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喷射成形工艺将成为先进铝合金的主要生产工艺

   喷射成形是用高压惰性气体将合金液流雾化成细小熔滴,在高速气流下飞行并冷却,在尚未完全凝固前沉积成坯件的一种工艺。它具有所获材料晶粒细小、组织均匀、能够抑制宏观偏析等快速凝固技术的各种优点,又具有从合金熔炼到近终成型一步完成的优势,因而引起人们的高度重视。

  铝合金具有密度低、强度高、韧性好和耐腐蚀等优点,在航空航天工业中被广泛用作结构材料,同时,也正在积极开发作为汽车先进材料而应用于高档轿车发动机。

  铸造工艺是传统铝合金主要制备方法,但已难以满足制备高性能铝合金的需要。第一,传统工艺已经难以进一步提高强度、塑性、刚度、耐热性和耐腐蚀性;第二,在追求高性能的过程中,铸造工艺成本由于增添设备和成品率下降而迅速上升;第三,由于合金含量上升,塑性往往降低,因而后续压力加工成本上升、成品率降低。因此,生产的高成本大大提高了先进铝合金的使用门槛,严重影响整体市场规模的发展。在这些方面,喷射成形工艺正好具有性能和综合成本的双重优势,可使先进铝合金的使用门槛降低,还可以进一步提高性能,在一定范围内实现以铝代钢,从而迅速培育先进铝合金的市场,并反过来促进喷射成形工艺获得规模成本优势。因此,喷射成形工艺将成为先进铝合金的主要生产工艺。

  目前已获成功的喷射成形高性能铝合金材料主要有以下几种:

  (1)高强铝合金。如Al—Zn系超高强铝合金。由于Al—Zn系合金的凝固结晶范围宽,比重差异大,采用传统铸造方法生产时,易产生宏观偏析且热裂倾向大。喷射成形技术的快速凝固特性可很好解决这一问题。在发达国家已被应用于航空航天飞行器部件以及汽车发动机的连杆、轴支撑座等关键部件。

  (2)高比强、高比模量铝合金。Al-Li合金具有密度小,弹性模量高等特点,是一种具有发展潜力的航空、航天用结构材料。铸锭冶金法在一定程度上限制了Al-Li合金性能潜力的充分发挥。喷射成形快速凝固技术为Al-Li合金的发展开辟了一条新的途径。

  (3)低膨胀、耐磨铝合金。如过共晶Al—Si系高强耐磨铝合金。该合金具有热膨胀系数低、耐磨性好等优点,但采用传统铸造工艺时,会形成粗大的初生Si相,导致材料性能恶化。喷射成形的快速凝固特点有效地克服了这个问题。目前喷射成形Al—Si合金在发达国家已被制成轿车发动机气缸内衬套等部件。

  (4)耐热铝合金。如Al—Fe—V—Si系耐热铝合金。该合金具有良好室温和高温强韧性、良好的抗蚀性,可以在150~300℃甚至更高的温度范围使用,部分替代在这一温度范围工作的钛合金和耐热钢,以减轻重量、降低成本。喷射成形工艺可以通过最少的工序直接从液态金属制取具有快速凝固组织特征、整体致密、尺寸较大的坯件,从而可以解决传统工艺的问题。

  (5)铝基复合材料。将喷射成形技术与铝基复合材料制备技术结合在一起,开发出一种“喷射共成形(Sprayco-deposiion)”技术,很好地解决了增强粒子的偏析问题。

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