快速凝固技术在铝基合金材料中的应用

李传福

（潍坊工程职业学院山工机电工程学院，山东潍坊 262500）

试验研究

快速凝固技术在铝基合金材料中的应用

李传福

（潍坊工程职业学院山工机电工程学院，山东潍坊 262500）

介绍了快速凝固技术的特点以及快凝铝基合金材料的发展现状，综述了快速凝固技术在铝基合金材料中的应用以及铝基晶态合金、铝基准晶合金、铝基非晶合金的发展现状。最后指出，快速凝固技术需要进一步完善工艺，降低成本，实现量产；需要优化合金成分，加强多元系合金快凝过程的理论研究以及计算机模拟在铝基合金材料快凝过程中的模拟应用。

快速凝固技术；铝基合金；准晶合金

1 前言

快速凝固技术的应用研究始于20世纪50年代末60年代初，自1960年杜韦兹（Duwez）首次用熔体旋淬法制备出Au-Si系合金，快凝材料的制备及研究引起了研究者的极大兴趣。通过快速凝固技术可以研究合金在凝固时的各种组织结构变化，从而控制得到生活、生产要求的合金。随着航空航天技术以及交通运输工具轻型化的发展，对高性能铝合金材料的需求越来越大，而快速凝固技术为铝基合金新型材料的开发提供了一种新的途径。本研究介绍快速凝固技术的特点，综述快凝铝基合金材料的发展现状。

2 快速凝固技术的特点

快速凝固技术是一种非平衡的凝固过程，以105～106K/s的冷却速率直接将液态金属瞬间冷凝成固态，一般生成微晶和纳米晶、准晶、非晶等亚稳相，得到具有特殊性能和用途的材料。快速凝固技术使凝固过程中熔体的冷却速度显著提高，减少了单位时间内金属凝固时产生的熔化潜热，增加了凝固过程中介质的传热速度。快速凝固技术的特点是使熔体快速冷却，合金熔体中形成大的起始形核过冷度，从而实现高的凝固速率，最终获得细小优异的凝固组织。快速凝固技术主要分为两类：一是“动力学”方法，即提高熔体凝固时的传热速度，从而提高凝固时的冷速，使熔体形核时间极短，来不及在平衡熔点附近凝固而只能在远离平衡熔点的较低温度凝固，因而具有较大的凝固过冷度和凝固速度，具体实现这一方法的技术称为急冷凝固技术（RQT），也称为熔体淬火技术（MQT）；另一种是“静力学”方法，即针对通常铸造合金都是在非均匀形核条件下凝固，使合金凝固的过冷度很小的问题，设法提供近似均匀形核的条件，在这种条件下凝固时，尽管冷速不高但同样可以达到很大凝固过冷度，从而提高凝固速度，具体实现这种方法的技术称为大过冷技术（LUT）［1］。

3 快凝铝基合金材料的发展现状

快速凝固对合金成分的设计、合金的微观组织结构以及宏观特性都产生了很大的影响，已经成为发展新型材料的重要手段之一。从工程技术的层面来看，快速凝固技术已发展成为材料非平衡制备的重要手段，采用快速凝固技术可以制取粉末状、丝状或带状的非晶态、准晶态或微晶以至纳米晶材料。经过40余年的发展，快速凝固技术及其合金的研究已经成为材料科学与工程的一个重要分支。据统计，世界上大多数相关企业和大学实验室都在进行这方面研究，现有各种成分己定型的合金几乎全被用快速凝固技术研究过。快速凝固合金已经在美国、英国、德国、日本等国广泛应用于航空、航天、核工业、机械、电子等许多部门，并发挥着十分重要的作用。

从20世纪80年代以来，受航天航空以及其他运输工具轻型化迅速发展影响，人们开始将注意力集中到高强度、低密度材料的研究工作，特别是对铝基快凝合金的研究，这在国内外有关非平衡凝固金属材料和非晶态合金的学术会议上得到充分体现［2-3］。根据快凝铝基合金的微观结构特点，可将其分为铝基晶态合金、铝基准晶合金及铝基非晶合金。

3.1 晶态合金

根据快凝铝基晶态合金性能特点，将其分为高强高韧铝合金、超塑铝合金和高温耐热铝合金。

3.1.1 高强高韧铝合金

高强高韧铝合金具有密度低、强度高、加工性能及焊接性能好等特点，被广泛应用于航天、航空工业以及民用工业等领域。尤其是在航空工业中占有十分重要的位置，是航空工业主要结构材料之一。高强高韧铝合金主要以Al-Cu-Mg和Al-Zn-Cu-Mg为基的合金。前者的静强度略低于后者，但使用温度却比后者高。Al-Cu-Mg系合金是发展最早的一种热处理强化型合金。航空工业的发展，促进了该系合金的改进。20世纪20年代和30年代相继发展了2014和2024合金，随后又发展了2618合金。这个系的合金发展较为成熟，已先后定型了十几个牌号。这些合金作为航空工业的结构材料，已得到了广泛的应用，约占每年航空工业消耗各种合金总量的一半。但同时也存在一些有待解决的问题，比如此类合金疲劳裂纹长大速度较快。由于这类合金通常采用雾化快速凝固方法生产，在快速凝固过程中会有不同程度的氧化等问题。因此为了适应未来航空航天技术的发展，还必须进一步提高高强高韧铝合金的强度、韧性、疲劳特性、耐应力腐蚀开裂性和耐热稳定性。

3.1.2 超塑铝合金

超塑铝合金是近年来超塑性研究最活跃的领域，在已发现的超塑合金中，铝合金占1/3以上。最早开发的超塑铝合金是Al-33Cu。当时人们对超塑性的认识还比较肤浅，工作主要集中于共晶、共析型合金。20世纪70年代末，人们开始认识到超塑性是金属材料共有的一种特性，研究工作的重点开始转向工业合金。我国的超塑性研究起步较晚，但发展很快，最早的超塑性铝合金是Al-Ca共晶合金。以后相继开发了Al-Cu-Zr等新型合金，近年来集中研究工业铝合金，其中LC4的超塑性已达到世界先进水平。随着超塑成型技术的发展，超塑成型的铝合金部件已广泛应用于飞机、仪表、机械等各方面，这种新材料已产生明显的经济效益。

3.1.3 高温耐热铝合金

传统的高强铝合金主要是亚共晶成分的合金，含有在固溶体中固溶度原子分数＞2%的合金元素，并通过时效过程中金属间化合物的析出达到合金强化的效果。但在150℃以上，这些析出相快速粗化，使材料性能急剧下降，从而限制了其使用范围。通过近几十年对耐热铝合金的大量研究，人们开发了一系列快凝耐热铝合金，这些合金主要以Al-Fe、Al-Cr和Al-Ni系为基础，添加过渡金属元素和稀土元素，形成三元、四元或多元合金，其中Al-Fe-V-Si系耐热铝合金中的8009合金由于具有良好的室温和高温强度而得到世界各国科研工作者的关注［4］。

3.2 准晶合金

1984年，美国的Shechtman等在快速凝固Al-Mn、Al-Cr、Al-Fe合金中作出了历史性的发现，他们在这些合金中观察到一种新的结构，这种结构的电子衍射谱既具有5次旋转对称性，又是由明锐的衍射斑点组成的，定出其点群为m，这与周期结构是不相容的，因此这种结构既不属于晶态合金，也不属于非晶态金属，具有这种结构的合金应该是一类新的合金［5］。此后，Levine和Steinhardt等根据理论计算和计算机模拟证明可能存在一种新的固态金属结构，它们的原子排列具有长程键合取向序和准周期性，Levine和Steinhardt等认为，这正是有非晶体学对称性的三维准周期结构，相当于Penrose拼砌的三维推广，第一次把这种结构称为准晶体（quasicrystal），作为准周期晶体的简称［6］。他们的研究不仅为Shechtman等的实验发现提供了理论依据，而且，明确指出了固态金属在结构上除了晶态和非晶态之外还存在介于它们之间的准晶态。这些实验和理论研究结果向经典的金属学理论发出了挑战，同时也为金属材料研究特别是快速凝固合金的研究开辟了一个新的领域，快凝准晶合金的发现是近年来凝聚态物理学的一个重要突破，触发了这方面研究的热潮。

3.3 非晶合金

1965年，Predecki［7］等人首次通过熔体急冷的方法在Al-Si合金得到了非晶和晶体的共存体。随后人们又陆续在Al-Ge，Al-M（M=Cu，Ni，Cr，Pd）等一系列合金系中通过喷枪技术得到非晶和晶体的共存体，但是通过喷枪技术和熔体急冷技术并没有得到完全的非晶［8］。1981年第一次在含Al超过50%的Al-Fe-B和Al-Co-B合金系中得到了单一的非晶相［9］，随后人们又在Al-Fe-Si，Al-Fe-Ge，Al-Mn-Si合金系中得到了单一的非晶相。但是这些非晶合金非常的脆，以致于人们认为脆性是铝基非晶固有的特征。1987年，Inoue在含Al超过80%的Al-Ni-Si和Al-Ni-Ge合金体系中发现了韧性良好的非晶合金相［10］。自此以后，大量具有韧性的铝基非晶相在三元合金中被发现，如Al-Zr-Cu、Al-Zr-Ni和Al-Nb-Ni，从而形成了Al-EM-TM非晶合金系。随后，用RE来代替EM的Al-RE-TM和二元Al-RE非晶系也先后被发现［11］。所有这些合金都表现出优良的力学性能，包括高弹性和韧性。1988年，Y.He［12］等人发现了含铝量达90%（原子分数）的高强度低密度的Al-TM-RE非晶合金。1990年Inoue等人利用快凝技术得到新型的Al-TM-RE纳米复合材料（纳米晶体弥散分布在非晶基体上），其强度和韧性均超过所对应的非晶合金［13］。和传统的铝合金相比，铝基非晶合金拥有非常优异的机械性能、耐蚀性、耐磨性及低的热胀系数，铝含量超过80%的Al-TMRE非晶合金还具有很好的韧性，非晶条带可以弯折180°而不折断，从而有着巨大的应用前景。

4 结语

随着快速凝固技术的日益完善与发展，已生产出一系列性能优异的快凝铝基合金材料，更广泛地应用于航空航天、轻型运输工具等生活的各个方面。同时也应该看到，快速凝固技术还存在一些问题，有待进一步解决，比如，快速凝固技术还未完全走出实验室，需要进一步完善工艺，降低生产成本，实现工业量产；其次，需要优化合金成分，加强多元系合金快凝过程理论研究以及计算机模拟在铝基合金材料快凝过程中的模拟应用。相信随着快速凝固技术进一步深入的研究，将会生产出更多高性能的铝基合金材料，应用到人们生活的方方面面。

［1］张忠华.快速凝固铝基中间合金的研究［D］.济南：山东大学，2003.

［2］惠希东，陈国良.块体非晶合金［M］.北京：化学工业出版社，1984：30-35.

［3］李传福，张川江，辛学祥.化学短程序对Al-Zn基合金非晶形成能力的影响［J］.稀有金属与硬质合金，2009，37（1）：12-14.［4］刘克明，陆德平，杨滨，等.快速凝固耐热铝合金的现状与发展［J］.材料导报，2008，22（2）：57-60.

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［12］He Y.,Poon S.J.,Shiflet G.J..Synthesis and properties of metallic glasses that contain aluminum［J］.Science，1988，241：1 640-1 642.

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Application and Research of Rapid Solidification Technology on Al-based Alloys

LI Chuanfu
（School of Electromechanical Engineering,Weifang Engineering Vocational College,Weifang 262500,China）

This article introduced the characteristics of rapid solidification technology and the development status of rapid solidified Al-based alloys.It mainly summarized the application of rapid solidification technology in Al-based alloys,and the development status of Al-based crystalline alloy,Al-based quasicrystalline alloy and Al-based amorphous alloys.Finally,it is pointed out that the rapid solidification technology should need to further improve the process,reduce the cost,achieve mass production,optimize the alloy composition,and strengthen the multicomponent alloy rapid solidification process of theoretical research and computer simulation application in aluminum alloy materials in the process of rapid solidification.

rapid solidification technology;Al-based alloy;quasicrystalline alloy

TG111.4；TG146.21

A

1004-4620（2015）02-0038-03

2014-12-31

李传福，男，1984年生，2009年毕业于齐鲁工业大学材料学专业，硕士。现为潍坊工程职业学院山工机电工程学院讲师，从事铝基合金材料方面的研究及教学工作。