提高铝合金强度的技术途径和方法

提高铝合金强度的技术途径和方法

摘要：主要介绍了铝合金强化的位错机制，论述了铝合金强化的技术途径和方法，并进一步研究了高强铝合金的发展趋势。

1 前言

铝及铝合金具有密度小、耐蚀性和成型性好等一系列优点，在航天，航空、核工业及兵器工业等有着广泛的应用前景及不可替代的地位，因而铝和铝合金的研制技术被列为国防科技关键技术及重点发展的基础技术。现代工业和科学技术的迅速发展，对铝合金强化材料的性能提出了更高要求。铝合金强化以加工硬化和沉淀强化为重点，而其强化效果的判断则以铝合金材料在常温和高温下的强度、塑性指标为重要依据。本文对强化机理进行了探讨，并对强化方法进行了综合分类。

2铝合金强化的位错机制

强度是材料抵抗变形和破坏的能力，金属材料的强度主要取决于构成晶体的原子之间的结合力。这种结合力随原子和结合键性质的不同而有差异。材料的强度、塑性、韧性等力学性能除与键的强度有关外，还与晶体结构的完整性密切相关，即受晶粒、亚晶粒尺寸、第二相特征、晶体缺陷密度等因素影响，这些影响都可以用位错作用机制来解释。

3提高铝合金强度的技术途径和方法

铝合金强化主要是增加其对位错动作的抗力，所以铝合金强化途径有两条：液态处理和固态处理。

3.1液态处理方法

液态处理是通过合金化和化学反应在铝基体熔体中生成碳化物、硼化物、氮化物等弥散分布的强化相，这种由反应生成的强化相与基体间的界面洁净、结合较好、颗粒细小、分布均匀，

因此对合金的弥散强化效果较好。液态处理主要有合金强化和异相强化。合金强化是在铝合金中添加具有很低溶解度和扩散速率的过渡族金属和稀土金属元素，铸造时快速冷却，使这些元素保留在α（A1）固溶体中，随后加热析出非常稳定的非共格第二相弥散质点，通过弥散质点而使合金强化。几乎所有铝合金都分别或联合加入Ti，V，Cr，Mn，Zr等过渡族元素，这些元素形成弥散铝化物质点，产生弥散强化作用，这些质点一旦析出，很难继续溶解或聚集，有较大的弥散强化效果。此外弥散质点阻止再结晶，使加工硬化效果最大限度保留。异相强化是由结晶时生产难溶结晶相产生强化，由于第二相质点硬、脆和较粗大，使合金塑性损失大。

3.2固态处理方法

铝合金固态处理强化方法主要有弥散强化、固溶强化，沉淀强化、细晶强化、形变强化等。

弥散强化非共格硬颗粒弥散物对铝合金的强化称弥散强化。为了取得好的强化效果，要求弥散物在铝基体中有低的溶解度和扩散速率、高硬度的小颗粒。几乎所有的铝合金都分别或联合加入Ti、V、Cr、和Zr等过渡族元素，这些元素形成弥散铝化物质点，产生弥散强化作用。

固溶强化是依靠溶质原子溶入基体金属中并对位错产生钉扎来增加位错运动的摩擦阻力以提高其变形抗力。合金元素加入到纯铝中后，形成铝基固溶体，导致晶格发生畸变，增加了位错运动的阻力，由此提高铝的强度。固溶强化效果取决于溶质原子浓度和相对尺寸、固溶体类型和电子因素。溶质原子与铝原子的价电子数相差越大，固溶强化作用亦越大。选用固溶强化元素时，一定要考虑对塑性和韧性的影响。表1给出了主要合金元素在铝中的极限溶解度。

表1 主要合金元素在铝中的极限溶解度

元素 Zn Mg Cu Li Mn Si

极限固溶度/% 82.2 17.4 5.6 4.2 1.82 1.65

沉淀强化是通过过饱和固溶体析出稳定的第二相，形成溶质原子富集亚稳区的过渡相而产生强化。加热到一定温度的过饱和固溶体发生沉淀，生成共格的亚稳相质点则产生时效强化，由第二相沉淀产生的强化也叫析出强化。时效过程中，铝合金强度和硬度增加的沉淀强化效果和强化相的结构和特性有很大关系。铝合金中的沉淀强化相应满足的基本条件是：沉淀强化相是硬度高的质点；铝基固溶体中的沉淀相在高温下有较大的溶解度，随温度降低，其溶解度急剧减小，能析出较大体积分数的沉淀相；在时效过程中，沉淀相具有一系列介稳相，并且是弥散分布，与基体形成共格，在周围基体中产生较大的共格应变区。为充分第三或第四合金组元，构成复杂合金系，如A1—Cu—Mg、A1—Mg—Si、A1—Zn—Mg、A1—Li—Cu、A1—Cu—Mg—Zn、A1—Cu—Mg—Si等，以形成新的沉淀强化相。

细晶强化主要是利用晶界对位错的阻碍作用，通过细化晶粒来增加晶界或改善晶界性质，阻碍位错运动，提高材料强度。对于不能沉淀强化或沉淀效果不大的铝合金，常采用加入微量合金元素进行变质处理而细化组织的方法来提高合金的强度和塑性。例如在铝一硅合金中加入微量钠、钠盐或锑作为变质剂来细化组织，可使合金的塑性和强度显著提高。对于可沉淀强化的一些铝合金，加入微量Ti、Zr、Be或稀土等合金元素后，可形成难熔化合物，在合金结晶时作为非自发晶核，细化基体晶粒，从而提高合金的强度和塑性。细化晶粒是金属极为重要的强化方法。细化晶粒不仅提高强度还可以提高金属的塑性和韧性，降低脆性转变温度，是同时提高强度和塑性的唯一强化机制。

形变强化是通过塑性变形使合金产生亚结构和加工硬化获得高强度的强化方法。塑性变形时增加位错密度是变形强化的本质，位错密度越大，继续变形时增加位错密度是变形强化

的本质，位错密度越大，继续变形时位错在滑移过程中相互交割的机会越多，相互间的阻力越大，因而变形抗力也越大，合金强度也越高，而塑性却大大降低。

4高强铝合金的发展趋势

高强度铝合金是重要的轻质高强结构材料，具有广阔的应用前景。铝及铝合金的应用受到钛及钛合金和复合材料的挑战，但其作为主体结构材料的地位基本不变。目前，高强铝合金的发展趋势从以下几个方面开展：

⑴复合微合金化，添加微量过渡族元素以及稀土元素，开发出各种满足不同需要的新型铝合金高强材料。

⑵改进传统的铸锭冶金制备技术，采用和研究各种先进的熔体净化和变质处理方法，提高铸锭冶金质量。

⑶深入研究高溶质状态下合金的热处理工艺，研究合金强化固溶处理及多级多重相时效析出的沉淀强化机制，提高合金基体的过饱和固溶度提高沉淀相的体积分数，通过MPt、GBP和PEZ的最佳配合，使合金实现高强高韧，良好抗蚀性能的优化匹配。

我国铝及铝合金业相对应国外的研发水平还有相当大的差距，因此我国铝及铝合金的发展需要走一段相当长的路。可喜的是目前已对高性能铝基结构材料有了很大的重视。如“十五”、“863”、“973”等重大科研项目均对该类材料的开发研究列项研制。相信几年后，我国高性能金属材料的研制将达到国际先进水平。