铸造耐热铝合金耐热相的研究进展

Research Progress on Heat-Resistant Phases in Cast Heat-Resistant Aluminum Alloys

摘要: 铝合金拥有比强度高、成本低、加工节能环保等特点，被广泛地应用于工业制造之中。在高强度铝合金的基础上发展出的耐热铝合金在高温下使用性能良好，抗疲劳系数大，因其密度低、高导热性等优良性能在航空、航天以及汽车行业中应用广泛。然而随着工业产业链的更新换代，耐热铝合金的实际应用需求也在快速增长，老一代高温耐热铝合金已不能满足工业需求，新一代高强度耐热铝合金因成本高、制备复杂等问题阻碍了其应用与发展，需要找到新的方法、工艺对合金进行强化。本文综述目前主流耐热铝合金耐热相的研究进展，阐述了耐热铝合金中耐热相的产生与调控，并展望了耐热铝合金的研究趋势与应用前景。

Abstract: Aluminum alloy has the characteristics of high specific strength, low cost, energy-saving and environmentally friendly processing, and is widely used in industrial manufacturing. The heat-resistant aluminum alloy developed on the basis of high-strength aluminum alloy has good performance at high temperatures and a large fatigue resistance coefficient. Due to its low density, high thermal conductivity and other excellent properties, it is widely used in the aviation, aerospace, and automotive industries. However, with the updating and upgrading of the industrial chain, the practical application demand for heat-resistant aluminum alloys is also growing rapidly. The old generation of high-temperature heat-resistant aluminum alloys can no longer meet industrial needs, while the new generation of high-strength heat-resistant aluminum alloys is hindered in their application and development due to high cost and complex preparation. It is necessary to find new methods and processes to strengthen the alloys. This article reviews the research progress of mainstream heat-resistant aluminum alloy heat-resistant phases, elaborates on the generation and regulation of heat-resistant phases in heat-resistant aluminum alloys, and looks forward to the research trends and application prospects of heat-resistant aluminum alloys.

1. 引言

19世纪工业革命对资源的开发利用为人类工业带来前所未有的新变化，但由于科学技术的限制、工业中能源的低效率使用及人类对自然资源的过度开发，过去百年的工业已造成了全球性的环境污染与资源匮乏。绿色发展，节能减排成为了工业发展的新主题。汽车工业作为资源利用的重头产业更是需要重点改革，即以降低生产能耗，减少污染排放，提高能源利用率为新的生产方式进行进一步的发展。铸造铝合金比强度高、耐高温性能优异，被广泛地应用于汽车发动机活塞与气缸的制造。目前，Al-Si系、Al-Cu系、Al-Mg系铸造铝合金是最广泛应用的汽车发动机材料，牌号有ZL109、ZL117、A356、M142等。随着汽车性能的提高，汽车发动机工作环境越发恶劣，其顶部温度可超过400℃，承受最大压力为3~15 MPa，平均运动速度达6~15 m/s ‎[1] ，现有的铸造铝合金在该环境易失效断裂，因此汽车工业迫切需要能在350~400℃下正常服役、长期处于安全状态并能承受的起300℃左右的机械热疲劳作用的发动机材料。

汽车产业的生产需求带来并指出了现有铝合金材料的发展问题，即现有工艺生产的耐热铝合金高温强度已达到极限，300℃以上晶粒粗化、耐热相溶解现象严重，合金抗拉强度、抗疲劳能力大幅降低，耐热性较差，无法很好地符合现代汽车的需求。解决耐热铝合金耐热相在300℃以上溶解或粗化是提高合金高温性能的关键，因此本文从目前最广泛使用的Al-Si系、Al-Cu系、Al-Mg系耐热铝合金出发，综述其主要耐热相的形成及其演变，旨在为铸造铝合金的高温性能强化提供参考。

2. Al-Si系耐热铝合金耐热相

Al-Si系铝合金拥有比强度高、耐热性好、铸造性能优良等特点，是目前用途最广泛的铝合金种类，常常被用作汽车发动机缸体及活塞的制作 ‎[2] ‎[3] ‎[4] 。Al-Si系合金是简单的二元共晶合金，Si含量在4~22%之间，在12.6%达到共晶点，共晶反应温度为577 ± 1℃ ‎[5] ‎[6] ，其中Si元素的存在使得铝合金具有了优异的铸造性能、低热膨胀系数以及良好的力学性能，当Si含量低于12.6%时，Al-Si合金具有较好的强度与塑性；Si含量高于12.6%时，Al-Si合金具有较低的热膨胀系数；Si含量在12.6%附近时，Al-Si合金的综合性能达到最佳，是众多牌号的设计标准 ‎[7] ‎[8] ‎[9] 。

Al-Si合金的强化相主要由珊瑚状的共晶Si、α-Al及一些铝硅化合物组成，其在高温下阻碍位错运动能力低且易粗化、溶解，使得合金力学性能急剧下降，不能满足实际生产需求。因此在生产中往往需要向Al-Si合金中加入Cu、Ni、Mg、Fe、Ag等元素对合金性能进行强化 ‎[10] ‎[11] 。研究表明，在Al-Si合金中添加不同含量的Cu、Ni、Mg、Mn、Fe等元素可以在铝基上得到如Al₂Cu、Al₃Ni、Al₃CuNi、Al₇Cu₄Ni、Al₉FeNi、Al₅Cu₂Mg₈S_i6、β-Fe、α-Fe等大量具有复杂结构的中间相。这些复杂的金属间化合相能在晶界上形成封闭网状或骨架状组织，其形貌与分布影响着合金在高温环境下性能，第二相粒子尺寸越细，沿晶界弥散分布度越高，合金的耐热性能越好 ‎[12] ‎[13] ‎[14] ‎[15] ‎[16] 。

向Al-Si合金中添加Cu元素可以形成Al-Si-Cu系耐热铝合金，添加Cu后原有的合金基体上会形成Al₂Cu等可通过热处理调控的耐热相，在经过时效后会形成与铝基体成共格或半共格界面的弥散纳米亚稳θ'-Al₂Cu相，这些纳米析出相可以强烈的钉扎位错，稳定合金亚结构，细化晶粒。向Al-Si合金中添加Mg，可以形成Al-Si-Mg系耐热铝合金，Mg与合金中的Si反应形成Mg₂Si和Mg₅Si₆等可通过热处理调控的耐热相，Mg₂Si和Mg₅Si₆相在热处理过程中会析出大量弥散分布的β'过渡相，β'相破坏了合金原有的晶格结构，产生畸变，钉扎了位错的滑移，可以明显的提高合金的力学性能 ‎[17] 。

向Al-Si合金中加入了Cu、Mg元素后，合金的高温性能得到了一定的提升，但无论是Mg₂Si相还是Al₂Cu相都容易在225℃左右粗化失效，Al-Si合金300℃以上高温性能较差的问题仍未得到解决。近年来人们尝试向已有的Al-Si-Cu、Al-Si-Mg系铝合金的基础上加入更多金属元素，开发出了在300℃时仍具有良好力学性能的Al-Si-Cu-Ni-Mg系合金。杨阳、陈金龙等 ‎[18] ‎[19] 研究了Ni元素对Al-Si合金耐热相的影响，发现Ni与合金中的Al、Cu相互作用可以形成Al₃Ni、Al₃CuNi、Al₇Cu₄Ni、δ-Al₃CuNi和г-Al₇Cu₄Ni等在350℃时仍能保持很好的热稳定性的复杂相，提高了Al-Si合金在高温条件下的硬度与强度。

Mn元素在Al-Si合金中可以形成多种优良的耐热相，廖恒成 ‎[20] 等人总结出Mn在铝合金中可以形成S-Al₂CuMn、T-Al₂₀Cu₂Mn₃，T-Al₁₂Cu₂Mn₃、Al₅₀Si₃₀Mn₂₀、Al₁₅Mn₃Si₂和α-A1₅(Fe,Mn)₃S_i2等相。通过实验，他们证明了Al₁₅Mn₃Si₂相在热处理过程中不会融化与粗化，大幅度地提高Al-Si合金的高温性能。此外，Mn元素还可以起到调控富铁相的作用，陆从相等 ‎[21] 利用Thermo-Calc计算Al-8.5Si-0.35Mg-0.16Fe-x Mn合金平衡凝固下的相变行为，计算发现，在近平衡状态下，当Mn含量低于0.05% (Mn/Fe约0.31)，含Fe相为Al₉FeSi₂，这与常见的β-Fe相对应，此时Mg与Fe相并没有相互作用。当Mn含量为0.32% (Mn/Fe = 2.0)以及0.69% (Mn/Fe约4.3)，此时会有含Mn、Fe的先析出相析出，由于此时处于固液两相区，这种粗大的富(Mn, Fe)相的存在，阻碍了枝晶补缩同时会形成应力集中区，这种情况对于Al-Si合金性能非常不利。在后续的凝固实验中，团队发现Mn/Fe比小于1时，合金中富Fe相呈短杆状，其最大长度16 μm左右，平均长度低于3 μm。Mn/Fe比大于2时，合金中出现粗大的富Mn相，合金的力学性能显著降低

李润霞 ‎[22] 研究发现添加Cr和Mo元素可大幅度地提高过共晶Al-Si合金室温拉伸强度。在铝合金中添加Mo，会促使合金主要富Ni相的凝固和析出发生演变，改善合金中耐热相微观形态及分布，从而提高合金的高温性能。山东大学杨阳 ‎[23] 发现向Al-Si合金中添加Mo元素，随Mo含量的增加，富Mo相从无到有Al(Fe, Mo)Si析出，再进一步演变为Al₃Mo相，而富Ni合金相种类没有发生改变，但形貌从没有链接在一起弥散分布半环状或环状分布逐渐演变为封闭半封闭网状结构，并进一步演变为独立分布的细小块状结构，阻碍了位错的运动，增强了合金性能。随着Mo元素含量增加，合金高温强度出现先升高后降低现象。Mo元素添加促使部分Fe和Si元素固溶到δ-Al₃CuNi中，从而改变合金相的形貌。这些变化最终促使封闭和半封闭网状共晶团的形成，均勾分布在二次枝晶或多次枝晶之间，这种组织结构可以较好地把应力由基体转移到增强相上，从而阻止高温时晶界滑移，使合金拉伸强度大幅度提高。

在铸造耐热Al-Si系合金的研究中，稀土元素的添加成为研究的热点。稀土元素因为其最外层的电子结构特殊，具有十分活泼的化学性质，可以与金属铝形成稳定的金属间化合物，起细化组织的作用，还可以降低熔体中的含氢量起到精炼的作用 ‎[24] ‎[25] 。Sc、Er、Zr、Sm、Y、Eu、La等稀土元素通过自身形成耐热稳定的析出相或者定量添加来改变基体相形貌从而提高铝合金的高温性能。研究表明 ‎[26] ‎[27] ，添加Sc元素对铝合金室温、高温性能提升最大。固态Sc在Al中只有0.23 at.%的溶解度，液体时也仅有0.28 at.%。在655℃会发生L→α (Al) + Al₃Sc的共晶反应，生成与α-Al具有很好共格的Al₃Sc结构，析出的弥散共格Al₃Sc相能很好的钉扎位错和亚晶界，提升合金强度与再结晶温度，同时Al₃Sc具有很好的高温热稳定性，可以在250~350℃温度区间内稳定存在，很好的提高了合金的高温性能。但Sc价格昂贵，目前只应用于航空、航天材料的制备，所以寻找Sc元素的替代元素，稀土元素强化合金提供了新的方向。陈媛媛等 ‎[28] 研究发现向A356合金中添加Er元素可以有效的细化α-Al晶粒，能将片层状的Si相变为了短棒状和粒状，可以提高合金的力学性能。但在刘取 ‎[29] 对铝合金发动机的研究中，在改善Al-12Si-4Cu-1.2Mn的过程中，经过先前改良得到的Al-12Si-4Cu-1.2Mn-1Ni在加入Er元素后，虽然对初生富锰相起到了一定的细化作用，但在350℃的拉伸试验中并未提高合金耐热性能。La元素在改善铝合金的综合性能的方面上也有一定的积极作用，陈继飞等 ‎[30] 研究了添加La对Al-17Si合金耐热性能的影响，实验发现，稀土La对二元过共晶Al-Si合金中的Si相有变质作用，但对共晶Si的变质效果比对初晶Si的变质效果更为明显，这是因为初晶Si和共晶Si的生长环境不同的缘故。La在过共晶Al-Si合金中易形成某种三元相AlSixLay。其La的变质作用主要体现在对Si相的长大阶段而不是形核阶段的影响，La通过在Si/Al界面前沿富集来影响Si相长大方式而起变质作用。

3. Al-Cu系耐热铝合金耐热相

Al-Cu耐热铝合金的研发历史悠久，已经被广泛应用在工业制造领域，在航天领域的应用尤为显著。Al-Cu系合金是简单的共晶合金，Cu含量在3~11%之间，在33.2%达到共晶点 ‎[31] ‎[32] 。Al-Cu耐高温铝合金是通过利用沉淀析出的体心正方(BCT) θ和θ'相来强化基体，进而提高其高温性能 ‎[33] 。Al-Cu系铝合金具有较高的高温抗拉强度，常被用于制作300℃以上高温零件，但因其铸造性能较差，一般适用于飞机轮毂、汽车发动机盖等结构简单零件的制备。

Al-Cu系合金主要的强化相是θ-Al₂Cu析出相，经后续热处理析出的θ'和θꞌ'相，可以提高合金的力学性能。但θ'-Al₂Cu相热稳定性不足在高温下容易粗化或溶解失去强化作用 ‎[34] ‎[35] ，使得Al-Cu合金的高温性能下降，因此提高铝铜合金高温性能的关键在于调控θ'-Al₂Cu相。Al-Cu合金通过时效处理后可以析出体积分数较大、与铝基体间形成共格或半共格的界面的弥散纳米亚稳θ'-Al₂Cu相，这些纳米析出相可以强烈的钉扎位错，稳定合金亚结构、细化晶粒，提高合金的力学性能 ‎[36] 。因此，研究者们一般向Al-Cu合金中加入过渡族元素或稀土元素，希望降低合金体系层错能，促进高温稳定的θ'-Al₂Cu相于纳米共格相的析出。

通过合金化制备的Al-Cu-X三元合金可以产生除θꞌ和θꞌ'相之外的其他耐热相，这些耐热相对合金的高温性能有着一定的提升。向Al-Cu合金添加Mg，可以形成Al-Cu-Mg系铝合金，合金中的Cu含量在2~10%左右，Mg含量在0.15~2.6%左右，主要形成耐热相有M-Mg₂Si、S-Al₂CuMg和 Q-Al₅Mg₈Si₆Cu₂等，其中，M-Mg₂Si相的粗化温度不高，当温度超过185℃时就会急剧粗化，严重降低合金的力学性能。而Q-Al₅Mg₈Si₆Cu₂相耐热温度可达250℃，具有较好的室温和高温强化效果 ‎[37] 。Mg在Al-Cu合金中无法形成耐热性很好耐热相，Mg元素优势主要体现在可以促进Al-Cu合金在基体上产生小而密集均匀分布的θ'相。研究表明 ‎[38] ，在Al-Cu-Mg系合金时效过程中，Cu原子会与Cu-Mg团簇聚集，促进θ'相的形核和析出，这些纳米级时效沉淀相的形成为Al-Cu-Mg带来了好的高温性能。与此同时，Mg与Cu的含量之比还控制合金中耐热相的析出，Samue ‎[39] 等人研究了Cu/Mg元素含量的比值对合金的耐热性能的影响，团队发现，当合金中Cu/Mg比大于2.5时，合金基体上会有Al₅Cu₂Mg₈Si₆或AlxMgSi₄Cu₄相析出，Al₅Cu₂Mg₈Si₆和AlxMgSi₄Cu₄抗高温粗化能力强、能牢固的钉扎在合金基体上，可以增强合金的室温和高温性能。陈丽芳 ‎[40] 等研究了不同Cu/Mg比控制Al-Cu合金耐热相的析出的过程，研究发现，当Cu/Mg < 5时，合金主要析出强化相为Ω相，θ'和S相为次要强化相，合金抗拉强度会随Cu含量增加而增加；当Cu/Mg为5~10时，Ω相的析出占主要地，θ'和S相只有少数析出，而当Cu/Mg > 12.5时，合金的主要强化相为Ω相，还含有大量的θ'相。

近年来，Yang等 ‎[41] 在对Al-Cu-Mg合金的研究中发现向合金中加入Ag元素后的时效的过程中，Ag、Mg会强烈交互作用形成Mg-Ag团簇，该团簇会促进Al-Cu-Mg合金在α-Al基体的{111}α平面上形成大量的细小Ω相，Ω相比θ'相更加细小、更加弥散，并且有着良好的热稳定性，能在高温环境下钉扎位错，大幅度提高合金的高温力学性能与蠕变性能，并且可在200~250℃高温下长期使用。Al-Cu-Mg-Ag合金应运而生，因其比强度高、耐热、耐蚀性能好，被广泛的应用在飞机轮毂、汽车发动机缸体的制作中，有望成为新一代被广泛应用于300℃以上耐热铝合金材料。为了进一步提高Al-Cu-Mg-Ag合金性能，人们尝试利用各种方法对Al-Cu-Mg-Ag合金进行强化，刘来梅等 ‎[42] 研究了添加Zr元素对Al-Cu-Mg-Ag合金力学性能的影响，结果表明，随着合金中Zr元素质量分数的增加，合金的室温抗拉强度与屈服强度显著上升。其中，在Zr元素质量分数为0.19%时的合金室温拉伸强度达到518 MPa，与不含Zr合金相比提高了10%。杜传航 ‎[43] 研究了添加SiCw对Al-Cu-Mg-Ag合金耐热性能的影响，实验采用压力浸渗工艺制备了20 vol% SiCw/Al-Cu-Mg-Ag复合材料，结果表明，SiCw/Al-Cu-Mg-Ag复合材料250℃下抗拉强度σb = 375 MPa，此时延伸率显著提高，达到13.9%。当温度高于250℃时，复合材料中基体合金快速软化，导致其强度快速降低，在温度为300℃时，抗拉强度σb = 185 MPa。过渡族元素与第二相粒子的使用，为Al-Cu-Mg-Ag合金的强化带来了新的思路，为之后更高性能Al-Cu-Mg-Ag合金的出现打下了基础。

向Al-Cu合金中加入Mn元素可以形成Al-Cu-Mn系铝合金，Al-Cu-Mn系铝合金强度高、塑性好，主要应用于汽车的制造，其耐热相由Al₆Mn、T-A1₂₀Cu₂Mn₃和 T-Al₁₂Cu₃Mn₂组成，其中的T-Al₂₀Cu₂Mn₃是一种稳定的耐热强化相，在凝固过程中发生一次析出同时热处理后也会发生二次析出，不易聚集长大且热硬性高，热稳定温度可达300~350℃，对合金高温性能强化最佳 ‎[44] ‎[45] 。Al-Cu-Mn系铝合金的强度、硬度会随着Mn元素含量的升高逐渐上升，但当Mn含量过高时，Mn元素会在晶界处偏聚，形成连续的网状T相，大大降低材料的韧性和抗拉强度，因此需要精确把握Mn含量。一般来说，Al-Cu-Mn系铝合金中的Mn含量不超过1.6%，但McAlisterd ‎[46] 等利用快速凝固与烧结的方式制备了过饱和的Mn (15%)的Al固溶体，在铝基体上生成了Al₆Mn、Al₁₂Mn、Al₄Mn、Al₈Mn₅和Al₁₁Mn₄等具有弥散强化效果稳定相，提高了Al-Cu-Mn合金的力学性能，为Al-Cu-Mn系铝合金带来了新的强化相。

稀土(RE)因其特殊的化学性质可以在铝合金中自身形成耐热稳定的析出相。向Al-Cu合金中加入RE，可以形成Al-Cu-RE系铝合金，其主要耐热相为θ'相、θ''相以及Al₃X相。Sc是稀土中对铝合金耐热性能提升最大的元素，其自身形成的Al₃Sc能够固溶进铝基体和强化亚稳态沉淀强化相，并且该相对位错和晶界的钉扎能力更强，极大地提高了合金的综合力学性能 ‎[47] 。但Sc及其他稀土价格过高，无法大量应用，因此人们对于稀土的利用多在于其促使Al-Cu合金晶粒细化以及促进Al-Cu合金中θ'-Al₂Cu析出相形核，抑制θ'-Al₂Cu析出相长大。岳春雨等 ‎[48] 分别在Al-4.4Cu-1.5Mg-0.15Zr合金中添加(质量分数) 0.1%的Pr、0.1%的Sm、0.1%的Y，结果表明，添加稀土元素后与基体合金相比，合金组织得到不同程度的细化，θ'-Al₂Cu相析出增加，二次枝晶间距减小，合金中孔洞等缺陷减少；稀土元素分别在晶界处，形成Al₃Pr、Al₁₀Cu₇Sm₂、Al₆Cu₆Y等共格纳米相，合金的力学性能得到了提高。余鑫祥等 ‎[49] 探讨了稀土Pr在Al-Cu铸造铝合金中的作用。结果表明，Pr在Al-Cu合金中主要存在于晶界处，并形成共格稀土化合物；同时能有效地细化晶粒、提高析出相的弥散度、改善其断口形貌，从而改变了Al-Cu合金的高温组织和性能。

在已有的研究之中，提高铝合金的高温强度主要是控制高温环境下位错攀移速率和晶界的原子扩散过程，因此设计寻找熔点高、硬度高、弥散程度高、热稳定性好的耐热相是耐热铝合金研究的重点之一。利用合金化思路，根据不同元素在铝基体的固溶度的不同以及铝合金固溶时效处理的方法，可以调控铝合金生成耐热相，推动高性能耐热铝合金的开发。表1展示了现有铝合金中的主要耐热相。

Table 1. Common heat-resistant phases in cast heat-resistant aluminum alloys ‎[6] ‎[29] ‎[37] ‎[46]

表1. 铸造耐热铝合金中常见的耐热相 ‎[6] ‎[29] ‎[37] ‎[46]

4. Al-Mg系耐热铝合金及新工艺耐热铝合金

Al-Mg系铸造铝合金具有高的耐蚀性、强度、可切削加工性能，因为缺失共晶Si对室温强度的提升和富Cu相对高温性能的强化，Al-Mg系铸造铝合金的强度相对较低 ‎[50] ，研究表明，稀土或过渡族元素可以显著地提高Al-Mg系铸造铝合金的高温性能，因此，Al-Mg系铸造铝合金的研究主要在于稀土强化。

Jiang等人 ‎[51] 研究了Sc微合金化对Al-Mg合金组织和力学性能的影响。讨论了Al-Mg合金与Sc的强化机理.结果表明，铸成Al-Mg合金的平均晶粒尺寸为36.07 μm，比不加Sc与Ti的合金1和Ti为0.15%的合金2小74.4%。带Sc的合金具有优异的综合力学性能，抗拉强度为274 MPa，伸长率为29.67%，其抗拉强度比合金1高10.6%，比合金2高7.9%。Wu ‎[52] 等人研究了Er和Zr微添加对Al-Mg合金重结晶行为和微观组织演变的影响。结果表明，与Al-Mg和Zr合金的微合金化相比，Al-Mg-Er-Zr合金的再结晶起始温度和结束温度分别提高到225℃和450℃，屈服强度和拉伸强度提高了30 MPa以上。Li ‎[53] 等人系统研究了Ce添加(不高于0.9 wt-%)对Al-9.2Mg-0.7Mn合金的微观结构、腐蚀行为和力学性能的影响，以评估其在工程应用中的潜在用途。Ce的添加在富锰相中偏析，对点蚀的耐蚀性有显著影响。特别是，合金在敏化状态下的点蚀速率随Ce的添加而大幅下降，分别比0.1和0.3 wt.% Ce的合金基体低约48%和53%。此外，通过0.3 wt.% Ce添加(极限拉伸强度增加约30 MPa)提高了其强度，同时不影响晶间耐腐蚀性，表明Ce微合金化可以全面改善Al-Mg-Mn合金的性能。刘博 ‎[54] 研究了稀土元素Er对Al-Mg系合金的组织和性能影响。结果表明，根据XRD与SEM分析，Al₃Er可以稳定地存在于Al基体中，优先析出的Al₃Er可以在基体中起到异质形核的效果，增大了凝固过程的过冷度，从而在凝固过程中对Al-Mg合金的晶粒尺寸和结构起到促进相变的作用。在力学性能方面，随着稀土Er掺杂量的增加，Al-Mg合金的抗压强度呈现出先升高后降低的趋势。当稀土Er的掺杂量为0.6% (质量分数)时，Al-Mg合金的抗拉强度达到了最大值185.68 MPa，随着稀土Er掺杂量的增加，Al-Mg合金的抗压强度呈现出先升高后降低的趋势。当稀土Er的掺杂量为0.6% (质量分数)时，Al-Mg合金的抗拉强度达到了最大值185.68 MPa。Li ‎[55] 等人研究了Y添加(0~0.4%)对Al-9.2Mg-0.7Mn合金的微观组织、力学性能和耐蚀性的影响。结果表明，Y导致Al-1.44Mg-1.09Y合金中Al₃Y和Al₂Y相的形成，因此，过饱和Y原子可能导致富Y相的进一步粗化，因为更多的铝原子被Al-Y相的形成所消耗，且Y对铸态Al-Mg合金有良好的晶粒细化作用。在力学性能方面，Al-9.2Mg-0.7Mn合金在变形条件下的硬度为127 hv，UTS为448 MPa，EL为10.8%。Y的加入对强度的提高没有好处，但有利于增强塑性。当Y添加量为0.1 wt%时，合金的强度和塑性结合最佳。

目前，合金化是耐热铝合金的主要强化方式，可随着汽车、航空航天行业的发展，通过合金化强化得到的耐热铝合金的性能已达不到行业规定的服役要求，需要采取新的强化方式。近几年随着快速凝固、激光增材技术等新兴技术的发展，使得新一代铝合金具备了传统铝合金所达不到的低密度、高热导、低膨胀、高比强等优点，开辟了铸造耐热铝合金强化的新路径。

快速凝固技术(RS)指凝固速度比常规铸造凝固速度大得多(一般 > 10 mm/s)的凝固技术。一般指以大于105 K/s~106 K/s的冷却速率进行液相凝固成固相。快速凝固技术增加了过渡族元素在铝中的过饱和固溶度，可使Al基体形成高度弥散、具有热稳定性的金属间化合物粒子 ‎[56] 。由于这些弥散相在高温下是稳定的，由于第二相粒子的析出，对位错运动有很好的钉扎作用，从而阻碍了材料中位错运动。陈桂云 ‎[57] 等通过快速凝固技术制备了Al-18.6Si-4.34Cu-0.66Mg合金，发现快速凝固后的合金粉末粒度细小(小于15 μm占60%以上)且分散均匀，其凝固冷却速度很高，有利于挤压后合金的的力学性能的提高，经过固溶时效态后发现，其室温抗拉强度高达430 Mpa，随着温度的升高至200℃时，合金仍能保持370 Mpa以上的抗拉强度，通过快速凝固制备的合金，经过固溶时效使合金形成了针状和球形状两种强化相，两相均匀弥散的分布在Al基体上，起到了弥散强化的作用使合金晶粒边界运动受阻，位错增殖，大大强化了合金力学性能。快凝耐热铝合金具有远超传统铸造铝合金的高温力学性能、抗腐蚀、抗疲劳性能和良好的热稳定性，但因其高昂的成本及复杂的制备手段无法大规模应用于工业的生产之中。目前研究者们致力于降低快凝技术成本、简化快凝技术手段，快凝技术的应用将会推动汽车、航天事业的进一步发展。

增材制造(LAM)也称3D打印，通过在其上传递能量在指定目标区域连续沉积材料，成为一种环保的绿色制造技术。在此层面，激光是增材制造中最有效的能源，因为激光束可以将大量能量瞬间转移到微尺度焦点区域，以固化或固化空气中的材料，从而实现各种材料的高精度和高吞吐量制造 ‎[58] 。激光增材技术广泛应用于铝合金生产中，Schmidtke K等 ‎[59] 使用了激光增材制造制备Sc添加铝合金的制备，试验结果表明，使用增材制造的Scandium Modified Al-Alloy材料的主要目标是获得具有最大密度的微结构，同时形成过饱和固溶体。团队使用较高的冷却速率来约束过饱和固溶体，并在时效后获得较高的沉淀硬化效果，钪的加入增强了强度性能，在325℃老化4小时后形成了相当数量的Al₃Sc，强化效果优异。K. Bartkowiak等人 ‎[60] 综述了选择性激光融化技术(SLM)在加工铝合金中的新进展，证明在SLM工艺中引入预混合高强度铝粉末合金(例如：2xxx/7xxx系列铝)的可行性显示出巨大的潜力。熔炼线未出现脆性硬氧化上层，为活性材料多添加剂层制造工艺的进一步发展提供了广阔的前景。在高强铝合金增材制造技术方面，还包括有电弧熔丝增材制造成形(WAAM)技术 ‎[8] 。WAAM是以电弧为热源，采用弧焊工具和丝材为原料的增材制造技术，具有沉积速率高、材料和设备成本低以及良好的结构完整性等优势。

5. 结语与展望

铝合金对解决汽车的减重减耗问题、对飞机飞行面临的严峻环境问题是一个重要的突破口。对于铝合金性能的影响因素，考虑到多数铝基材料，如发动机、导线的工作环境面临高温的挑战，铝合金的耐热性是其中一个重要的研究方向。目前优化铝合金高温性能的手段主要有：1) 优化调整现有铝合金牌号成分、热处理手段，如通过向铝合金中添加稀土元素生成Al₃X等高强耐热相实现铝合金高温性能的强化。2) 在铝合金内部通过原位反应生成或外部添加耐热硬质强化相，如在铝合金熔体中原位生成或添加TiB₂、ZrB₂等强化相实现铝合金的强化。3) 改变现有的合金加工方法，利用粉末冶金、快速凝固等高新技术实现现有合金的强化等。

在制造耐热铝合金的发展过程中，不断有优秀的制造工艺出现，也不断有优良性能的产品出现，但如今包括耐热铝合金的整个铝合金产业都有面临巨大的挑战。就我国来讲，随着改革开放，我国铝产业在时代的浪潮下得到长足的发展。而如今的产业，产能过剩、产品精品率低、核心技术缺失已然成为当下我国铝业所面临的问题。就海陆空交通工具发动机所应用的耐热铝合金关键技术依赖进口，其原因就在于本土产出的铝合金材料综合性能、稳定性和统一性较外国同类产品存在差距，不能满足需要。因此铝产业应整合耐热铝合金研究资源，把握利用稀土资源优势，将耐热铝合金研究推向世界前沿水平。

基金项目

2021年中央引导地方科技发展资金专项(桂科ZY21195030)；2022年广西科技基地和人才专项(桂科AD21238010)；广西重点研发计划(桂科AB22080015)。

NOTES

^*第一作者。

^#通讯作者。