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高性能鋁合金——鋁钪合金

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高性能鋁合金——鋁钪合金

發布日期:2012-03-31 作者: 點擊:

鋁合金是國民經濟建設和國家安全重要的工程材料。但是迄今爲止,我國一些高性能鋁合金制備的關鍵技術還沒有突破,很多型號所需的高性能鋁合金材料仍然依賴于進口,高性能鋁合金研制與開發還有許多工作等待國人去做。

  铝合金的高性能化有几种途径,其中微合金化强韧化是近20年来高性能铝合金研究的前沿领域。所谓微合金化强韧化通常是指将质量百分数小于0.5%的微量元素添加或者复合添加到铝合金中借以大幅度提高合金强度和韧性的一种技术。其中,钪的添加特别引人注目。

  钪作爲一種過渡族元素以及稀土元素加到鋁及鋁合金中,不僅能夠顯著細化鑄態合金晶粒、提高再結晶溫度從而提高鋁合金的強度和韌性,而且能顯著改善鋁合金的可焊性、耐熱性、抗蝕性、熱穩定性和抗中子輻照損傷的作用。因此,鋁钪合金被認爲是新一代航天航空、艦船、兵器用高性能鋁合金結構材料。近20年來,國際材料界尤其是前蘇聯,由于軍工戰略方面的需要,對鋁钪合金進行了大量的研究與開發。國內鋁钪合金起步較晚,90年代中期還只有少數幾篇評述性的文章。然而,這種新合金在航天航空方面的優異性能引起了國防工業部門的濃厚興趣,有關應用部門希望國內立即開展這方面的研究。

  “國家需要就是我們的研究目標!”學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留學回國並長期從事高性能鋁合金研究的學者,立即帶領科研室一批青年學子在這一領域開始了艱苦的探索與實踐。

  研究工作從哪裏入手?科研組的同志一致認爲“研究工作應當首先從基礎做起,基礎牢才能做大事。”微量钪添加到鋁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麽?課題組在國家自然科學基金的支持下,開展了微量钪在鋁鎂系合金中的存在形式及作用機制研究。他們設計了一系列對比合金,研究了微量钪對目標合金晶粒度、再結晶行爲以及對合金強度和韌性的影響。發現了一系列有重大意義的研究結果:

  一,微量钪和锆複合添加效果比單獨添加好,钪、锆複合微合金化是Al-Mg系合金強韌化的有效途徑;

  二,微量钪和锆主要以Al3(Sc,Zr)I和Al3(Sc,Zr)II兩種鋁化物形式存在,鋁化物的晶體結構爲面心立方,點陣常數爲0.410nm,前者是α(Al)基體有效的晶粒細化劑,後者與基體共格,強烈釘紮位錯和亞晶界,它能強烈抑制合金熱變形過程和冷軋板材退火過程的再結晶;第三,微量钪和锆在鋁合金中的強化機制爲細晶強化、亞結構強化和鋁钪锆化合物粒子引起的析出強化。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》分別在材料領域英國著名刊物《材料科學與工程》和俄羅斯著名刊物《有色金屬》上發表,SCI他引數十次。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,還多次與鋁钪合金研究權威紮哈羅夫教授和費拉多夫教授進行了學術交流。

  鋁钪合金基礎研究有了重大突破以後,緊接著的一個問題就是研制開發鋁钪中間合金。因爲微量钪只能通過鋁钪中間合金的形式加入到鋁合金中,否則“巧婦難爲無米之炊”。調研發現,我國钪資源豐富。90年代初,我國還是世界市場上氧化钪初級産品的主要供應商,關鍵問題是如何把氧化钪轉化爲鋁钪中間合金。在"氧化钪熱還原制備鋁钪中間合金新工藝基礎研究"國家自然科學基金支持下,課題組在不同反應物體系熱還原熱力學計算的基礎上,篩選了兩條工藝路線進行實驗。以工業氧化钪爲原料,采用氧化钪熱還原方法成功地制備出了鋁钪中間合金,隨後研制的鋁钪合金板材制備和性能研究表明:制備的鋁钪中間合金完全能夠滿足工業鋁钪合金研制的需要。在此基礎上,科研組申報了國家發明專利,2002年發明專利獲得授權。

  隨著我國國力的增強,鋁鎂钪系合金的研究列入了國家研究計劃,科研室緊緊抓住了這個機遇。在科技部973項目“提高鋁材質量的基礎研究”和“十五”攻關項目的支持下,在微量钪、锆在鋁鎂系及鋁鋅鎂系合金中的微合金化研究成果的指導下,課題組在國內率先研制成功了Al-Mg-Sc-Zr和Al-Zn-Mg-Sc-Zr兩個合金原型,與不添加钪和锆的同類合金相比,合金抗拉強度和屈服強度提高了25%,而塑性仍分別保持在13%和10%的高水平。與此同時,钪、锆等複合微合金化強韌化研究成果已延伸到2個863項目和1個“十五”項目。

  經過8年的艱苦奮鬥,依托中南大學材料物理與化學國家學科,形成了一支從加拿大、日本、俄羅斯等留學回國的青年學者組成的學術隊伍。他們先後承擔了多項與鋁钪合金有關的國家自然科學基金、973項目、863項目、“十五”攻關和軍工配套等重大科研項目,舉辦了鋁钪合金國際研討會,發表高水平論文近百篇,在國內外産生了積極的影響。

  爲了適應新形勢的發展,尹志民教授爲首的創新團隊加大了鋁钪合金的研究開發力度,一方面,他們利用科研沈澱資金,在校內新材料工程中心投資20余萬元建立了一條鋁钪中間合金中試生産線,正式爲國內用戶供應“中工牌”鋁钪中間合金;另一方面,與國內鋁合金骨幹企業合作,共同承擔國家科研試制任務,努力把钪、锆複合微合金化強韌化理論應用到工程實際中,爭取在未來10年內,和國內鋁合金骨幹企業一道建立起我國自己的高性能鋁钪合金新體系。

  目前,中南大學與東北加工輕合金有限責任公司和西南鋁業有限公司合作承擔的鋁钪合金“十五”國家項目開始了工業化試驗。他們已經攻克了板材及其配用焊絲複合微合金化成分設計及控制技術、钪中間合金制備和添加技術、鋁鎂钪锆合金板材軋制技術,鋁鎂钪锆合金型材擠壓工藝技術和鍛造工藝技術,研制成功了中強高韌可焊Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金板材、擠壓材、鍛件和配用焊絲。

  可以預見在不久的將來,具有我國自主知識産權的大規格鋁钪合金板材、擠壓材、鍛件將會在航天、航空、兵器、艦船領域投入應用。



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