孫建波，曾廣凱，王雨辰，黃冠兆，馬致遠，胡治流，2，3，潘利文，2，3*

（1.廣西大學資源環(huán)境與材料學院，廣西 南寧 530004；2.廣西有色金屬及特色材料加工重點實驗室，廣西 南寧 530004；3.廣西生態(tài)型鋁產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，廣西 南寧 530004）

鑄造耐熱Al-Si合金由于具有比重輕、高溫高比強度、良好的抗氧化、耐磨性等，廣泛用于汽車、航空航天、船舶等領(lǐng)域，如坦克裝甲車發(fā)動機活塞、導彈殼體、航空發(fā)動機氣缸、壓氣機葉片等[1]。

傳統(tǒng)鑄造耐熱鋁合金的高溫強度、耐熱疲勞性能目前已臨近極限狀態(tài)，不能滿足新型高功率發(fā)動機的發(fā)展要求[2]。原因主要是鋁合金中的強化相熱穩(wěn)定性不足，在高溫下容易粗化或溶解失去強化作用，鑄造Al-Si合金的使用溫度一般不超過230℃[3]。在Al-Si合金中加入Mg，時效析出的Mg2Si相的熱穩(wěn)定溫度約為180℃，所以Al-Mg-Si合金耐熱性低，工作溫度一般低于185℃[4]。Al-Si合金中加入Cu后時效析出的Al2Cu相，其熱穩(wěn)定溫度約為225℃，所以Al-Si-Cu系合金一般只能在225℃以下工作[5]。然而，作為發(fā)動機燃燒室中關(guān)鍵部件之一的活塞，它需與350℃~400℃的高溫氣體長時間接觸并承受25℃~300℃的熱機械疲勞作用[6]。為了進一步提高鑄造Al-Si合金的高溫性能，多數(shù)研究者是在傳統(tǒng)鑄造Al-Si合金基礎(chǔ)上添加高熔點、低熱擴散系數(shù)的合金化元素使基體析出高強、高熱穩(wěn)定性且與基體界面結(jié)合良好的彌散強化相。

1 鑄造耐熱Al-Si合金的研究進展

近幾年，為了在鑄造耐熱Al-Si合金中引入高強熱穩(wěn)強化相，添加Zr、V、Ti、Cr、Mn、Mo、Co、Ni、Er等高熔點金屬元素成為研究的熱點，在高溫強化機理和高溫力學性能方面取得較大的研究進展。

Mehdi Rahimian[7]研究表明Zr對鑄造Al-Si-Cu-Mg合金具有細化晶粒的作用，這是因為Al3Zr顆粒充當Al的異質(zhì)形核劑。在200℃下，Al-7Si-2Cu-0.2Zr合金的力學性能性能得到提高，主要是由于納米級含Zr沉淀物的形成，該沉淀物與α-Al基體形成共格/半共格界面，且高溫下Zr在Al基體中的擴散率極小，其在高溫下更穩(wěn)定。Min-Su Jo[8]表示（Al，Si）3（Zr，Ni，F(xiàn)e）金屬間化合物的硬度非常高，為11.3GPa，相當于Al-14Si合金中最硬相Si的值。（Al，Si）3（Zr，Ni，F(xiàn)e）金屬間化合物的硬度在350°C時略有降低14%，并保持約10GPa的高硬度值,有利于改善合金的高溫強度。

S.K.Shaha[9]在Al-Si-Cu-Mg基體中加入Mo和Mn，發(fā)現(xiàn)提高了合金的高溫拉伸性能。這歸因于Mn和Mo在凝固過程中形成熱穩(wěn)定的細小沉淀相與含Cu相一起增加了合金強度。另外，有害的含F(xiàn)e相與Mn、Mo反應(yīng)形成熱穩(wěn)定的沉淀物有效地阻礙了位錯的運動。

Guangjin Li[10]表明添加Cr能明顯改變Al-12Si-3.5Cu-2Mn合金中主要富錳相的形態(tài)，從細長桿到樹枝狀晶體再到星形顆粒，但沒有形成新的富Cr相，Cr主要溶解在富Mn相中，添加Cr可以顯著提高合金的高溫強度。Yuying Yang[11]表示Cr可使針狀β-AlFeSi相轉(zhuǎn)變?yōu)轸~骨狀α-Al（Fe，Cr）Si相，導致強化相的硬度降低，導致高溫拉伸強度隨Cr含量增加而降低。

S.K.Shaha等 人[12]用 Cr，Ti，V 和 Zr改 性 Al-7Si-1Cu-0.5Mg合金。在300℃時，合金的力學性能得到提高。因為在合金中添加Cr，Ti，V和Zr在凝固過程中形成了熱穩(wěn)定的彌散沉淀物，與含銅相一起增加合金強度，有效地阻止高溫拉伸過程中的位錯運動。而且，有害的富Fe相與Zr、Ti也能反應(yīng)形成熱穩(wěn)定沉淀相，也有利于高溫性能提高。Se-Weon Choi[13]在Al-6.5Si-0.44Mg-0.9Cu添加Ti促進了Ω和θ'相的形成，Al-6.5Si-0.44Mg-0.9Cu-0.2Ti合金的高溫熱擴散系數(shù)均低于不含Cu和Ti合金。在所有溫度范圍內(nèi)，含Ti合金具有低的熱擴散率，所以顯著增加了高溫抗拉強度。

表1 高溫下鋁合金的抗拉強度

Kaiqi Hu[14]在Al-Si-Cu-Ni-Mg合金中引入納米AlNp微小骨架，相互連接形成三維網(wǎng)絡(luò)。同時，微小骨架在三維空間中與半連續(xù)的富Ni化合物協(xié)同增強基體，350℃時的UTS增加了24.7%，主要由于納米AlNp微型骨架有助于承受機械載荷，而且AlNp可以改變Si相形貌以降低應(yīng)力集中，并且納米AlNp微型骨架也在阻礙位錯運動中發(fā)揮作用。

LijieZuo[15]發(fā)現(xiàn)在Al-Si-Cu-Ni合金中，隨著δ-Al3CuNi相數(shù)量的增加，初生Si的平均直徑增加而共晶Si減少。鑄態(tài)合金中存在條形和魚骨形δ-Al3CuNi相，魚骨形δ-Al3CuNi相由許多獨立的短棒組成，條狀δ-Al3CuNi相在350℃下具有熱穩(wěn)定性。隨著δ-Al3CuNi相體積分數(shù)的增加，較多的載荷可以從基體轉(zhuǎn)移到δ-Al3CuNi相，在室溫和350℃下，YS和UTS隨δ-Al3CuNi的增加而增加。

Marco Colombo等人[16]在Al-7Si-0.4Mg合金中添加稀土Er，結(jié)果表明Er可碎裂和球化共晶形態(tài)。Er的添加量為0.22wt.%時，200℃具有最佳的力學性能。生成的Al3Er沉淀物在300℃下非常耐粗化，增強了高溫力學性能。Suwaree Chankitmunkong[17]將Cu和Er添加到AA4032合金中，發(fā)現(xiàn)初生Si的數(shù)量隨著Cu含量的增加而增加，表明Cu加入改變了合金的共晶點。另外，Er的加入導致初生Si消除和共晶硅細化，在AA4032合金中添加Cu和 Er導 致 ε-Al3Ni和 δ-Al3CuNi相 向 γ-Al7Cu4Ni，Q-Al5Cu2Mg8Si6和Al9Fe2Si2相變化，這些相有效的提高了高溫穩(wěn)定性和力學性能。

綜上所述，提高鑄造耐熱Al-Si合金的高溫力學性能仍是以合金化為主，通過物相、顯微組織及力學性能分析，更深入的了解了強化機理，在提高高溫力學性能方面也取得較大突破。表1是近幾年來研究報道的一些鑄造耐熱Al-Si合金350℃的抗拉強度，其中有不少耐熱鋁合金350℃的抗拉強度超過了100 MPa，比德國馬勒公司開發(fā)的已服役的鑄造耐熱鋁合金（M124、M142）的抗拉強度要高許多，有望作為新型鑄造耐熱鋁合金應(yīng)用于300℃以上。

2 結(jié)語

鑄造耐熱Al-Si合金由于鑄造流動性好、熱膨脹系數(shù)低及成本低等，目前仍是研究開發(fā)的重點，近幾年的研究取得了較大進展，通過過渡金屬元素及稀土元素的合金化作用，使有些耐熱鋁合金350℃的抗拉強度大大超過了現(xiàn)役的部分耐熱鋁合金，但目前仍缺少300℃以上的高溫蠕變性能，這是下一步值得開展的研究。另外，由于共晶硅在高溫（300℃以上）長時服役過程中容易出現(xiàn)球化粗化，影響了其作為新型耐熱鋁合金應(yīng)用于300℃以上，因此，應(yīng)該尋求方法抑制共晶硅的高溫球化和粗化，如使部分共晶硅通過合金化后生成熱穩(wěn)定性更佳的新強化相。另一方面，在鑄造Al-Si合金的基體中通過原位反應(yīng)生成高強熱穩(wěn)化合物或外加高強耐熱陶瓷顆粒形成鋁基復合材料也是未來值得開展的工作。