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高性能铝合金———铝钪合金

铝友社区 2020-07-31 16:45:00

    铝合金是国民经济建设和国家安全重要的工程材料。但是迄今为止,我国一些高性能铝合金制备的关键技术还没有突破,很多重点型号所需的高性能铝合金材料仍然依赖于进口,高性能铝合金研制与开发还有许多工作等待国人去做。

  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。

  钪作为一种过渡族元素以及稀土元素加到铝及铝合金中,不仅能够显著细化铸态合金晶粒、提高再结晶温度从而提高铝合金的强度和韧性,而且能显著改善铝合金的可焊性、耐热性、抗蚀性、热稳定性和抗中子辐照损伤的作用。因此,铝钪合金被认为是新一代航天航空、舰船、兵器用高性能铝合金结构材料。近20年来,国际材料界尤其是前苏联,由于军工战略方面的需要,对铝钪合金进行了大量的研究与开发。国内铝钪合金起步较晚,90年代中期还只有少数几篇评述性的文章。然而,这种新合金在航天航空方面的优异性能引起了国防工业部门的浓厚兴趣,有关应用部门希望国内立即开展这方面的研究。

  “国家需要就是我们的研究目标!”学科带头人尹志民教授敏锐地感觉到这一信息的重大价值。这位1987年从加拿大多伦多大学留学回国并长期从事高性能铝合金研究的学者,立即带领科研室一批青年学子在这一领域开始了艰苦的探索与实践。

  研究工作从哪里入手?科研组的同志一致认为“研究工作应当首先从基础做起,基础牢才能做大事。”微量钪添加到铝合金中能大幅度提高合金的性能,这种神奇作用的原因是什么?课题组在国家自然科学基金的支持下,开展了微量钪在铝镁系合金中的存在形式及作用机制研究。他们设计了一系列对比合金,研究了微量钪对目标合金晶粒度、再结晶行为以及对合金强度和韧性的影响。发现了一系列有重大意义的研究结果:

  第一,微量钪和锆复合添加效果比单独添加好,钪、锆复合微合金化是Al-Mg系合金强韧化的有效途径;

  第二,微量钪和锆主要以Al3(Sc,Zr)I和Al3(Sc,Zr)II两种铝化物形式存在,铝化物的晶体结构为面心立方,点阵常数为0.410nm,前者是α(Al)基体最有效的晶粒细化剂,后者与基体共格,强烈钉扎位错和亚晶界,它能强烈抑制合金热变形过程和冷轧板材退火过程的再结晶;第三,微量钪和锆在铝合金中的强化机制为细晶强化、亚结构强化和铝钪锆化合物粒子引起的析出强化。论文《微量Sc和Zr对Al-Mg合金组织性能的影响》和《微量Sc和Zr对Al-Zn-Mg合金组织性能影响》分别在材料领域英国著名刊物《材料科学与工程》和俄罗斯著名刊物《有色金属》上发表,SCI他引数十次。多名来自韩国、法国、德国、日本等国的研究者来信或通过E-mail索取资料。尹志民教授访俄期间,还多次与铝钪合金研究权威扎哈罗夫教授和费拉多夫教授进行了学术交流。

  铝钪合金基础研究有了重大突破以后,紧接着的一个问题就是研制开发铝钪中间合金。因为微量钪只能通过铝钪中间合金的形式加入到铝合金中,否则“巧妇难为无米之炊”。调研发现,我国钪资源丰富。90年代初,我国还是世界市场上氧化钪初级产品的主要供应商,关键问题是如何把氧化钪转化为铝钪中间合金。在"氧化钪热还原制备铝钪中间合金新工艺基础研究"国家自然科学基金支持下,课题组在不同反应物体系热还原热力学计算的基础上,筛选了两条工艺路线进行实验。最终以工业氧化钪为原料,采用氧化钪热还原方法成功地制备出了铝钪中间合金,随后研制的铝钪合金板材制备和性能研究表明:制备的铝钪中间合金完全能够满足工业铝钪合金研制的需要。在此基础上,科研组申报了国家发明专利,2002年发明专利获得授权。

  随着我国国力的增强,铝镁钪系合金的研究列入了国家重点研究计划,科研室紧紧抓住了这个机遇。在科技部973项目“提高铝材质量的基础研究”和“十五”攻关项目的支持下,在微量钪、锆在铝镁系及铝锌镁系合金中的微合金化研究成果的指导下,课题组在国内率先研制成功了Al-Mg-Sc-Zr和Al-Zn-Mg-Sc-Zr两个合金原型,与不添加钪和锆的同类合金相比,合金抗拉强度和屈服强度提高了25%,而塑性仍分别保持在13%和10%的高水平。与此同时,钪、锆等复合微合金化强韧化研究成果已延伸到2个863项目和1个“十五”重点项目。

  经过8年的艰苦奋斗,依托中南大学材料物理与化学国家重点学科,形成了一支从加拿大、日本、俄罗斯等留学回国的青年学者组成的学术队伍。他们先后承担了多项与铝钪合金有关的国家自然科学基金、973项目、863项目、“十五”攻关和军工配套等国家级重大科研项目,举办了铝钪合金国际研讨会,发表高水平论文近百篇,在国内外产生了积极的影响。

  为了适应新形势的发展,尹志民教授为首的创新团队加大了铝钪合金的研究开发力度,一方面,他们利用科研沉淀资金,在校内新材料工程中心投资20余万元建立了一条铝钪中间合金中试生产线,正式为国内用户供应“中工牌”铝钪中间合金;另一方面,与国内铝合金骨干企业合作,共同承担国家科研试制任务,努力把钪、锆复合微合金化强韧化理论应用到工程实际中,争取在未来10年内,和国内铝合金骨干企业一道建立起我国自己的高性能铝钪合金新体系。

  目前,中南大学与东北加工轻合金有限责任公司和西南铝业有限公司合作承担的铝钪合金“十五”国家重点项目开始了工业化试验。他们已经攻克了板材及其配用焊丝复合微合金化成分设计及控制技术、钪中间合金制备和添加技术、铝镁钪锆合金板材轧制技术,铝镁钪锆合金型材挤压工艺技术和锻造工艺技术,研制成功了中强高韧可焊Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金板材、挤压材、锻件和配用焊丝。

  可以预见在不久的将来,具有我国自主知识产权的大规格铝钪合金板材、挤压材、锻件将会在航天、航空、兵器、舰船领域投入应用。课题组成员的辛勤劳动和聪明才智将在国防现代化建设中开出更加艳丽的花朵。

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