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(jī)械制造有限公司 天津 300457)

隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及對(duì)各種能源的依賴，輕質(zhì)量、高性能已經(jīng)成為當(dāng)今工業(yè)領(lǐng)域的追求，這一特點(diǎn)在航天航空及汽車等交通運(yùn)輸裝備的發(fā)展方向上尤為明顯[1-2]。其中，發(fā)展輕質(zhì)量、高強(qiáng)度的材料已經(jīng)成為趨勢(shì)，而鋁合金作為輕金屬，其密度低、導(dǎo)熱性能好，成為當(dāng)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(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的耐熱鋁合金。此類合金多以 Al-Fe、Al-Cr、Al-Ti為基礎(chǔ)，再適當(dāng)添加 V、Mn、Nb、W、Zr、Mo、Ce等具有極小平衡極限固溶度和固態(tài)擴(kuò)散系數(shù)的過渡族元素，經(jīng)快速凝固后產(chǎn)生過飽和固溶體，在隨后的熱加工過程中，細(xì)小彌散的亞穩(wěn)強(qiáng)化相析出，可延緩晶界的遷移，使得合金具有較好的高溫強(qiáng)度[5-7]。由于 W 具有高熔點(diǎn)和良好的熱穩(wěn)定性，已經(jīng)在鎳基高溫合金中獲得成功應(yīng)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(yīng)用不多[8-9]。本文針對(duì)高溫、高強(qiáng)鋁合金的發(fā)展趨勢(shì)，將 W 引入到鋁合金中，主要研究W含量對(duì)Al合金組織及性能的影響，以期為后續(xù)的高溫鋁合金的設(shè)計(jì)與開發(fā)提供基礎(chǔ)性的參考。

1 實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)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(cè)金相組織，HB-3000B型布氏硬度計(jì)測(cè)量合金硬度，ML-100磨粒磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)試合金耐磨性。

2 結(jié)果及分析

2.1 不同W含量時(shí)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(tài)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(jié)合Al-W 二元相圖以及所設(shè)計(jì)的合金成分，銀白色塊狀物應(yīng)該為 Al12W。隨著 W含量的增加，Al12W的數(shù)量逐漸增多，當(dāng)W含量低于7%,時(shí)，Al12W的分布較為均勻；當(dāng) W含量達(dá)到 9%,時(shí)，Al12W 的尺寸較大，且偏聚較為嚴(yán)重。從圖 1還可以看出，中間相主要分布在晶界處，因?yàn)榫Ы缣幠芰枯^高，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，中間相容易形核并且長(zhǎng)大。熔煉溫度為1,150,℃，在澆注的過程中溫度在不斷降低，當(dāng)溫度降到697,℃的時(shí)候按包晶轉(zhuǎn)變生成Al12W。

2.2 不同W含量時(shí)合金的力學(xué)性能

對(duì)不同W含量的合金進(jìn)行硬度測(cè)試后得到不同合金硬度值(見表1)和鎢含量-合金硬度關(guān)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(tài)下鎢元素含量與布氏硬度的關(guān)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(tài)合金的硬度有所提高。但是當(dāng)W含量達(dá)到7%,時(shí)，合金硬度最大為24.9,HB，W含量繼續(xù)增加時(shí)合金的硬度值卻有所降低。理論上，鑄態(tài)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(tài)微觀組織分析可知，當(dāng) W 含量低于 7%,時(shí) Al12W 分布比較均勻，W 含量達(dá)到 9%,時(shí) Al12W 尺寸較大并且發(fā)生偏聚比較嚴(yán)重，所以當(dāng)W含量低于7%,時(shí)合金的硬度不斷增大，之后由于偏聚導(dǎo)致硬度下降。硬度值出現(xiàn)反?，F(xiàn)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(dǎo)致偏聚較大，進(jìn)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(shí)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(jù)表2中不同 W 含量合金的磨損數(shù)據(jù)，得到W含量與單位面積磨損量之間的關(guān)系曲線(見圖3)。

圖3 鎢含量與單位面積磨損量的關(guān)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(dāng)W含量低于7%,時(shí)，試樣的耐磨性能隨著 W 含量增加逐漸增強(qiáng)，當(dāng)鎢含量大于 7%,的時(shí)候，試樣單位面積磨損量有所增大。分析其原因如下：當(dāng)合金中W含量小于7%,時(shí)，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(qiáng)；當(dāng) W 含量超過 9%,時(shí)，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(dǎo)致耐磨性下降。

3 結(jié) 論

W 含量對(duì)合金的鑄態(tài)組織有較大影響，隨著 W含量的增加，Al12W 的數(shù)量逐漸增多，當(dāng) W 含量低于 7%,時(shí)，Al12W 的分布較為均勻，當(dāng) W 含量達(dá)到9%,時(shí)，Al12W的尺寸較大，且偏聚較為嚴(yán)重。

W含量對(duì)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(shí)合金的硬度值最大，為24.9,HB。

W含量對(duì)合金耐磨性有較大影響，隨W含量增加，合金的耐磨性增強(qiáng)，當(dāng) W 含量達(dá)到 7%,時(shí)，合金的耐磨性最好。