快速凝固/粉末冶金技术制备高性能高温铝合金及其复合材料的进展

RS/PM 高性能高温铝合金及铝基复合材料因其合 金中的弥散相的不同显示出不同的耐热性。包含金属 间化合物平衡相的 Al–TM–RE 型高温铝合金及其铝基 复合材料的耐热温度为 250~300℃。例如，X8019 合金 在不超过 260℃ 热暴露 1000h，屈服强度无明显变化;但 超过 260℃ 热暴露后，屈服强度开始出现明显下降 。而包含准晶相和 Al12(Fe,X)3Si 相为强化相的高温铝合 金的 Al–TM–TM 型高温铝合金及其复合材料比传统铝 合金具有更好的高温性能(包括高温拉伸强度、疲劳极 限、持久和蠕变性能等)和热稳定性。迄今已经达到工 程化阶段的包含球状 Al12(Fe,V)3Si 或 Al12(Fe,Mo)3Si 等 纳米相的 Al–Fe–V–Si 系、Al–Fe–Mo–Si 系高温铝合金及 其复合材料，以及研究较多的包含准晶相的 Al–Fe–Cr– Ti 系等高温铝合金及其复合材料和铝基复合材料，其耐 热温度均可达到 300~400℃。例如，FVS0812FVS1212 合金在 425℃/1000h 退火，拉伸性能保持稳定  ;在 482℃/100h 热暴露后，才会析出针状 Al13Fe4 或 Al3Fe， 导致断裂韧度和延伸率下降 。采用 HPGA PM 制备 的包含准晶的 Al–Ti–Fe–X(X=V，Zr，Cr，Mo)合金，其 室温抗拉强度与 Al–Ti–Fe 的相当，而高温性能优于 Al– Ti–Fe，且在 350℃/1000h 和 400℃/100h 热暴露后显示 出良好的热稳定性，抗拉强度无明显下降 。这种良好 的耐热性能与这些高温铝合金中的 Al12(Fe，X)3Si(X=V， Mo)相或准晶相，呈球形、尺寸小、与铝基体之间的界面 能小、粗化速率小，且向平衡相转变的温度高有关。 传统铝合金的耐热温度不超过 200℃，钛合金的耐 热温度在 400℃以上，而高性能高温铝合金及铝基复合 材料的耐热温度范围可达 300~400℃，正好填补了传统 铝合金与钛合金的耐热温度范围，可应用于超音速飞 机及航天飞行器、航空发动机、汽车发动机等需求耐热 轻质金属结构材料领域。表 9 汇总了高温铝合金及铝 基复合材料的潜在应用 。对航空或航天飞行 器，当速度达到 Ma=0.8 时，表面温度达到 100℃;当速 度达到 Ma=3.0 时，表面温度达到 288℃。对航空 发动机、风扇叶片和低压压气机叶片等工作温度可达 150~350℃。对汽车和地面交通工具，发动机叶轮、刹 车轮等的工作温度可达 120~400℃，这些领域均可应 用到高性能高温铝合金及铝基复合材料。温度超过 200℃ 时，高性能高温铝合金及铝基复合材料强度优 于传统变形铝合金;在 352℃ 以内，其比强度、比刚度 可以与合金相比拟 [69]。采用高性能高温铝合金及 铝基复合材料替代钛合金，可实现减重 30% 左右，从 而满足未来航空航天和汽车领域发展对结构减重的需求。

目前已出现了多种系列的高性能高温铝合金及其 复合材料，但针对应用需求，还存在一些亟待解决的问题。

(1)塑性、韧性偏低。

高温铝合金均包含了高含量的 TM 和 RE 元素。 这些元素可与铝形成亚稳相弥散颗粒、准晶相颗粒或金 属间化合物平衡相颗粒。合金中这些颗粒的体积分数 达到 27%~36%，另外，这些合金也通常加入 5%~15%(体 积分数)的 SiC 颗粒或晶须等增强相，进一步改善合金的高温强度。这些导致高温铝合金及其复合材料的延 伸率和断裂韧度均偏低。例如，对高合金化的高温铝合 金及其铝基复合材料，其室温的延伸率仅为 1%~3%，断 裂韧度为 ~10MPa·m1/2。而作为结构材料，通常要 求其延伸率大于 3%，断裂韧度大于 15MPa·m1/2。

(2)中温脆性。 对于高 Fe 含量的高温铝合金，如 Al–Fe–Ce 系、 Al–Fe–V–Si 系等及其复合材料，均出现当温度升温至 150℃ 左右时延伸率降低的中温脆性现象。这一现象 与粉末结合表面状态及动态应变时效有关。由于除气 温度和热挤压温度大多数为 400℃ 左右，粉末除气并达 到理想状态、后续热加工时粉末表面氧化膜的破碎和结 合不理想会影响粉末之间的结合。

(3)热加工成形困难。 不同于传统的 2XXX 系、7XXX 系等热处理强化的 铝合金，随温度的升高，高温铝合金中的弥散强化相的 组成元素在铝中的固溶度很小，热加工过程中强化相只会粗化，不能回溶于基体中，因此，高温铝合金及其复合材料的变形抗力很大，同时高温下的延伸率较低。因此 温铝合金热加工需求的设备吨位比传统铝合金的大， 同时热加工成形容易出现开裂问题。

(4)性能数据积累不足、应用偏少。 目前高温铝合金及其复合材料的性能数据主要为 拉伸性能，有关其疲劳、疲劳裂纹扩展、断裂韧度、高温 持久和蠕变等性能数据少。同时，目前的性能数据主 要来源于小规格的挤压棒材或轧制板材，而有关工程 化的大规格制件及其性能数据少，相关应用的报道也 很少。

(5)成本高。 若采用气体雾化制粉，高温铝合金的雾化温度高， 雾化难度更大，制粉和粉末处理成本高;若采用平流铸 造 / 薄带制粉，因增加了薄带粉碎工序，成本也很高;若 要制备成铝基复合材料，则成本更高。这在一定程度上 阻碍了高温铝合金及其复合材料的应用。