitscoolingrateislow，resultinginpropertyarelowerthanthatofothermethods

2 Al-Fe-V-Si系合金組織性能特征

2.1 Al-Fe-V-Si系合金微觀組織控制

耐熱鋁合金通常要求有高度彌散、高溫?zé)崃W(xué)穩(wěn)定、與基體共格或半共格的第二相粒子存在。Al-Fe-V-Si系合金在極冷過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生尺寸極小的Al12(Fe，V)3Si相，如圖2所示。該相呈球形形貌，均勻彌散分布在α-Al固溶體基體上，晶格常數(shù)(a=1.260nm)接近于鋁(a0=0.4049nm)的三倍，可形成低界面能共格界面，粗化率極低，425℃下粗化率約為10-27m3/h，在高達(dá)500℃時(shí)仍保持其類球狀和亞穩(wěn)bcc結(jié)構(gòu)。無(wú)論采用快速凝固-粉末冶金法還是噴射沉積法，在合金制備過(guò)程中均可以獲得一定體積分?jǐn)?shù)的Al12(Fe,V)3Si相。FVS0611，F(xiàn)VS0812和FVS1212合金中Al12(Fe，V)3Si強(qiáng)化相的體積分?jǐn)?shù)分別為16%，24%和37%。通常在設(shè)計(jì)實(shí)際合金成分時(shí)，可以針對(duì)不同服役條件來(lái)控制Fe，V，Si的含量，調(diào)整Al12(Fe，V)3Si的體積分?jǐn)?shù)，以獲得具有所需性能組合的Al-Fe-V-Si合金[19]。

Al12(Fe，V)3Si相的熱穩(wěn)定性決定了Al-Fe-V-Si系合金的高溫性能。影響熱穩(wěn)定性的因素除原子擴(kuò)散速率外，還取決于析出相與基體之間的界面能，Al12(Fe，V)3Si與α-Al基體晶格錯(cuò)配度較小，界面能較低因此粗化率也較慢。圖3對(duì)不同體系彌散相在425℃加熱時(shí)的粗化速率進(jìn)行了比較[20]。由圖可知，高溫時(shí)Al-Fe-V-Si系合金析出相粗化速率比Al-Fe-Ce和Al-Fe-Mo-V中的析出相低很多。事實(shí)上，F(xiàn)VS0812和FVS1212合金高溫性能非常穩(wěn)定，即使在425℃下暴露1000h合金拉伸性能也未有下降。當(dāng)溫度高于500℃時(shí)，彌散相Al12(Fe，V)3Si轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)合金強(qiáng)度和塑性極為不利的針狀相Al13Fe4，在合金制備過(guò)程中應(yīng)盡量避免此相生成。Carreno等[21]的研究結(jié)果也表明FVS0812合金在室溫至400℃以下沒(méi)有強(qiáng)化相的急劇轉(zhuǎn)變或長(zhǎng)大，在550℃以上開(kāi)始發(fā)生相變，組織惡化。

圖2 快速凝固Al-Fe-V-Si合金TEM圖像Fig.2 TEM image of rapid solidification Al-Fe-V-Si alloys

圖3 425℃不同體系快速凝固耐熱鋁合金彌散相粗化率[20]Fig.3 Coarsening rates of rapid solidification heat-resistant aluminium alloys dispersoids at 425℃[20]

不同制備工藝會(huì)造成Al-Fe-V-Si合金微觀組織的差異。如平面流鑄造Al-Fe-V-Si薄帶微觀組織由在光鏡下呈無(wú)特征形態(tài)的A區(qū)組織和由粗胞狀枝晶結(jié)構(gòu)或粗共晶組織的B區(qū)組織構(gòu)成[22]，在透射電鏡(TEM)下可觀察到A區(qū)的胞狀組織及分布于其間少量細(xì)小、類球狀硅化物Al12(Fe，V)3Si。用該法制備的FVS0812薄帶顯微組織非常細(xì)小，晶粒尺寸約0.5μm，強(qiáng)化相尺寸約20～50nm。而噴射沉積實(shí)驗(yàn)坯中則存在著諸如鋁基過(guò)飽和固溶體和微胞狀組織結(jié)構(gòu)、α-Al和Al12(Fe，V)3Si兩相混合組織、胞狀支晶和層片狀共晶組織等形態(tài)各異的特征組織，沉積坯中晶粒尺寸約0.5～1μm，強(qiáng)化相尺寸約50～150nm，沉積坯中晶粒粗大的主要原因在于噴射沉積法的冷卻速度低于平面流鑄造法。

上述可知，Al12(Fe，V)3Si相的形成對(duì)冷卻速率極為敏感，不同冷速下合金具有不同相組成，彌散相體積分?jǐn)?shù)也有較大差別，只有深入了解冷卻速率對(duì)Al-Fe-V-Si耐熱鋁合金相組成影響機(jī)理，才能找到有效提高耐熱鋁合金性能途徑。Tan等[23，24]對(duì)不同冷速下FVS0812合金的相組成進(jìn)行了研究，不同冷速下合金相組成如表2所示。由表可知，當(dāng)冷速大于102K/s時(shí)，Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si合金中才會(huì)產(chǎn)生大量Al12(Fe，V)3Si粒子。當(dāng)冷速大于103K/s時(shí)，合金中才不會(huì)出現(xiàn)類似Al13Fe4相。亞穩(wěn)相Al6Fe和AlmFe的形成完全依賴于冷卻速度而非Fe含量，隨Fe含量增加，形成Al6Fe和AlmFe所對(duì)應(yīng)的冷卻速率就越大。若要在Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si合金中全部得到α-Al和Al12(Fe，V)3Si理想組織，要求冷卻速率大于104K/s。此外，熔體溫度對(duì)合金組織和性能影響也較大，譚敦強(qiáng)等[25，26]研究表明在同一冷卻速率下，熔體溫度越高所得到的合金組織越細(xì)小。相同冷卻條件下，熔體溫度太低，熔體黏度大，影響氣體破碎效果；熔體溫度太高，熔體流動(dòng)性好，減小了氣液比，從而減小冷卻速率。由此可見(jiàn)，合金的力學(xué)性能是由冷卻速率和熔體溫度共同決定的。

2.2 Al-Fe-V-Si系合金性能特征

科研工作者對(duì)不同工藝制備的Al-Fe-V-Si系耐熱鋁合金的室溫及高溫性能進(jìn)行了大量研究，表3給出了部分快速凝固耐熱鋁合金成分及其室溫和高溫力學(xué)性能[18，27，28]。由表3可知，快速凝固耐熱鋁合金均有優(yōu)良的室溫和高溫力學(xué)性能，其中綜合性能最優(yōu)異的為Allied Singal公司制備的FVS0812合金，其315℃下抗拉強(qiáng)度可達(dá)276MPa。對(duì)Al-Fe-V-Si合金而言，隨Fe含量增加，其室溫和高溫強(qiáng)度逐漸升高，伸長(zhǎng)率卻逐漸下降。

需要指出的是Al-Fe-V-Si合金整體斷裂韌性并不理想，平流鑄造法制備FVS0812合金斷裂韌性約為31MPa·m1/2。如圖4所示，Al-Fe-V-Si合金斷裂韌性比Al-Fe-Mo-V，Al-Fe-Ce等快速凝固合金要高，但與2124-T851，7075-T351等合金相比優(yōu)勢(shì)不是很明顯[29]。

表2 不同冷速下三種Al-Fe-X系合金的相組成[23，24]

表3 快速凝固耐熱鋁合金的力學(xué)性能[18，27，28]

Note: a-350℃

圖4 鋁合金斷裂韌性對(duì)比[29]Fig.4 Fracture toughness comparison of aluminum alloys[29]

3 Al-Fe-V-Si系合金強(qiáng)化措施

Al-Fe-V-Si系合金因具有優(yōu)良的室溫及高溫性能而迅速成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)。為進(jìn)一步提高Al-Fe-V-Si系合金強(qiáng)度，特別是開(kāi)發(fā)出350℃以上能代替鈦合金的耐熱鋁合金，人們發(fā)現(xiàn)在Al-Fe-V-Si合金基礎(chǔ)上，引入高熔點(diǎn)陶瓷顆粒、晶須以及少量稀土元素，可使合金力學(xué)性能得以顯著提高。

3.1 陶瓷相增強(qiáng)

TiC陶瓷顆粒具有高硬度、高彈性模量、高熔點(diǎn)等特點(diǎn)，在快凝Al-Fe-V-Si合金中添加TiC顆粒作為增強(qiáng)相的研究近年來(lái)受到廣泛重視。朱寶宏等[30]在噴射沉積FVS0812實(shí)驗(yàn)坯中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的TiC，研究發(fā)現(xiàn)TiC粒子加入可明顯改變基體和化合物相的凝固特性，抑制粗大相α-AlFeSi相形成，細(xì)化第二相同時(shí)可顯著提高合金的室溫和高溫力學(xué)性能，如表4所示，這與孫玉峰等[31]和胡敦芫等[32]的研究結(jié)果相一致。

表4 TiC對(duì)FVS0812合金力學(xué)性能影響[30]

SiC顆粒因具有高強(qiáng)度、高硬度、不反應(yīng)性等特點(diǎn)也成為一種理想的強(qiáng)化相。Hambleton等[33]認(rèn)為SiC的加入并沒(méi)有影響Al12(Fe，V)3Si相尺寸但可抑制針狀相Al13Fe4的生成，同時(shí)可明顯提高復(fù)合材料高溫性能，如表5所示。賀毅強(qiáng)等[34，35]則認(rèn)為在高溫?zé)岜┞哆^(guò)程中，SiC顆粒向基體中析出游離態(tài)Si，抑制了Al12(Fe，V)3Si的粗化和分解，從而提高復(fù)合材料的高溫穩(wěn)定性。

表5 SiC對(duì)FVS0812合金力學(xué)性能影響[33]

除顆粒增強(qiáng)外，晶須增強(qiáng)Al-Fe-V-Si復(fù)合材料由于具有高比強(qiáng)度、抗疲勞、耐磨損及優(yōu)秀的熱穩(wěn)定性而得到迅速發(fā)展。SiC、Si3N4晶須因成本昂貴限制了該合金的推廣，廉價(jià)、低成本的Al18B4O33晶須進(jìn)入了人們的視線。Peng等[36]對(duì)Al18B4O33/Al-Fe-V-Si復(fù)合材料的蠕變行為進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)Al18B4O33晶須的加入可使合金的蠕變速率降低兩個(gè)數(shù)量級(jí)，實(shí)現(xiàn)顆粒增強(qiáng)效果，在300℃以上，晶須增強(qiáng)的FVS0812復(fù)合材料的強(qiáng)度明顯高于SiC/2024Al復(fù)合材料。

3.2 稀土元素增強(qiáng)

眾所周知，作為少量或微量添加元素，稀土金屬可顯著改善鋁合金顯微組織和力學(xué)性能，提高其耐熱性能。為充分發(fā)揮Al-Fe-V-Si合金應(yīng)用潛力，人們開(kāi)始嘗試在Al-Fe-V-Si合金中添加稀土元素。Khatri等[37]研究發(fā)現(xiàn)在Al-Fe-V-Si合金中添加0.75%Er可明顯降低彌散相Al12(Fe，V)3Si的粗化率。肖于德等[38]也認(rèn)為在FVS0812合金添加少量Er可在保證合金高溫強(qiáng)度前提下，明顯改善其塑性，但低溫強(qiáng)度有所降低，如表6所示。低溫強(qiáng)度降低的主要原因是由于Er的加入會(huì)促使粗大δ(AlFeVSiEr)第二相形成，導(dǎo)致鋁基體局部動(dòng)態(tài)再結(jié)晶甚至晶粒長(zhǎng)大。此外，Wang等[39]發(fā)現(xiàn)Mm元素的加入可使Al-Fe-V-Si-Mm合金的抗拉強(qiáng)度和疲勞韌性比Al-Fe-V-Si合金高出1.5～2.5倍。有學(xué)者研究了添加Mg，Cu，Be元素對(duì)Al-Fe-V-Si合金的影響[40-43]，其結(jié)果表明：添加Mg元素可以明顯細(xì)化Al-Fe-V-Si合金的鑄態(tài)組織，改善鋁鐵相的形貌與分布，還有利于提高合金的硬度與強(qiáng)度；Cu元素的加入部分抵消了Mg元素的細(xì)化作用，而B(niǎo)e元素的加入可抑制針狀相Al13Fe4的形成，使合金的力學(xué)性能得到大幅度提高，合金斷裂方式也從脆性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性斷裂。

表6 Er元素對(duì)FVS0812合金力學(xué)性能影響[38]

4 結(jié)束語(yǔ)

Al-Fe-V-Si系耐熱鋁合金因具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能和可加工性使得其在航空、航天等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。科研工作者不斷嘗試新工藝方法、強(qiáng)化措施的研究，目前已成功制備出薄板、擠壓件等高溫結(jié)構(gòu)件。但經(jīng)過(guò)近30年的發(fā)展，Al-Fe-V-Si合金目前仍存在一些問(wèn)題，尤其是近幾年該合金的發(fā)展一直停滯不前，其主要原因在于制備工藝方面。如前所述，該合金對(duì)冷速極為敏感，只有當(dāng)冷速為105K/s時(shí)才能生成完全理想的組織。平面流鑄造法、氣霧化法及噴射沉積法在制備該合金方面都受到一定限制，給大規(guī)模生產(chǎn)帶來(lái)不便[44,45]。

總體說(shuō)來(lái)， Al-Fe-V-Si耐熱鋁合金發(fā)展仍處于工業(yè)化生產(chǎn)初期，其市場(chǎng)尚未成熟。隨著航空航天及汽車工業(yè)的發(fā)展，對(duì)低密度、高性能的耐熱鋁合金的要求必將進(jìn)一步提高，Al-Fe-V-Si今后的發(fā)展應(yīng)重點(diǎn)集中于以下幾個(gè)方面：

(1)制備工藝的優(yōu)化和創(chuàng)新，簡(jiǎn)化現(xiàn)有快速凝固技術(shù)，并研究新型快速凝固工藝或應(yīng)用先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)，提高制備致密大尺寸Al-Fe-V-Si系合金的能力，同時(shí)降低其成本。

(2)進(jìn)一步提高Al-Fe-V-Si合金在高溫下的熱穩(wěn)定性，如通過(guò)添加合金元素或增強(qiáng)相來(lái)進(jìn)一步提高合金的耐熱性能。

(3)注重理論研究，探討其耐熱機(jī)理、斷裂韌性差等原因，提高其綜合性能。

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Research Progress in Al-Fe-V-Si Heat Resistant Alloys Prepared by Rapid Solidification

LIU Ying-ying，ZHENG Li-jing，ZHANG Hu

(School of Materials Science and Engineering， Beihang University，Beijing 100191，China)

Al-Fe-V-Si heat resistant alloys prepared by rapid solidification exhibit excellent thermal stability which can be ascribed to the obtained second phase particles of fine dispersoids and with low diffusibility. This paper reviewed the development history of Al-Fe-V-Si alloys. The preparation processes, microstructural control and strengthening measures were especially introduced. The problems met in the development of the alloys were analyzed emphatically and the future development should be focused on the optimization of process and the improvement of thermal stability.

Al-Fe-V-Si alloy；preparation process；microstructural control；strengthening measure

10.11868/j.issn.1001-4381.2015.11.015

TG146.2

A

1001-4381(2015)11-0091-07

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51101003)

2014-03-30；

2015-07-20

鄭立靜(1974—)，女，博士，副教授，主要從事高溫金屬間化合物結(jié)構(gòu)材料，輕金屬結(jié)構(gòu)材料等方面研究，聯(lián)系地址：北京市海淀區(qū)學(xué)院路37號(hào)北京航空航天大學(xué)新主樓D343(100191)，E-mail: zhenglijing@buaa.edu.cn