鋁合金具有密度低、比強(qiáng)度高、熱加工性優(yōu)異、耐腐蝕的特點,廣泛應(yīng)用于軍、民領(lǐng)域。而超高強(qiáng)鋁合金一般指屈服強(qiáng)度在500MPa以上的鋁合金,常見的就是7XXX系超硬鋁。該系列鋁合金最初是在航空航天的應(yīng)用背景下研發(fā)的,目前已發(fā)展成為世界各國軍、民用飛機(jī)的主要結(jié)構(gòu)材料,在飛機(jī)結(jié)構(gòu)件中占到70-80%比重,并在很多領(lǐng)域替代了昂貴的鈦合金,成為不可缺少的重要輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。隨著現(xiàn)代航空航天領(lǐng)域,核工業(yè),交通運輸業(yè)的持續(xù)發(fā)展,對結(jié)構(gòu)件的綜合性能提出了更高的要求,集質(zhì)輕、高強(qiáng)、高韌、高斷裂韌性、抗應(yīng)力腐蝕能力于一身的新一代超高強(qiáng)鋁合金無疑是首選方案。因此超高強(qiáng)鋁合金一直是國內(nèi)外研究開發(fā)的熱點。
首先,高品質(zhì)原材料是制備超高強(qiáng)鋁合金的保證。要使用高純度的工業(yè)原料,嚴(yán)格控制Fe、Si等雜質(zhì)元素含量,并進(jìn)行徹底的熔體精煉,將熔體中的氫含量、氧含量和堿金屬控制在較低水平,以提高合金斷裂韌性和疲勞強(qiáng)度。
其次,化學(xué)元素配比是制備超高強(qiáng)鋁合金的基礎(chǔ)。超高強(qiáng)鋁合金主要添加Zn、Mg、Cu等元素來強(qiáng)化鋁合金。這些合金元素一部分可以固溶入材料基體,使基體強(qiáng)化,稱為固溶強(qiáng)化;另一部分不溶于基體,形成第二相硬質(zhì)點,稱為第二相強(qiáng)化。然而,這兩種強(qiáng)化方式都是有限制的。隨著合金元素的升高材料強(qiáng)度升高,塑性會迅速降低并發(fā)生脆化。目前,唯一既提高鋁合金強(qiáng)度而同時提高塑性、韌性、抗應(yīng)力腐蝕能力的強(qiáng)化方式是細(xì)晶強(qiáng)化。
另外,消除鑄造中的冶金缺陷、偏析,細(xì)化晶粒,改善合金組織,是制備高強(qiáng)鋁合金的關(guān)鍵。傳統(tǒng)鑄造工藝難免會產(chǎn)生各種鑄造缺陷,如氧化物夾雜,宏觀偏析,氣孔,粗大晶粒等,這些缺陷往往會成為裂紋源,大幅降低了鋁合金的斷裂韌性。而超高強(qiáng)鋁合金,由于使用要求苛刻,這些微觀缺陷會對材料造成毀滅性破壞,是要嚴(yán)格控制的。
此外,超高強(qiáng)鋁合金熱處理技術(shù)也對合金的綜合性能影響很大。傳統(tǒng)的T6峰值熱處理可以獲得最高的強(qiáng)度,但是合金的斷裂韌性和抗應(yīng)力腐蝕性能差;為提高斷裂韌性和抗應(yīng)力腐蝕能力,采用T73或T76過時效,卻會導(dǎo)致強(qiáng)度損失;采用RRA循環(huán)熱處理,可以既具有T6狀態(tài)的高強(qiáng)度,又有T73和T76狀態(tài)的耐腐蝕性能。因此,超高強(qiáng)鋁合金需采用更先進(jìn)、科學(xué)的制備工藝,而傳統(tǒng)熔鑄工藝嚴(yán)重制約其性能。
通項公司多年來一直致力于超高強(qiáng)鋁合金的引進(jìn)和經(jīng)銷,其生產(chǎn)商Alcoa在噴射成形(又稱噴射沉積)工藝的基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化形成了急速冷卻工藝,成功解決了超高強(qiáng)鋁合金強(qiáng)度低、宏觀偏析嚴(yán)重、塑性差三個難題,在大幅度提高強(qiáng)度的同時保持合金具有優(yōu)良的韌性和抗蝕性。已引進(jìn)的高強(qiáng)鋁合金牌號有7075, 7050, 7055, 7085, 7060, 7064, 7068, 7072, 7150, 7175, 7475, 7076, 7277, 7178, 7278, 7090等。圖1為通項公司超高強(qiáng)鋁合金管材拉伸斷口的掃描電鏡照片,從圖中可以看到拉伸斷口有數(shù)個明顯的韌窩,表明材料韌性良好。急速冷卻工藝生產(chǎn)的超高強(qiáng)鋁合金與常規(guī)鑄造的性能對比如表1所示。
由于急速冷卻的工藝特點,大大提高了材料過飽和程度,不僅可以制備現(xiàn)有牌號合金,還可制備遠(yuǎn)超國標(biāo)的更高合金含量、強(qiáng)度更高的鋁合金,如表2所示。
通項經(jīng)銷的超高強(qiáng)鋁合金晶粒細(xì)小,組織均勻、致密,無宏觀偏析,具有高強(qiáng)、高韌、高斷裂韌性和抗應(yīng)力腐蝕性能,目前正在應(yīng)用于航空航天,軍工,機(jī)械重工,汽車行業(yè),石油工業(yè),高端體育器械等領(lǐng)域,取得了較好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。在當(dāng)下節(jié)能環(huán)保的大趨勢下,擁有超高強(qiáng)度和較小密度的超高強(qiáng)鋁合金必定會在更多領(lǐng)域種大放異彩。部分超高強(qiáng)鋁合金實物如圖2所示。