高錳鋁青銅材料研究進展

胡柏松 馬明亮 郭純

摘要：根據(jù)國內(nèi)外對高錳鋁青銅材料的研究進展情況，針對研究過程中遇到的問題，特別是高錳鋁青銅材料熔煉工藝的方式方法不同會引起其特性改變的問題，對其熔煉工藝、組織成分和熔煉影響因素提出了相關(guān)見解，總結(jié)了高錳鋁青銅材料今后的研究發(fā)展方向及應(yīng)用方向。

關(guān)鍵詞：高錳鋁青銅;材料成分;組織特性;加工成型;研究進展

0 引言

近些年來，高錳鋁青銅材料應(yīng)用廣泛，有不少研究者對其進行了深入研究。高錳鋁青銅材料不僅在力學性能上表現(xiàn)優(yōu)異，其耐熱性、耐磨性及耐腐蝕性相對于鋁青銅而言也更勝一籌，其高強度、高硬度的組織性能使得該材料常被用于制造螺紋和齒輪坯料等零配件。另外，高錳鋁青銅材料還具有良好的導熱性和穩(wěn)定的剛性，可作為一種新型模具制造材料，該材料也是大型船舶螺旋槳和閥門等耐腐蝕性配件的制作材料之一，對于促進我國海事發(fā)展具有重要意義。隨著人們生產(chǎn)、生活對鋁青銅材料的需求不斷增加，普通的鋁青銅材料已經(jīng)不能滿足發(fā)展需求，為了使鋁青銅材料能得到更好地應(yīng)用，人們通過對其添加含量不同的錳元素，再平衡其他微量元素的配比并結(jié)合不同的熔煉方式來改善材料的組織性能，以滿足材料的剛度、強度和硬度需求，以滿足各領(lǐng)域?qū)Ω咤i鋁青銅材料的更高要求。

1 國內(nèi)外研究進展

1.1 ? ?國內(nèi)研究進展

國內(nèi)對高錳鋁青銅的研究，可追溯到20世紀70年代，該材料在這一時期被大量應(yīng)用于鑄造船用螺旋槳，不少學者通過降低鋁含量及提高錳含量來抑制鋁青銅的緩冷脆性。20世紀90年代初，研究人員對高錳鋁青銅材料的成分和性能進行了深入探究，利用MATLAB軟件，通過多元線性回歸方程，建立了多種有關(guān)高錳鋁青銅合金少量元素成分含量的線性相關(guān)式，以優(yōu)化合金各元素成分比，使合金的應(yīng)用適應(yīng)性更強，更加標準化和多元化。

張飛躍等人運用正交試驗設(shè)計方法，發(fā)現(xiàn)高錳鋁青銅中錳和鋁含量在中、下限度，鎳和鐵含量控制在2%和3%為最佳。

叢紅梅等人也對高錳鋁合金中的少量元素鈦展開了研究，研究表明，在鋁含量為7.5%～8.2%時，Ti含量取0.2%～0.25%對合金的硬度有明顯的增強效果。

自21世紀以來，不少學者對高錳鋁青銅的研究實現(xiàn)了重大突破。在前人研究的基礎(chǔ)上查缺補漏，學者運用離心鑄造等方法，進行了大量有關(guān)合金成分的分析實驗，并結(jié)合智能檢測、數(shù)學建模等多種方法，研究了合金成分與組織性能的基本關(guān)系。

楊大韜等人通過MATLAB軟件建立了BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，在離心鑄造條件下，發(fā)現(xiàn)合金的最佳熔煉成分滿足如下關(guān)系：w（鋁當量）%=w（Al）%-0.35w（Fe）%+0.34w（Ni）%+

0.19w（Mn）%。

近幾年，國內(nèi)學者對高錳鋁青銅合金的加工工藝研究越來越多，在合金的表面防腐、增材制造等領(lǐng)域的研究越來越深入，對專家學者來說，此項工作仍具有挑戰(zhàn)性。

1.2 ? ?國外研究進展

國外與國內(nèi)對高錳鋁青銅的研究方向不大相同，國內(nèi)主要研究領(lǐng)域為合金的加工工藝，而國外主要研究的是合金鑄造工藝。在合金鑄造過程中，時效溫度、固溶溫度、時效時間、固溶時間為影響合金性能的4個重要參數(shù)。

Foglesong等人通過時效強化的物理模型對鋁青銅的時效行為進行了模擬研究，應(yīng)用各種不同的時效參數(shù)確定其變化趨勢，發(fā)現(xiàn)效果良好。數(shù)據(jù)表明，4種不同參數(shù)對合金的性能影響也各有不同，其影響大小有如下關(guān)系：時效溫度>固溶溫度>時效時間>固溶時間。

第二次世界大戰(zhàn)時期，英國海軍艦艇上的螺旋槳運用鋁青銅材料制作而成，隨著時間的推移，螺旋槳逐漸與海水發(fā)生脫鋁反應(yīng)，使得現(xiàn)有的鋁青銅材料并不滿足應(yīng)用需求。自1980年以來，為了使高錳鋁合金材料能夠更好地服務(wù)于海水作業(yè)，國外研究者不僅在合金中添加了少量元素，還對合金的表面防腐和合金摩擦性能進行了較為深入的研究。A A Ei-Meligi在鋁青銅合金中添加了10%的鋁和5%的鎳，其表面生成的NiO薄膜用于保護合金，效果十分明顯，而Sanada M L等人則使用O2激光束對合金表面進行了強化處理，使得合金的耐磨性能更加優(yōu)越，磨損率也得到了降低，這對于合金的表面強化具有重要意義。

2 加工工藝

20世紀初，有專家學者對鋁青銅材料進行了研究，主要體現(xiàn)在合金加工工藝、改善合金性能等方面。高錳鋁青銅是在鋁青銅熔煉過程中通過添加不同含量的錳元素來控制合金的組織性能，所以高錳鋁青銅和鋁青銅的熔煉工藝大抵相同。近些年來，鋁青銅材料的加工工藝主要通過熔融澆注的方式實現(xiàn)，并添加覆蓋劑來減少氣孔、夾渣，還有通過增材制造“逐層累加”的方式進行加工，而無論是哪種方式都存在一些缺陷，使得高錳鋁青銅材料加工工藝發(fā)展備受阻礙。

李雨蔚等人采用熔鑄法制備出了不同含量Mn的鋁青銅合金，通過嚴格控制其固溶時效和溫度，改變Mn含量來探究合金的抗拉強度和屈服強度特性。

陳偉等人則通過冷金屬過渡技術(shù)（CMT）制備出了Al、Ni、Mn、Fe質(zhì)量分數(shù)各占比8%、2%、2%、2%的鋁青銅合金材料，這種加工方法不僅要控制送絲速度、增材速度、氬氣流量等，還需采用交替往復的方式增材，對機械電子設(shè)備的要求更加全面。

上述兩者的加工方式不同，影響因子也有諸多不同之處。增材制造處理工藝近幾年尤為盛行，避免了很多人為因素，在其離散/堆積原理的基礎(chǔ)之上，熱源（電弧、離子束、電子束、激光束等）也具有很大自由的可選擇性，在未來高錳鋁青銅的加工工藝上頗具發(fā)展?jié)摿Α?/p>

當然，增材制造處理工藝也存在一些問題，比如：成型零件尺寸精度不準確、加工過程中存在氣孔以及熔池動態(tài)流動不易控制等，這激發(fā)了更多學者對此類問題的研究興趣。

卜星在研究中發(fā)現(xiàn)，若焊槍在層與層之間能夠傾斜上升，相對于垂直上升來說，成型的零件外觀更平整，精度也較高。

閆峘宇運用單層單道模型通過正交實驗研究了焊縫的精度問題，并且改進了單層多道模型存在的熔寬、熔高等問題，大大提高了模型與實際焊縫的契合度。

3 高錳鋁青銅組織成分

高錳鋁青銅合金組織性能會隨著溫度和成分的改變而發(fā)生變化。不同Mn含量的合金抗拉強度、屈服強度和延伸率的變化曲線如圖1所示，在Mn元素質(zhì)量分數(shù)達2%時，合金的屈服強度與抗拉強度達到最大，其合金的延伸率在3%之后處于穩(wěn)定狀態(tài)，高錳鋁青銅合金中Mn、Al元素作為組織的主導成分，其含量對于組織特性的影響巨大。

紀勝如等人通過線性回歸方程，探究了12種合金不同成分含量，結(jié)果表明，在高錳鋁青銅中，Mn與Al元素相關(guān)性為（Al+）時較為合適。在此基礎(chǔ)上，還需嚴格控制澆注溫度，按照鋁錳相關(guān)性確定Mn含量為12%～15%時，可使高錳鋁青銅合金具有高強韌性。

2010年，楊為勤等人在探究含鎳高錳鋁青銅雜質(zhì)影響時發(fā)現(xiàn)，當鋁青銅合金中Mn的含量不同時，對合金的α相、β相區(qū)有很大影響，在提高Mn含量達6%以上時，β相區(qū)趨于穩(wěn)定狀態(tài)且不會緩冷脆化，Mn的加入不僅提高了合金的致密性，還增加了合金的強度。但是值得注意的是，Mn含量超過一定值時，可能會產(chǎn)生殘渣，Mn含量控制在11%～15%時最佳。

通常情況下，為了提高高錳鋁青銅的組織特性，會添加其他少量元素，如Ni、Fe、Co等。李元元等人研究發(fā)現(xiàn)，當合金中鋁含量為10%時，向其添加Ti、B等元素，合金的力學性能有所提高。

在質(zhì)變處理方面，Romankiewicz F等人通過實驗探究了某些質(zhì)變劑和復合質(zhì)變劑V+B、Ti+B、Zr+B、Ca+B等對合金性能產(chǎn)生的積極影響。

楊為勤利用基于Orign線性回歸方程建模，優(yōu)化高錳鋁青銅合金成分時發(fā)現(xiàn)，在合金中添加鎳元素能夠加強合金的蠕變強度，并且無鎳的高錳鋁青銅容易腐蝕，鎳含量宜控制在2%左右，如果過多也會降低合金的組織性能，同時會降低合金的焊接性。

楚滿軍等人通過對比實驗法，探究了鍶鈦硼復合微合金化對高錳鋁青銅的影響，將鍶、鈦和硼復合微合金化的高錳鋁青銅和未微合金化的高錳鋁青銅進行對比發(fā)現(xiàn)，兩種鑄態(tài)高錳鋁青銅的相組成沒有發(fā)生改變，但是α相與K相的晶體都比之前更加細化，并且在合金硬度也明顯增加，增長率約為26.8%，腐蝕效率和合金摩擦效率分別降低了約11.4%和8.4%。

因此，高錳鋁青銅合金中添加少量其他元素，能夠讓合金的組織性能得到改善，使其更加適用于各類生產(chǎn)、生活的需要。同時，高錳鋁青銅材料還可加入更多的未知元素，以促進其組織性能，這為學者提供了后續(xù)研究方向。

4 亟待解決的難題

經(jīng)過40多年的研究與發(fā)展，高錳鋁青銅的熔煉工藝一直在不斷改進，熔煉工藝是能夠保證合金良好質(zhì)量的前提，同時也是鑄造合金過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。大量的實驗數(shù)據(jù)和研究發(fā)現(xiàn)，在熔煉制備高錳鋁青銅實驗過程中，研究者一直都關(guān)注以下4個問題：

（1）如何更簡便地除去合金在熔煉過程中產(chǎn)生的其他氣體？

（2）怎樣更好地解決脫氧問題？

（3）合金中的殘渣如何處理？

（4）選擇怎樣的處理工藝？

以上問題直接導致合金的機械性能下降、表面磨損和夾渣氣孔等缺陷，結(jié)合以往的實驗數(shù)據(jù)來看，針對目前這些問題均提出了不少的改進方案，但都只是盡量避免了上述現(xiàn)象的產(chǎn)生，并沒有減少這些改進方案所帶來的影響，所以這些問題值得更多的研究者為之探尋理想的解決方案。

自21世紀以來，不少學者專注于研究稀土元素如何對合金產(chǎn)生影響，通過添加稀土元素來改善合金的組織性能是他們的研究焦點，為了平衡各個元素所帶來的積極效應(yīng)，優(yōu)化合金成分一直是研究目標，但在研究過程中遇到了一些瓶頸，例如：合金的成分優(yōu)化相關(guān)式?jīng)_突，造成合金成分配比無法調(diào)節(jié)、少量研究數(shù)據(jù)不足、耗時耗力等。

5 結(jié)語

高錳鋁青銅材料因其優(yōu)異的特性而引起了人們的廣泛關(guān)注和研究，相對于其他鋁青銅合金來說，高錳鋁青銅合金具備更好的耐腐蝕性、屈服強度、高強韌性和耐熱性等。隨著高錳鋁青銅材料的不斷改善與投入使用，給企業(yè)帶來了明顯的經(jīng)濟效益。一般情況下，高錳鋁青銅材料適用于大部分領(lǐng)域，一定程度上減少了對很多稀缺金屬的使用需求，符合我國資源可持續(xù)發(fā)展策略要求，相信在未來高錳鋁青銅合金材料將被越來越多地應(yīng)用于更多領(lǐng)域。

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收稿日期：2020-08-14

作者簡介：胡柏松（1998—），男，安徽銅陵人，研究方向：增材制造。

通信作者：郭純（1984—），男，安徽宿州人，博士，副教授，研究方向：表面工程、增材制造、焊接。