W含量对Al-W合金微观组织及力学性能的影响

张明新，刘 杰，刘利辉，韩 旭，谢春明，韩 伟，孟另柱，于兴德，董惊涛

(天津那诺机械制造有限公司 天津 300457)

随着世界经济的发展以及对各种能源的依赖，轻质量、高性能已经成为当今工业领域的追求，这一特点在航天航空及汽车等交通运输装备的发展方向上尤为明显[1-2]。其中，发展轻质量、高强度的材料已经成为趋势，而铝合金作为轻金属，其密度低、导热性能好，成为当今人们替换钢铁的首选材料[3-4]。新型耐热铝合金是指在快速凝固技术基础上发展起来的耐热铝合金。此类合金多以 Al-Fe、Al-Cr、Al-Ti为基础，再适当添加 V、Mn、Nb、W、Zr、Mo、Ce等具有极小平衡极限固溶度和固态扩散系数的过渡族元素，经快速凝固后产生过饱和固溶体，在随后的热加工过程中，细小弥散的亚稳强化相析出，可延缓晶界的迁移，使得合金具有较好的高温强度[5-7]。由于 W 具有高熔点和良好的热稳定性，已经在镍基高温合金中获得成功应用，成为提高镍基合金高温性能的主要元素之一，但是在铝合金中 W 的应用不多[8-9]。本文针对高温、高强铝合金的发展趋势，将 W 引入到铝合金中，主要研究W含量对Al合金组织及性能的影响，以期为后续的高温铝合金的设计与开发提供基础性的参考。

1 实验材料及设备

本实验采用纯铝、纯钨，利用高温电弧熔炼炉熔炼出钨含量为 3%,、5%,、7%,、9%,的 4 组 Al-W 二元合金，在 Olympus激光共聚焦显微镜下观测金相组织，HB-3000B型布氏硬度计测量合金硬度，ML-100磨粒磨损试验机测试合金耐磨性。

2 结果及分析

2.1 不同W含量时合金的微观组织

不同W含量合金的微观组织见图1。

图1 铸态条件下的Al-W合金的组织Fig.1 As-cast Al-W alloy organization

由图 1可以看出，铝钨合金的微观组织中，暗黑色的 α-Al基体上分布着银白色的块状析出物。结合Al-W 二元相图以及所设计的合金成分，银白色块状物应该为 Al12W。随着 W含量的增加，Al12W的数量逐渐增多，当W含量低于7%,时，Al12W的分布较为均匀；当 W含量达到 9%,时，Al12W 的尺寸较大，且偏聚较为严重。从图 1还可以看出，中间相主要分布在晶界处，因为晶界处能量较高，处于不稳定状态，中间相容易形核并且长大。熔炼温度为1,150,℃，在浇注的过程中温度在不断降低，当温度降到697,℃的时候按包晶转变生成Al12W。

2.2 不同W含量时合金的力学性能

对不同W含量的合金进行硬度测试后得到不同合金硬度值(见表1)和钨含量-合金硬度关系曲线(见图 2)。

表1 不同W含量合金的布氏硬度Tab.1 BH of Alloy with different W contents

图2 铸态下钨元素含量与布氏硬度的关系曲线Fig.2 Curve of as-cast tungsten element content with BH

由表1和图2可见，随钨含量的增加，铸态合金的硬度有所提高。但是当W含量达到7%,时，合金硬度最大为24.9,HB，W含量继续增加时合金的硬度值却有所降低。理论上，铸态合金中第二相 Al12W 含量所占比例越大，第二相越多且分布越均匀，合金的硬度就越高。从铸态微观组织分析可知，当 W 含量低于 7%,时 Al12W 分布比较均匀，W 含量达到 9%,时 Al12W 尺寸较大并且发生偏聚比较严重，所以当W含量低于7%,时合金的硬度不断增大，之后由于偏聚导致硬度下降。硬度值出现反常现象可能是由于下述原因所致：在熔炼及铸造过程中，第二相 Al12W分布不均匀，导致偏聚较大，进而影响合金的硬度。总体上说，随W含量的提高，合金的硬度值增大。

不同钨含量时合金的磨损性能见表2和图3。

表2 不同钨含量合金的磨损量Tab.2 Abrasion loss of alloys with different W contents

根据表2中不同 W 含量合金的磨损数据，得到W含量与单位面积磨损量之间的关系曲线(见图3)。

图3 钨含量与单位面积磨损量的关系曲线Fig.3 Curve of As-cast tungsten content with abrasion loss per unit area

由表2和图3可以看出，当W含量低于7%,时，试样的耐磨性能随着 W 含量增加逐渐增强，当钨含量大于 7%,的时候，试样单位面积磨损量有所增大。分析其原因如下：当合金中W含量小于7%,时，随W含量增多，合金中的 Al12W 逐渐增多，因此合金的耐磨性增强；当 W 含量超过 9%,时，合金中 Al12W尺寸较大且分布不均匀，粗大相在磨损过程中容易剥落，导致耐磨性下降。

3 结 论

W 含量对合金的铸态组织有较大影响，随着 W含量的增加，Al12W 的数量逐渐增多，当 W 含量低于 7%,时，Al12W 的分布较为均匀，当 W 含量达到9%,时，Al12W的尺寸较大，且偏聚较为严重。

W含量对合金的硬度有较大影响，随W含量增加合金的硬度先增加后减小，W含量为7%,时合金的硬度值最大，为24.9,HB。

W含量对合金耐磨性有较大影响，随W含量增加，合金的耐磨性增强，当 W 含量达到 7%,时，合金的耐磨性最好。