Các hợp kim nhôm biến dạng hóa bền bằng nhiệt luyện là nhóm vật liệu kết cấu quan trọng, ngày càng được nghiên cứu và phát triển mạnh. Dưới đây sẽtrình bày một sốhệthông dụng và đặc trưng nhất.
a. Hợp kim Al–Cu và Al –Cu–Mg
Các hợp kim hệ này thuộc loại được nghiên cứu, sản xuất và ứng dụng công nghiệp sớm nhất. Sau biến dạng, tôi và hóa già, chúng có hiệu ứng hóa bền rất cao. Trong công nghiệp cònđược gọi là hợp kim Đuyra.
Độhòa tan của các phaθ (CuAl2), và S (CuMgAl2) tăng lên khi tăngnhiệt độ. Do đặc điểm này, có thể dễdàng nhận được dung dịch rắn α quá bão hòa bằng cách tôi. Khi hóa già, phụ thuộc và nhiệt độ và thời gian giữ nhiệt, sự tiết pha xảy ra có thể ở các trạng thái khác nhau như vùng GP, các pha chuyển tiếp giả ổn định θ’, S’ hoặc các phaổn định θ, S kích thước rất nhỏ, phân tán đều trong nền dung dịch rắn α. Tất cảcác pha này đều tạo ra hiệuứng hóa bền đáng kể. Tuy vậy, sựhình thành tổchức gồm hỗn hợp vùng GP với các pha giả ổn định θ’, S’ sẽ cho ta các chỉ tiêu cơ tính lớn nhất
Nếu đảm bảo chế độ tôi và hóa già như nhau, tăng hàm lượng Cu và Mg một cách hợp lý sẽ làm tăng hiệu quả hóa bền do tỷ lệ khối lượng các pha hóa bền trong nền α tăng. Khi thay đổi hàm lượng đồng và magie theo hướng tăng tỷ lệ Mg/Cu độ bền nóng của hợp kim sẽ tăng lên. Sở dĩ như vậy vì tỷ lệ Mg/Cu tăng sẽ kéo theo sự tăng khối lượng pha S và giảm bớt pha θ. Người ta đã xác nhận rằng pha S ổn định nhiệt hơn pha θ, nghĩa là nó tiết ra từdung dịch rắn α ởnhiệt độ cao hơn, tốc độtích tụ nhỏ hơn. Đó chính là nguyên nhân khiến cho các hợp kim Al –Cu – Mg với pha hóa bền là S có thểgiữ được độbền tương đối cao đến khoảng nhiệt độ200 –2500C.
Các tạp chất Fe, Si gây ảnh hưởng xấu đến cơ tính của Đuyra. Chúng có thể tạo ra các pha Cu2FeAl, vừa gây giòn hợp kim do kết tinh ở dạng thô to, vừa làm giảm hiệu quả nhiệt luyện do chiếm giữ một lượng đồng đáng kể cần thiết để tạo pha hóa bền. Trong thực tế người ta cốgắng giảm thấp hàm lượng các tạp chất này, khống chế tỷ lệ của chúng xấp xỉ nhau để tạo ra các pha dạng α, kết tinh thành hạt nhỏ, ít ảnh hưởng đến độdẻo, không làm giảm hiệu quảhóa bền khi tôi và hóa già.
Trên cơ sở Al – Cu – Mg, khi đưa thêm đồng thời Fe và Ni vào theo tỷ lệ 1/1 người ta tạo ra các hợp kim nhôm biến dạng bền nóng.
Ví dụ, hợp kim AlCu2,5Mg1,6NiFeTi có khả năng duy trì cơ tính khá cao, đ ến tận 2300C. Sở dĩ vậy vì trong hợp kim đã hình thành pha ổn định nóng dạng Al9FeNi, gây hóa bền dung dịch rắn α và chỉ tích tụ, lớn lênởnhiệt độtrên 2300C.
có khả năng làm việc rất tốtở vùng 250–3000C bằng cách hợp kim hóa thêm mangan và một lượng nhỏ các hợp kim chuyển tiếp khác như Ti, Zr, V vào hợp kim Al –Cu. Chính các pha T (Al12Mn2Cu) hoặc các pha chứaTi đã duy trì cơ tính hợp kimở mức đáng kểtrong vùng nhiệt độ250–3000C.
Nhược điểm chung của các hợp kim trên cơ sở Al – Cu, Al – Cu – Mg là khả năng chống ăn mòn kém và khó hàn. Nguyên nhân của tính chống ăn mòn kém liên quan với sựcó mặt của pha θ. Nó có thế điện cực khác xa thế điện cực của nền, tạo vi pin ăn mòn, trongđó pha θ đóng vai trò catốt.
Đuyra cũng như các hợp kim chịu nóng nêu trên được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt trong ngành hàng không.
b. Hợp kim Al–Mg–Si
So với những hợp kim nhôm biến dạng hóa bền bằng nhiệt luyện khác, cơ tính các hợp kim hệAl –Mg–Si thuộc loại trung bình nhưng tăng tính hàn và gia công áp lực nóng thì trội hơn hẳn. Thêm nữa chúng rất ổn định chống ăn mòn trong khí quyển và không nhạy cảm với ăn mòn dư ới ứng suất. Người ta sử dụng hợp kim hệ này để chế tạo các chi tiết chịu hàn, các cấu kiện tầu thủy với nhiệt độ làm việc không vượt quá 1500C.
c. Hợp kim hệAl–Zn–Mg và Al–Zn–Mg–Cu
Ngoài dung dịch rắn α trong hệ Al –Zn –Mg còn có các pha trung gian MgZn2 và T (Al2Mg3Zn3). Khi nung nóng, độ hòa tan của MgZn2 và Al2Mg3Zn3 trong α tăng lên rất mạnh. Làm nguội chậm tiếp theo thậm chí nguội trong không khí sẽdễdàng tạo ra dung dịch rắn quá bão hòa.
Hiệu ứng hóa bền khi hóa già tiết pha chủ yếu là trạng thái vùng GP đạt rất lớn. Giới hạn bền đặc biệt là giới hạn chảy tăng lên khi tăng tổng hàm lượng của Zn và Mg. Các hợp kim Al – Zn –Mg chứa nhỏ hơn 8% tổng hàm lượng kẽm và magie có tỷsốnồng độ kẽm so với magie nằm trong khoảng từ 0,77 đến 4 là các hợp kim nhôm hàn. Độ bền mối hàn so với vùng lân cận không chênh lệch nhau và hầu như bằng độ bền hợp kim cơ sở. Những đặc điểm chính của các hợp kim này là khoảng nhiệt độ tôi rất rộng 350 – 5000C, tốc độ tôi tới hạn nhỏ có thểnguội trong không khí độ bền sau hóa già tương đối cao. Những kim loại chuyển tiếp như Cr, Mn, Zr, Ti được đưa vào với hàm lượng nhỏ nhằm nâng cao chất lượng hợp kim đặc biệt là giảm xu hướng nhạy cảm với ăn mòn dướiứng suất.
Khi tăng hàm lượng tổng cộng của kẽm và magie lên 8-11%, đưa thêm vào khoảng 2% Cu sẽ tạo ra nhóm hợp kim nhôm biến dạng có độ bền cao nhất. Vai trò của đồng trong trường hợp này là hòa tan và hóa bền dung dịch rắn α. Các nguyên tố kim loại chuyển tiếp như: Mn, Cr, Zr, Ti đưa vào để làm nhỏ hạt, cải thiện tổ chức vùng biên giới, vừa có tác dụng nâng cao cơ tính, vừa làm giảm xu hướng nhạy cảm
với ăn mòn dưới ứng suất. Họ hợp kim Al – Zn – Mg và Al – Zn – Mg – Cu là đối tượng đang được chú ý nghiên cứu nhiều nhằm khai thác tiềm năng độ bền và tính hàn. Nhược điểm chính của chúng là xu hướng nhạy cảm với ăn mòn dưới ứng suất và thải bền nhanh khi nâng nhiệt độquá 1200C.
Lĩnh vực ứng dụng của họ hợp kim này đang ngày càng mở rộng, ví dụ trong hàng không, chếtạo vũ khí, dụng cụthểthao, vv..
d. Hợp kim Al–Li
Liti là nguyên tố rất nhẹ, khi tạo ra hợp kim Al – Li người ta mong muốn có được vật liệu với độbền riêng lớn. Trong thực tếcác hợp kim chỉgồm Al và Li không đượcứng dụng vì nó bị oxy hóa mạnh và cơ tính không cao. Trên cơ sở Al – Li người ta có thể đưa thêm đồng hoặc magie để tạo ra hợp kim rất có triển vọng ứng dụng trong một số lĩnh vực công nghiệp hiện đại. Ưu điểm nổi bật của các hợp kim này là sau tôi và hóa già có hiệu quả hóa bền khá lớn, đặc biệt mô đun đàn hồi E đạt trị số vượt trội hẳn so với tất cả các hợp kim nhôm khác (76000MPa so với các hợp kim nhôm thông thường là 70000MPa).
Nếu thêm đồng thì hợp kim sẽ gồm các phaα, θ (CuAl2), AlLi, T (AlxLixCuz). Hiệu ứng hóa bền khi nhiệt luyện khá lớn vì các pha θ (CuAl2), AlLi, T (AlxLixCuz) đều có khả năng hòa tan vàoα khi nung và tiết ra ở dạng trung gian phân tán khi hóa già. Ví dụ sau nhiệt luyện hóa bền, hợp kim AlCu5Li1,2 chứa 5,3%Cu; 1,2%Li; 0,6%Mn; 0,15%Cd có các chỉ tiêu cơ tính như sau: σb = 560MPa; σ0,2= 510MPa; E = 76000MPa.
Trường hợp thay đồng bằng 5%Mg ta có hợp kim AlMg5Li2. Đây là một trong số các hợp kim nhôm nhẹnhất, khối lượng riêng bằng 2,7g/cm3. Sau nhiệt luyện hóa bền, do sự tiết ra ở dạng trung gian phân tán của các pha AlLi và T (AlxMgyLiz), các chỉ tiêu có tính có thể đạt: σb= 560MPa, σ0,2= 290 MPa, ψ = 11% và E = 76000MPa.
Sử dụng hợp kim nhôm – liti còn bị hạn chế vì công nghệ nấu luyện tương đối phức tạp do sựoxy hóa rất mạnh, giá thành đắt.
Tuy vậy cùng với sự tiến bộ của công nghệ, sự xuất hiện các phương pháp chế tạo vật liệu mới như vật liệu bột, vật liệu composit,… từcác hợp kim nhôm– liti có độ bền riêng cao, mô đun đàn hồi lớn, hoàn toàn có thểchếtạo các vật liệu kết cấu giá trị và đầy triển vọng.