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高性能鋁合金——鋁鈧合金

來源:中鋁網(wǎng)  作者:*  日期:2010-8-23
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鋁合金是國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國家安全重要的工程材料。
 
  【中國幕墻網(wǎng)8月23日消息】鋁合金是國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國家安全重要的工程材料。但是迄今為止,我國一些高性能鋁合金制備的關(guān)鍵技術(shù)還沒有突破,很多重點(diǎn)型號所需的高性能鋁合金材料仍然依賴于進(jìn)口,高性能鋁合金研制與開發(fā)還有許多工作等待國人去做。

  鋁合金的高性能化有幾種途徑,其中微合金化強(qiáng)韌化是近20年來高性能鋁合金研究的前沿領(lǐng)域。所謂微合金化強(qiáng)韌化通常是指將質(zhì)量百分?jǐn)?shù)小于0.5%的微量元素添加或者復(fù)合添加到鋁合金中借以大幅度提高合金強(qiáng)度和韌性的一種技術(shù)。其中,鈧的添加特別引人注目。

  鈧作為一種過渡族元素以及稀土元素加到鋁及鋁合金中,不僅能夠顯著細(xì)化鑄態(tài)合金晶粒、提高再結(jié)晶溫度從而提高鋁合金的強(qiáng)度和韌性,而且能顯著改善鋁合金的可焊性、耐熱性、抗蝕性、熱穩(wěn)定性和抗中子輻照損傷的作用。

  因此,鋁鈧合金被認(rèn)為是新一代航天航空、艦船、兵器用高性能鋁合金結(jié)構(gòu)材料。近20年來,國際材料界尤其是前蘇聯(lián),由于軍工戰(zhàn)略方面的需要,對鋁鈧合金進(jìn)行了大量的研究與開發(fā)。國內(nèi)鋁鈧合金起步較晚,90年代中期還只有少數(shù)幾篇評述性的文章。然而,這種新合金在航天航空方面的優(yōu)異性能引起了國防工業(yè)部門的濃厚興趣,有關(guān)應(yīng)用部門希望國內(nèi)立即開展這方面的研究。

  “國家需要就是我們的研究目標(biāo)!”學(xué)科帶頭人尹志民教授敏銳地感覺到這一信息的重大價值。這位1987年從加拿大多倫多大學(xué)留學(xué)回國并長期從事高性能鋁合金研究的學(xué)者,立即帶領(lǐng)科研室一批青年學(xué)子在這一領(lǐng)域開始了艱苦的探索與實(shí)踐。

  研究工作從哪里入手?科研組的同志一致認(rèn)為“研究工作應(yīng)當(dāng)首先從基礎(chǔ)做起,基礎(chǔ)牢才能做大事!蔽⒘库偺砑拥戒X合金中能大幅度提高合金的性能,這種神奇作用的原因是什么?課題組在國家自然科學(xué)基金的支持下,開展了微量鈧在鋁鎂系合金中的存在形式及作用機(jī)制研究。他們設(shè)計(jì)了一系列對比合金,研究了微量鈧對目標(biāo)合金晶粒度、再結(jié)晶行為以及對合金強(qiáng)度和韌性的影響。發(fā)現(xiàn)了一系列有重大意義的研究結(jié)果:

  第一,微量鈧和鋯復(fù)合添加效果比單獨(dú)添加好,鈧、鋯復(fù)合微合金化是Al-Mg系合金強(qiáng)韌化的有效途徑;

  第二,微量鈧和鋯主要以Al3(Sc,Zr)I和Al3(Sc,Zr)II兩種鋁化物形式存在,鋁化物的晶體結(jié)構(gòu)為面心立方,點(diǎn)陣常數(shù)為0.410nm,前者是α(Al)基體最有效的晶粒細(xì)化劑,后者與基體共格,強(qiáng)烈釘扎位錯和亞晶界,它能強(qiáng)烈抑制合金熱變形過程和冷軋板材退火過程的再結(jié)晶;第三,微量鈧和鋯在鋁合金中的強(qiáng)化機(jī)制為細(xì)晶強(qiáng)化、亞結(jié)構(gòu)強(qiáng)化和鋁鈧鋯化合物粒子引起的析出強(qiáng)化。論文《微量Sc和Zr對Al-Mg合金組織性能的影響》和《微量Sc和Zr對Al-Zn-Mg合金組織性能影響》分別在材料領(lǐng)域英國著名刊物《材料科學(xué)與工程》和俄羅斯著名刊物《有色金屬》上發(fā)表,SCI他引數(shù)十次。多名來自韓國、法國、德國、日本等國的研究者來信或通過E-mail索取資料。尹志民教授訪俄期間,還多次與鋁鈧合金研究權(quán)威扎哈羅夫教授和費(fèi)拉多夫教授進(jìn)行了學(xué)術(shù)交流。

  鋁鈧合金基礎(chǔ)研究有了重大突破以后,緊接著的一個問題就是研制開發(fā)鋁鈧中間合金。因?yàn)槲⒘库傊荒芡ㄟ^鋁鈧中間合金的形式加入到鋁合金中,否則“巧婦難為無米之炊”。調(diào)研發(fā)現(xiàn),我國鈧資源豐富。90年代初,我國還是世界市場上氧化鈧初級產(chǎn)品的主要供應(yīng)商,關(guān)鍵問題是如何把氧化鈧轉(zhuǎn)化為鋁鈧中間合金。在"氧化鈧熱還原制備鋁鈧中間合金新工藝基礎(chǔ)研究"國家自然科學(xué)基金支持下,課題組在不同反應(yīng)物體系熱還原熱力學(xué)計(jì)算的基礎(chǔ)上,篩選了兩條工藝路線進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。最終以工業(yè)氧化鈧為原料,采用氧化鈧熱還原方法成功地制備出了鋁鈧中間合金,隨后研制的鋁鈧合金板材制備和性能研究表明:制備的鋁鈧中間合金完全能夠滿足工業(yè)鋁鈧合金研制的需要。在此基礎(chǔ)上,科研組申報(bào)了國家發(fā)明專利,2002年發(fā)明專利獲得授權(quán)。

  隨著我國國力的增強(qiáng),鋁鎂鈧系合金的研究列入了國家重點(diǎn)研究計(jì)劃,科研室緊緊抓住了這個機(jī)遇。在科技部973項(xiàng)目“提高鋁材質(zhì)量的基礎(chǔ)研究”和“十五”攻關(guān)項(xiàng)目的支持下,在微量鈧、鋯在鋁鎂系及鋁鋅鎂系合金中的微合金化研究成果的指導(dǎo)下,課題組在國內(nèi)率先研制成功了Al-Mg-Sc-Zr和Al-Zn-Mg-Sc-Zr兩個合金原型,與不添加鈧和鋯的同類合金相比,合金抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度提高了25%,而塑性仍分別保持在13%和10%的高水平。與此同時,鈧、鋯等復(fù)合微合金化強(qiáng)韌化研究成果已延伸到2個863項(xiàng)目和1個“十五”重點(diǎn)項(xiàng)目。

  經(jīng)過8年的艱苦奮斗,依托中南大學(xué)材料物理與化學(xué)國家重點(diǎn)學(xué)科,形成了一支從加拿大、日本、俄羅斯等留學(xué)回國的青年學(xué)者組成的學(xué)術(shù)隊(duì)伍。他們先后承擔(dān)了多項(xiàng)與鋁鈧合金有關(guān)的國家自然科學(xué)基金、973項(xiàng)目、863項(xiàng)目、“十五”攻關(guān)和軍工配套等國家級重大科研項(xiàng)目,舉辦了鋁鈧合金國際研討會,發(fā)表高水平論文近百篇,在國內(nèi)外產(chǎn)生了積極的影響。

  為了適應(yīng)新形勢的發(fā)展,尹志民教授為首的創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)加大了鋁鈧合金的研究開發(fā)力度,一方面,他們利用科研沉淀資金,在校內(nèi)新材料工程中心投資20余萬元建立了一條鋁鈧中間合金中試生產(chǎn)線,正式為國內(nèi)用戶供應(yīng)“中工牌”鋁鈧中間合金;另一方面,與國內(nèi)鋁合金骨干企業(yè)合作,共同承擔(dān)國家科研試制任務(wù),努力把鈧、鋯復(fù)合微合金化強(qiáng)韌化理論應(yīng)用到工程實(shí)際中,爭取在未來10年內(nèi),和國內(nèi)鋁合金骨干企業(yè)一道建立起我國自己的高性能鋁鈧合金新體系。

  目前,中南大學(xué)與東北加工輕合金有限責(zé)任公司和西南鋁業(yè)有限公司合作承擔(dān)的鋁鈧合金“十五”國家重點(diǎn)項(xiàng)目開始了工業(yè)化試驗(yàn)。他們已經(jīng)攻克了板材及其配用焊絲復(fù)合微合金化成分設(shè)計(jì)及控制技術(shù)、鈧中間合金制備和添加技術(shù)、鋁鎂鈧鋯合金板材軋制技術(shù),鋁鎂鈧鋯合金型材擠壓工藝技術(shù)和鍛造工藝技術(shù),研制成功了中強(qiáng)高韌可焊Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金板材、擠壓材、鍛件和配用焊絲。

  可以預(yù)見在不久的將來,具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的大規(guī)格鋁鈧合金板材、擠壓材、鍛件將會在航天、航空、兵器、艦船領(lǐng)域投入應(yīng)用!就辍
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