1、鋁合金強化技術的研究現狀及展望 摘要：綜述了目前鋁合金強化技術的研究現狀和進展。簡述了旋渦攪拌鑄造法、壓力鑄造法、噴射鑄造法、熔鑄直接接觸反應法、細晶強化法等幾種鋁合金強化技術工藝。簡介了國內外鋁合金強化技術的發展概況以及鋁合金強化技術的應用，同時展望了鋁合金材料的發展。 關鍵詞：鋁合金；強化技術；漩渦攪拌鑄造法；細晶強化法Study Reality and Prospect of Aluminum Alloy Reinforcing TechnologyAbstract: Recent research and prospect of aluminum alloy reinforcing t

2、echnology are discussed. Several aluminum alloy reinforcing technical processes are described, including vortex stirring casting method, pressure casting method, injection molding method, direct contact reaction casting method, grain refining reinforcing method, and so on. The development situation

3、and application of aluminum alloy reinforcing technology at home and abroad are introduced, the aluminum alloy material prospects for development are forecasted. Keywords: aluminum alloy, reinforce technology, vortex stirring casting method, grain refining reinforcing method 0引言鋁及其合金密度小，耐腐蝕，有一定強度，塑性

4、好，可加工成板、箔、管、棒、型、線、粉和鍛件等，容易進行表面處理，因而廣泛用于建筑業、容器包裝業、交通運輸業、電氣電子工業、機械制造業、航空航天和石油化工等各工業部門及人們日常生活之中。其用量之多，范圍之廣，僅次于鋼鐵，是第二大金屬。鋁材的應用發展很快，1980年世界鋁消費量為1532.6萬t，其中鋁材約為1056.5萬t，1989年鋁消費量增加到1805.7萬t，1996年為2400.1萬t，2003年為3210.5萬t，即比1980年增長2倍以上，其中鋁材估計為1250萬t。近10多年來，我國鋁加工工業迅速發展，鋁加工廠紛紛引進國外先進技術和設備，努力開發鋁材新品種、擴大鋁材新用途、發展鋁

5、材深加工，使我國鋁材的應用領域發生了巨大的變化，使用量迅猛增長。在20世紀80年代以前，我國鋁材主要用于航空、軍工、機械和電力等工業部門；進入80年代以后，我國建筑鋁型材、容器薄板和包裝鋁箱劇增，鋁材的應用擴展到各行各業，鋁加工廠的鋁材深加工也有很大發展。1980年我國鋁消費量約為5209萬t，其中鋁材約2907萬t，1992年鋁消費量繼續攀升。近年來，隨著航空航天等工業的發展，極大地推動了鋁合金的研究和應用，特別是顆粒增強鋁合金材料由于具有優良的力學性能和加工性能而備受人們的關注。盡管鋁合金得到了廣泛應用并且發展迅猛，但其基礎理論的研究仍相對薄弱，如增強機制的研究。本文綜述了目前鋁合金強化技

6、術的研究現狀和進展，分別闡述了鋁合金的幾種強化技術，重點介紹了細晶強化及其增強機理。簡述了幾種鋁合金強化技術工藝，包括旋渦攪拌鑄造法、壓力鑄造法、噴射鑄造法、熔鑄直接接觸反應法、細晶強化法等。簡介了國內外鋁合金強化技術的發展概況以及鋁合金強化技術的應用，同時展望了鋁合金材料的發展，希望對進一步開發鋁合金能起一定指導作用。1 鋁合金強化技術1.1旋渦攪拌鑄造法 德國漢諾威激光中心實驗室針對不同脈寬的激光器加工質量做了對比，通過加工大量半導體材料，分析了脈寬對加工質量的影響。實現了使用飛秒、皮秒、納秒激光在硅片上打孔，如圖1所示。結果說明脈寬越小，越接近冷加工，加工質量越好。自從熔鑄法引入顆粒、晶

7、須或短纖維增強鋁合金以來，旋渦攪拌鑄造法就一直受到人們的重視，其突出的優點是對設備要求低、工藝簡單、易于實現。在石墨顆粒增強、SiC顆粒增強或Al2O3顆粒增強鋁合金的制備中得到了成功運用。為了消除顆粒在熔體中的偏析以及避免熔體激烈翻騰而大量吸入氣體，可采用半固態下加入增強物的工藝規范，即先將熔鋁溫度升高到750，使鋁熔化后，降溫至固相線與液相線之間，攪拌熔體，并加入增強物。增強物的加入會使熔體的粘度增大，故隨粘度的增大再適當升高溫度。待增強物加完后，再升溫至750800，短時間急速攪拌，使顆粒均勻地分布在熔體中，澆鑄成型。旋渦鑄造過程中產生的吸氣、疏松與縮孔，可以通過后續除氣、熱擠、熱軋等工

8、藝來提高復合材料鑄錠的致密度和力學性能。SiC顆粒增強Al-1%Mg合金的制造過程是將鋁錠清洗后放入增強相（低碳鋼質），400預熱2h后，在保護氣氛中升溫至700左右，將鋁熔化，再投入鎂塊，高速攪拌熔體使之形成高速流動的旋渦。在旋渦中心投入SiC顆粒，直至SiC顆粒的加入量達到12%20%（質量分數）。加完顆粒后繼續攪拌1020min，把攪拌后具有良好流動性的混合熔體迅速倒入通水激冷的鑄模。攪拌速度為950r/min，熔體溫度為730左右，其工藝過程如圖1所示。圖 1 漩渦攪拌鑄造法示意圖1.2 壓力鑄造法 壓力鑄造法是制備非連續增強鋁合金材料的主要工藝，近年來得到了很快發展，在顆粒、晶須或短

9、纖維增強的實用鋁合金材料的制備中應用最多，且最為成功。因此，壓力鑄造法被認為是適合大規模生產鋁合金材料特別是非連續增強鋁合金的主要工藝之一。壓力鑄造法制備顆粒、晶須或短纖維增強鋁合金的基本過程是首先把顆粒與晶須或短纖維制成預制塊，再使鋁或鋁合金液在壓力作用下滲入到預制塊內，制備成復合材料。碳化硅晶須增強鑄鋁合金（ZL109）的壓力鑄造工藝過程是首先把市售商品的SiC晶須進行過濾，然后在一定壓力下使其成型，制備成具有不同體積分數的預制塊。把壓鑄模與預制塊分別預熱（晶須預制塊的預熱溫度為973K、模具的預熱溫度為573K）后，往模具中澆入溫度為1033K的鋁合金熔體，在12MPa的壓力下保壓1mi

10、n，使液態金屬在壓力作用下滲入到碳化硅晶須預制塊中，并充滿整個預制塊空間，最后凝固成復合材料，其工藝過程如圖2所示。壓力鑄造法最早是用于制備纖維增強復合材料，后來逐步發展到用于制備顆粒與晶須或短纖維混合增強材料。純顆粒增強復合材料用預制塊再壓鑄來制備，工藝難度相對較大，主要是制備顆?；蚍勰┑念A制塊比較困難，其強度不高，預制塊在壓滲過程中易崩塌，而且金屬熔體不易充分地滲入到顆?；蚍勰╊A制塊內。最近的研究表明，通過增大壓力的方法（比金屬熔體滲透纖維或晶須預制塊時所使用的壓力大510倍），可以實現熔鋁在粉末或顆粒預制塊中的滲透。圖 2 壓鑄過程及設備示意圖1.3 噴射鑄造法、快速凝固法和接觸反應法

11、壓力鑄造法是制備非連續增強鋁合金材料的主要工藝，近年來得到了很快發展，在顆粒、晶須或短纖維增強的實用鋁合金材料的制備中應用最多，且最為成功。因此，壓力鑄造法被認為是適合大規模生產鋁合金材料特別是非連續增強鋁合金的主要工藝之一。壓力鑄造法制備顆粒、晶須或短纖維增強鋁合金的基本過程是首先把顆粒與晶須或短纖維制成預制塊，再使鋁或鋁合金液在壓力作用下滲入到預制塊內，制備成復合材料。噴射鑄造法或共噴射鑄造法也稱噴射彌散法，是一種在惰性氣體的推動下將金屬熔體與增強顆粒共噴射來制備顆粒增強合金的方法。根據不同的工藝條件及工藝要求，可以使共噴射混合物在水冷的金屬模具內直接成型，或對共噴射物進行連續軋制，還可以

12、在水冷盤上得到中等尺寸的板材，也可以噴成鋁包覆陶瓷顆粒粉末，用作粉末擠壓或等靜壓的原料。與其它方法相比，噴射鑄造法雖然出現較晚，但發展很快。共噴射過程中冷卻速度很快，因此增強物/鋁界面之間的有害的化學反應來不及完全進行；同時由于增強物在氣流推動下高速射入熔體，所以對界面的潤濕性要求不高，還可以消除顆粒偏析等不良復合現象。清華大學全興存等將常規熔鑄工藝與快速凝固技術相結合，成功制備出Al-Ti合金。他們以純鋁、鈦為原料，按一定比例混合，用石墨坩鍋在真空感應爐內熔制并澆注成棒。以該圓棒為母材，采用快速凝固旋鑄急冷工藝，經高溫重熔，制備出快凝條帶。該條帶經剪碎、球磨、裝罐后熱擠壓成棒材。該方法獲得的

13、Al-Ti自生復合材料中Ti的體積分數為14.5%，顆粒尺寸為0.21.0，一般呈聚集態分布，而且表現出較好的綜合力學性能和強化效果。哈爾濱工業大學等單位在SHS法和XD法的基礎上開發了接觸反應法。其工藝過程是先將鋁粉、鈦粉按一定比例混合均勻并壓制成型，然后將其壓入Al-Ti合金液中，隨著Al-Ti壓制塊的溫度升高，在一定溫度下保溫和精煉除氣后，再用石墨棒攪拌，之后把合金液澆入金屬型模具即制備出Al-Ti粒子彌散的合金材料。利用熔鑄直接接觸反應法所制備的Al-Ti合金具有較理想的組織和結構。1.4 激光反應強化法激光激波強化技術是近年來興起的一種新型的表面強化技術，它利用高能量脈沖激光束輻照金

14、屬表面瞬間產生的激渡對材料進行改性，對提高航空鋁合金的表面性能有顯著效果。激光沖擊強化能大大提高金屬材料的強度，改善其耐磨性和耐腐蝕性，延長金屬零件的疲勞壽命，國內外很多學者做了這方面的研究，特別適合于受交變載荷作用的零件的強化。在激光沖擊下，材料表面產生沖擊坑，內部組織得到細化，產生殘余壓應力。無殘余應力以及較小或沒有腐蝕坑是材料內部組織性能優化的外在表現，與材料的力學性能有著密切關系。1.5 晶粒細化及其研究現狀細晶強化作為一種特殊的強化手段，不僅提高材料的加工塑性，而且幾乎不降低材料的導電率，因而具有相當廣泛的應用，是一種最有發展前途的強化技術。晶粒細化對提高鋁及鋁合金產品質量和成品率有

15、極其重要的作用，而添加細化劑是細化晶粒最簡便、最有效的方法。鋁和鋁合金存熔鑄過程中進行的晶粒細化有許多優點，如可以提高鑄造速度、減少裂紋、消除羽毛狀晶和鑄錠冷隔，給鑄錠隨后的塑性變形帶來更大的“靈活性”以及改善鋁鑄件壓力氣密性等。鋁的晶粒細化通常是采用Al-Ti或Al-Ti-B中間合金（以下稱Al-Ti，Al-Ti-B）實現的，但Al-Ti-B的晶粒細化效果比Al-Ti的好得多。典型的晶粒細化過程可突出地表現為以下幾方面：Ti含量大大低于包晶成分時就起作用；中間合金開始起作用后的接觸時間；成核溫度在熔點以上；長時間保持后細化效果衰減和存在Zr時會“中毒”。顯而易見，其中核心問題是確定怎樣使鋁成

16、核。對此，研究者提出過各種理論，但這些理論又無法圓滿解釋這一問題。Al-Ti-B對鋁晶粒細化的極限晶粒度（UGS）約為100，因此限制了實際可獲得的晶粒尺寸。細化劑制造廠的任務就是要提供“更清潔、更有效”、加入量少的晶粒細化劑。為此，要求晶粒尺寸分布更均整和成核能力更穩定，則可以采用以下兩種方法來實現：使鹽夾雜物減至最小，因為它們能使晶粒粘結在一起形成聚集物；快速冷卻，預期可獲得更好的初始顯微組織。在迄今所探討的幾種晶粒細化工藝中，適于制造大型板材的兩種方法有用熔體軋制工藝軋制高錳鋁合金和用溫軋工藝軋制Al-Mg合金及Al-Zn-Mg-Cu合金，這樣就能制備出比較實用的具有特殊性能的大型板材。

17、在成形性的評價上，還期待著發現超級鋁的新“超極特性”。超低溫軋制為使導入材料的應變盡可能不產生回復，采用在液氮溫區加工，然后快速加熱以形成超細晶。因不能控制軋輥溫度，所以在軋輥出口處軋件溫度升高到-50左右。雖然曾探討過各種合金的超低溫軋制與快速加熱的組合工藝，但晶粒組織只能細化到7左右，與原設想相距甚遠。異步軋制通過改變上下軋輥的速度，對軋件施加強剪切應變，使之形成細晶組織。此工藝以無潤滑軋制為前提，在鋁及Al-Mg合金中得到了超細晶組織。目前正在探討潤滑環境下的可能性，以改善板面性狀。熔體軋制（鑄軋）使熔體在一對水冷軋輥間冷凝并同時軋制，冷卻速度可達300/s。在該項目中成功制備出錳含量為

18、2.5的高錳鋁合金，通過適當地冷軋和熱處理，獲得了小于31的超細晶組織。溫軋生產大多數是在金屬或合金常溫組織的回復溫度以上、再結晶溫度以下的范圍內進行的軋制過程，中間溫度區間軋制的控制十分困難，雖有中間溫度區軋制細化晶粒的事例，但未進行充分研究。該項目使用的幾種鋁合金詳細地研究了中溫軋制時的溫度、加工量、加工速度，結果發現，在Al-Mg合金及Al-Zn-Mg-Cu合金中形成了小于31的超細晶組織，如7475合金，在某中溫區間嚴格控制軋制工藝后，即使加熱到480，也能保持小于31的超細晶組織，而在此溫度下傳統的加工材的組織晶粒很難保持在101以下。由此認為，具有如此優良熱穩定性的細晶組織是一個劃

19、時代的成果。這種7475溫軋材的塑性和強度都比傳統加工工藝的好，尤其是耐應力腐蝕斷裂性大幅度提高。在相當于屈服強度85的負荷下，在3.5NaCl溶液中反復進行浸漬和干燥，直至斷裂，其溫軋材料強度比傳統加工材料提高了3倍多。另外，溫軋材料還具有傳統鋁合金所沒有的組織織構，這種溫軋材的成形性也正在研究中。2 各種強化方法的對比以上綜述了各種鋁合金強化技術的優缺點以及適用范圍。鑄造法強化鋁合金的方法中的漩渦攪拌鑄造、壓力鑄造、快速凝固等都是通過特殊工藝自身形成增強顆粒，不需要從外部引入另外的質點。噴射鑄造法是將金屬熔體與增強顆粒在惰性氣體的推動下共噴射，制備顆粒增強合金。噴射鑄造法可以控制增強顆粒和

20、金屬熔體的比例，從而控制合金的強化過程。激光激波強化技術是近年來興起的一種新型的表面強化技術，它利用高能量脈沖激光束輻照金屬表面瞬間產生的激渡對材料進行改性，其可以通過控制激光或激光波的強度控制合金的強化。細晶強化作為一種特殊的強化手段，不僅能提高材料的加工塑性，而且幾乎不降低導電率，因而具有相當廣泛的應用，是一種最有發展前途的強化技術。通過對以上各種鋁合金強化技術的分析，可以預測以后鋁合金強化技術的方向，即通過設計合理的加工工藝，綜合各種強化技術的優勢，實現各種強化方法的集中優化使用，實現可自動化控制鋁合金的強化過程和強化鋁合金的性質。3 展望鋁合金材料不但具有可設計性，而且具有很廣闊的設計自由度，通過合理選擇合金成分、晶粒尺寸以及制備工藝和參數，可以制備出性能優異的材料。細化晶粒是決定合金材料性能的關鍵之一，界面優化主要是通過控制界面反應來實現的。經過多年的研究和開發，已有部分金屬合金材料進入了實際應用領域。從目前的情況來看，鋁合金材