高溫用急冷鋁合金粉末與薄帶之特性分析

Abstract

本研究之主要目的在探討高溫用急冷鋁合金Al-Cr-Zr-X粉末與薄帶之微結 構及其高溫穩定性。本研究發現，以霧化法製備之急冷Al-Cr-Zr合金粉末 之結構可分為：無特徵區(存在小粉末中)、微胞狀與胞狀─枝狀組織區( 存在中等粉末中)、及析出區(存在粗大粉末中)。經由電子顯微鏡之觀察 ，發現此霧化粉末中有四種析出物：極微細粒子集結團、球狀粒子、環狀 析出物及花狀析出物。本研究探討粉末之結構、化學組成、結構相及生成 機構，發現粉末之結構與粉末大小、局部化學成份及其熱歷程密切相關 Al-Cr-Zr合金之高溫強化相為L12-Al3Zr粒子；此一強化相可經由時效處 理在鋁基地中均質成核析出。析出粒子成長理論指出，粒子成長速率正比 於該相在基地中的界面能與擴散流量(DC0)之乘積。若鋁合金中的強化粒 子具有低的DC0值，則其粗化速率低,具有較好的穩定性。鋯原子在鋁基地 中的擴散流量(DC0)為所有過渡性元素中最低者。但是L12-Al3Zr相在鋁基 地中的界面能卻比某些 L12-Al3X相高。經由正確的選擇第四合金元素X， 可在Al-Cr-Zr-X合金中形成L12-Al3(Zr,X)析出強化相，此強化相具有比 L12-Al3Zr更低的界面能，且鋯原子仍為此相之成長控制元素。因此， Ll2-Al3(Zr,X)之成長速率比Al2-Al3Zr低，也因此而更穩定，進而提高鋁 合金之使用溫度。本實驗在Al-Cr-Zr急冷合金薄帶中添加B、Co、Mn、Nb 、Ni、Ti、Y等元素作為第四合金元素。實驗結果顯示，不同第四元素之 添加對合金薄帶在製程、結構及熱穩定性皆造成顯著之影響。藉由檢測其 機械性質及微觀結構在高溫下的變化，發現Al-Cr-Zr-Nb及Al-Cr-Zr-Ti系 列最適宜發展成高溫用鋁合金。此二系列合金分別可在375℃及350℃下維 持穩定之結構與性質。實驗數據經由LSW理論之計算，發現其析出強化相 L12-Al3(Zr0.67Nb0.33)及 L12-Al3(Zr0.6Ti0.4)在鋁基地中的界面能分 別為13 mJ/m2與36 mJ/m2。