粉末冶金铝合金具有低密度、高比强、高耐磨性和耐腐蚀性的特点,表现出广阔的应用前景。然而由于各种因素的影响,其开发利用远远落后于Fe、Cu系合金。这些制约因素主要包括:
①Al活性高,在快速凝固制粉的过程中,不可避免地形成一层致密的氧化膜,在压制和烧结过程中,这层氧化膜使合金元素的相互扩散受到阻碍,不利于其冶金粘结;②粉末价格高、缺少专有生产技术。在这种情况下,研究粉末冶金铝合金的现状并指出其发展趋势,对于汽车工业用高效节能粉末冶金铝合金件的发展具有重要意义。 1.0.粉末冶金铝合金的发展历史：
20世纪40年代,瑞士人IrmannR等用球磨机在控制氧含量的介质中研磨制成烧结铝粉(SAP),将铝粉与其他金属粉末的混合粉热压成棒状试样。力学性能结果表明,这些合金有较高的高温强度,并且在高温下能保持原先的强度。
1952年美国铝业公司(Alcoa)开发了第一代烧结铝粉末冶金材料,它是一种Al-Al
2O
辐射取暖器
3弥散强化型合金,具有优异的高温强度和热稳定性。
超导液
1966年和1972年,Storchheims将液相烧结技术应用于粉末冶金,直接烧结而成粉末冶金铝合金零件。合金主要有3类:
2014、6061和7075,其强度范围为110～345MPa,具有密度低,切削性能好的优点,可与铜基和铁基粉末冶金零件相媲美。
图像识别系统20世纪70年代,通过快速凝固技术和机械合金化技术来制取合金粉末,促成了高性能粉末冶金铝合金的问世。自这个时期以来,一些先进国家主要致力于研究新的热处理状态和开发快速凝固/粉末冶金工艺,发展粉末冶金铝合金。
到20世纪80年代末,粉末冶金铝合金得到快速发展。美国、前苏联和日本等国家研制成功10多种牌号的粉末冶金结构铝合金和粉末冶金耐磨铝合金,并已投入小批量生产,开始在航空航天工业和汽车工业应用。例如:
日本采用快速凝固Al-Si合金粉末制造汽车发动机阀门弹簧座和连杆,质量分别减轻了60%和30%,使发动机速度大为提高。
1995年,日本住友轻金属公司开始生产粉末冶金Al-Si合金棒,为Mazda公司制造轿车发动机关键零件;1997年,德国PEAK公司生产同类粉末冶金棒坯,加工BenzV8和V12发动机汽缸衬套。
2.0.粉末冶金铝合金的制备工艺及制品特点：
传统粉末冶金铝合金的制备工艺是通过制粉、压制和烧结工艺制取铝合金件。粉末冶金件普遍具有以下几个优点:
①能够避免成分的偏析,保证合金具有均匀的组织和稳定的性能;②能利用金属和金属、金属和非金属(包括一些高熔点的材料)的组合效果,生产各种特殊性能的材料。粉末冶金铝合金件除具有上述优点之外,还具有如下特性:
①密度低(Al的密度为2.70g/cm3),约为Fe(71874g/cm3)和Cu(8.96g/cm3 )的②不需要做防锈处理,因为Al表面极易形成一层氧化膜,进而起到防护作用,相对于需要防护涂层的零件节
省了生产成本;③有较强的吸能性,在撞车时比钢制零件多吸收50%以上的冲击能,从而减少对人员的伤害,同时提高安全性和乘坐舒适性。
3.0.当前国内外粉末冶金铝合金的研究及应用状况：
3.1.当前国内外研究和应用的粉末冶金铝合金类型：
按摩脚盆主要可以分成两大类:
普通粉末冶金铝合金和高性能粉末冶金铝合金。
verticalsync普通粉末冶金具有与铸造铝合金相应的成分,采用常规压制、烧结工艺制得。
G.B.Schaffer等人对这方面的研究较多。常用的合金成分主要有3种:
(1)Al-Cu-Mg系,对应于合金2014,如美国铝业公司的201AB和德国的Ecka2Alumix123。G.B.Schaf2fer等研究了微量元素、气氛对Al-Cu-Mg系烧结的影响,发现微量Sn等元素能促进液相烧结，而Fe相反；氮气相对于真空和其他保护气氛更有助于烧结性能的提高。
(2)Al-Mg-Si-Cu系,对应于合金6061,如美国铝业公司的601AB和德国的Ecka2Alumix321。
(3)Al-Zn-Mg系,对应于合金7075,如Alcan的MD76。G.B.Schaffer等研究了微量元素对Al-Zn-Mg-Cu合金系烧结的影响。
与普通粉末冶金铝合金相比,高性能粉末冶金铝合金的合金成分设计和制备工艺更加复杂。更多采用预合金化的铝粉,增大了合金元素在铝基体中的溶解度并使显微组织大大细化。独特的组织进一步提高了合金的室温强度、耐磨损性能以及弹性模量。高性能粉末冶金铝合金主要有以下5种:
①耐磨、低膨胀系数粉末冶金铝合金主要是Al-Si系,与传统的铸造铝硅合金相比具有更高的耐磨性,张大童等研究了快速凝固高硅铝合金的热挤压过程,杨伏良等通过热挤压技术制备了高硅铝合金材料,其抗拉强度高达239MPa,比铸轧态试样提高77%;②高强度、耐腐蚀粉末冶金铝合金的研究主要集中在Al-Zn-Mg-Cu的基础上添加Fe、Ni、Co、Zr等元素,美国、日本、英国等先进国家利用喷射成形技术开发出锌含量在8%以上,抗拉强度为760～810MPa,伸长率为8%～13%的新一代超高强度铝合金;③低密度、高强度粉末冶金铝合金主要是Al-Li、Al-Be系合金,美国1991年报道,Al-Li合金取代普通铝合金,用在飞机上,质量可减轻10%～20%,若波音747零件全部用Al-Li代替,机身可减轻45t。崔成松等对此类合金进行了深入的研究。
(4)高温粉末冶金铝合金主要是在Al-Fe合金中添加Ce、Mo、V、Si等元素,例如,美国已经商品化的Al-Fe-Ce合金(含7%～9%的Fe,4%～6%的Ce)在225℃持续曝露1000h,其室温强度仍保持不变。在310℃下100h也有同样的结果。用粉末冶金高温铝合金RSP Al-8Fe-4Ce制造某些军用飞机辅助动力装置中的零件,如F-18飞机的离心式压气机叶轮,质量减少15%,并能在某些部位代替钛合金零件。
(5)粉末冶金铝基复合材料最主要的性能是较高的弹性模量、耐磨性和疲劳性能,常用的复合材料基体有Al-Cu系、Al-Mg-Si系、Al-Zn系、Al-Li系、Al-Fe合金系,常用的增强体为Si
C、Al
2O
3、B
4C等。Lock-heed采用25%SiCp/铝合金复合材料制作成飞机框架,质量比7075-T6铝合金轻17%。
3.2主要的制粉方法及铝粉特性：
建模仿真
早期金属铝粉的生产方式是采用捣冲法机械破碎铝屑,并筛选出合乎要求的铝粉。该法生产效率低,质量不易控制,粉尘很多,非常容易起火和爆炸。1894年,德国Hametag用球磨机在惰性气体保护下生产鳞片状铝粉,这种方法目前仍然沿用,被称之为“干法生产”。中国铝粉工业自20世纪50年代起步,至今已有50年的历史,主要有雾化制粉和球磨制粉两种。雾化包括空气雾化法(冷却速率为102～103K/s)和水雾化法(冷却速率为102～104 K/s),产品既有球形也有非规则形状。
Al的活性很高,在快速凝固制粉时不可避免地会形成一层氧化膜,导致致密化过程中合金元素的相互扩散受到阻碍,难以形成冶金粘结。因此生产中需要采用一些特殊的致密化工艺来克服这些困难,如热挤压法、高速压制等。
3.3粉末冶金铝合金的主要制备工艺：
目前铝基粉末冶金件主要的生产工艺有常温压制、温压、热挤压、粉末锻造和喷射成形等。常温压制研究较多,但是由于诸如冷焊和铝的氧化膜导致的不致密等各种技术因素的阻碍,目前进展并不理想,应用范围也非常有限。近年来,人们开始转向在铁基粉末冶金件上应用的近于完善的温压技术来制备粉末冶金铝合金件。A.Simchi等人研究发现,温压是提高铝
合金湿密度的有效办法,并且能够提高烧结尺寸的稳定性。李明怡等也对铝的温压行为进行了研究。温压工艺不仅提高了粉末冶金件的烧结性能，在成本方面也有一定的优势。据研究表明，假定一次压制/一次烧结的普通粉末冶金工艺的成本为1，则粉末锻造的成本为2.0，复压/复烧的成本为1.5，渗铜工艺的成本为1.4，而Ancordense温压工艺的成本仅为1.2。
4.0.发展趋势：
汽车轻量化为高比强度的铝基粉末冶金件的应用提供了工业化前景。特别是在发动机传送系统方面,零部件的轻量能显著改善汽车的性能,并降低能耗。针对一些需要减轻质量的场合，提高适用的铝基粉末冶金件的性能并有效地降低其成本，是研究发展的方向。温压技术结合有效的润滑、烧结助剂将会更有效地以低成本生产高质量的铝基粉末冶金件。
