快速凝固铝合金材料的研究进展

快速凝固铝合金材料的研究进展

目前，国外的高速硬化工艺和材料研究正在开展。20世纪90年代，它引起了中国人民的注意，并开始在这方面进行研究。经过20多年的不断创新与改进,已成为一种挖掘新材料、开发材料潜能的重要手段之一。快速凝固技术是一种非平衡的凝固过程,以大于103-105K/s的冷却速率直接将液态瞬间冷凝成固态,一般生成非晶、准晶、微晶和纳米晶等亚稳相,得到一种具有特殊的性能和用途的材料。快速凝固技术关键是使凝固过程中熔体的冷却速度得到有效提高,可以减少单位时间内金属凝固时产生的熔化潜热,并同时增加凝固过程中介质的传热速度。快速凝固技术的特点是尽可能在熔体液固相前沿形成类似均质形核的凝固条件,凝固前获得大的过冷度,以获得更细小优异的凝固组织。实际操作中,利用快速凝固技术得到的产品一般尺寸较小,通常需要利用其它技术手段进行辅助加工才可以进一步使用。1非晶态合金的概念一般通过快速凝固所获得的材料组织特征如下:二次枝晶壁变得相当细小,成分偏析有了明显的改观或者被消除;凝固组织得到较好的细化,冷却速率进一步提高,晶粒尺寸会得到更好的细化,减小越发明显,结果得到微纳米晶;当冷却速率更高,合金的常规结晶过程将被完全抑制,液态时的混乱无序状态被保留下来,获得非晶态固体;得益于快的冷却速率,大大减少了合金中空位、位错等缺陷;同时,固溶度得到了提高,细小亚稳相的形成,使合金获得了一定程度的弥散强化作用。非晶态是指物质从液态或气态急速冷却时来不及结晶而在常温下保留原子无序排列的凝聚状态,在热力学上属于非平衡的亚稳态。非晶态合金具有金属性质,又兼有和玻璃一样的特征,所以在学术界中又称为“金属玻璃”。能否形成非晶态主要决定于合金本身的GFA(非晶形成能力)和合金本身的冷却速度。当某种合金成分既定时,此时冷却速度便成为了形成非晶态的主要条件。冷速必须大于其形成非晶时的临界冷度时,才会有非晶态形成,临界冷度因合金成分变化很大。冷却时液态金属的冷却速度由铜辊(或钼辊)的转速来决定,从而影响冷却后材料的形态与结构,继而对晶化后的磁粉磁性能和微结构产生一定的影响。冷却速度与冷却辊轮转速成正比,转速越快,冷速越高,晶粒越小,形态则会形成微纳米晶或者非晶结构。2早期铸造方法目前世界上最常见的快速凝固的方法主要为粉末冶金、快速凝固熔铸和雾化沉积这三种方式。单辊旋淬快速凝固技术:快速凝固熔铸技术目前应用最为普遍的方法是单辊旋淬快速凝固技术,此类技术的主要工艺原理为:将装有母合金的玻璃试管或者坩埚采用高频感应迅速升温加热至熔化,将合金母料熔化完全,从试管底部以层流的形式喷射出来,在高速旋转的铜辊(或钼辊)上面急速冷却成连续薄带并被甩出。单辊旋淬快速凝固技术是一种典型的直接喷铸行为,一般快速凝固的合金条带一次成型,所获条带的宽度和厚度随辊轮转速不同而不同。快速凝固粉末冶金法(RS/PM):RS/PM方法主要是利用由Hartmann管产生高速、高频的超音速脉冲气流冲击金属液,并把金属液吹散成均匀细小的液滴,产生的强大气体对流将液滴急速冷却,继而凝固成细小粉末。快速凝固粉末冶金法最常用的是超音速雾化法,通过这种方法获得的快速凝固的金属粉末表面更为光滑,尺寸更为细小,球化效果最佳。而通过热挤压或热锻的方法获取快速凝固的合金时,表面容易产生较多的缺陷,效果不理想。快速凝固喷射沉积法(SF):在雾化法的基础上产生了快速凝固喷射沉积法,可以直接制备大尺寸快速凝固材料及产品的新技术,由冷金属基底上喷射沉积去多雾化后的液滴,在底部由于急速的热传导导致液滴快速凝固,在基底便形成了高度致密的快凝坯。喷射沉积法最突出的特点是把液体金属的雾化制粉过程和固结成型结合起来,直接从液态金属制取整体致密、接近零件实际形状的大块高性能材料。这种方法能比较有效地避免粉末受到污染,同时能够避免传统工艺制备高性能材料时出现的成分偏析、组织粗大等缺点,工序得到了简化,降低了生产成本。与常规铸造方法相比,它能显著提高合金的溶解度、细化晶粒、消除宏观偏析,从而大幅度提高材料的力学性能。喷射沉积铝镁合金的研究主要是对5083铝镁合金和ZL301铝镁合金的研究,而对于镁的质量分数大于12%的铝镁合金的研究很少有报道。3快速研磨铝材料的开发(1)快速凝固耐热铝材料自20世纪70年代以来,快速凝固技术取得了较快的发展,扩大了元素在合金中的过饱和固溶度,并为研制新型弥散强化型耐热铝合金起到了向导的作用。近年来,随着航空、国防工业的快速发展,耐热铝合金性能急需从各方面得到提高。过渡族金属元素在铝中的过饱和固溶度由于快速凝固技术从而获得了一定程度的增加,可使Al基体形成高度弥散、具有热稳定性的金属间化合物粒子。在高温下,这些弥散相是相对稳定的,位错需要克服更大的阻力才能摆脱这些第二相粒子继续移动,材料中位错运动被抑制。正是这些高度弥散、热力学稳定、与基体共格或者半共格的第二相粒子的存在,才使得快凝耐热铝合金具有了较好的抗腐蚀、抗疲劳性能,优秀的室温和高温力学性能和出色的热稳定性。随着近年来国内外这些方面研究的不断深入,一系列快速凝固耐热铝合金相继问世。如:俄罗斯研究开发的AK4-1合金,而国内的研究很多是在AK4-1合金的基础上,通过严格控制杂质元素Mn、Si等含量,调整合金元素Cu、Fe、Ni含量,使得合金的综合性能得到了改善。(2)过共晶铝硅合金Al-Si合金具有优异的耐磨性、优良的铸造性能、低的热膨胀系数以及焊接性能,广泛地被应用于国内外内燃机活塞合金中。但在常规铸造中存在着较大硅相严重割裂基体的连续性,导致过共晶铝硅合金的塑性、强度等力学性能不佳。硅含量超过14wt%的过共晶铝硅合金,硅相的不利影响在变质处理的情况下也无法消除。广泛地说,过共晶铝硅合金中硅的尺寸、形态及分布状态是影响其性能的关键因素。快速凝固技术的存在,为Al-Si合金熔体提供了较大的过冷度和极高的冷却速度。在凝固时,合金熔体中在短时间内能产生大量的晶核且极快得生长,从而使硅相来不及长大,硅相尺寸细小并使其分布状况明显改观,性能也得到了大幅提高。同时,合金元素的固溶度因快速凝固技术而得到显著地提高,在Al-Si二元合金系的基础上可以加入其它合金元素(例如Mn、Li等),材料需要的某些性能可以获得相应的提高。(3)al-li合金铝锂合金具有低密度、高比强度、比刚度、良好的耐腐蚀性和卓越的超塑成型性能等特点的新型铝合金材料,国内外一直认为是航空航天工业的理想结构材料非Al-Li合金莫属。但是Al-Li合金在采用常规铸造工艺生产时,其延展性和韧性都比较差。合金固溶热处理后直接进行时效时,存在明显的合金强度达到峰值时间长、强度相对不高的问题。通过快速凝固技术制备的Al-Li合金,基体晶粒与Al3Li沉淀作用产生细化,外力作用下位错的滑移距离缩短,应力集中减小,因此可有效抑制裂纹形核,合金性能得以改善。4固技术发展面临的问题近些年来快速凝固技术日臻完善,生产出许