航空航天高强铝合金材料应用现状及发展趋势.docx

航空航天高强铝合金材料应用现状及发展趋势超高强铝合金一般指屈服强度在500MPa以上的铝合金，常见的就是牌号为7系列的超硬铝。该系列铝合金最初是在航空航天的应用背景下研发的，目前已发展成为世界各国军、民用飞机的主要结构材料，在飞机结构件中占到70-80%比重，并在很多领域替代了昂贵的钛合金，成为不可缺少的重要轻质结构材料。随着现代航空航天领域，核工业，交通运输业的持续发展，对结构件的综合性能提出了更高的要求，集质轻、高强、高韧、高断裂韧性、抗应力腐蚀能力于一身的新一代超高强铝合金无疑是首选方案。航空航天用铝合金发展背景及现状铝合金作为一种较为成熟的轻质高强合金材料在航空航天中的使用量巨大，铝合金材料一般作为结构材料使用，比钢有更高的比强度和更优异的加工性能。航空航天领域主要发展高强、高韧性和耐腐蚀性强的铝合金材料以满足航空航天严苛的使用条件，应用比较多的为2000系和7000系铝合金，在高强铝合金的基础上进行工艺的改良和材料配方的改进，通过粉末冶金、喷射成型等创新的生产工艺发展性能更优异的轻质铝合金材料，开展铝基复合材料及超塑性铝合金材料相关研究。在轻质高强铝合金的发展应用过程中，应力腐蚀问题是伴随铝合金的整个应用发展史之中的主要问题，如何削弱或延缓高强度铝合金在使用过程中的应力腐蚀问题，成为铝合金应用过程中的主要难题。在航空航天领域应用较多的有2000系铝合金的主体成分主要是铝（Al铜（CU）、镁（Mg）3种元素,7000系的铝合金主要成分是Ak锌（Zn）、Mg、Cu元素，还有一些通过加入一些特殊元素获得的高性能（高强、高韧、耐腐蚀性能）铝合金材料。目前，获得高性能铝合金材料的主要方法是通过改变熔铸条件实现。2000系铝合金主要以Cu为主要的合金元素，铝合金材料中加入适量的Cu元素制备的合金在强度、耐热性、加工性能上会有更好的提升，但耐腐蚀性能会降低，因为Cu元素的引入会使铝合金内部更容易呈现晶间腐蚀，材料组成元素直接影响着铝合金的性能。因此，对于2000系的铝合金一般都在表面做纯铝或6000系铝合金包覆处理作为本体铝合金的电化学保护膜，提高其耐腐蚀的性能。后来学者对于不同牌号铝合金提高应力腐蚀性能的方法进行了很多研究，在一定程度上延缓了铝合金的应力腐蚀的程度。铝合金材料是确保飞机安全飞行的重要部件材料，不同部位铝合金材料的选型及性能预测直接关系到飞机的安全可靠性，预测航空铝合金材料的失效问题直接关系到生命安全，需要引起广泛重视。性能优异的高强铝合金主要应用在航空航天及军事领域，因为航空航天及军用类产品对减重的要求极高，高比强度的材料是航空航天的优选材料，在飞机用铝材中000系高强高韧铝合金和2000系中强高韧铝合金起着重要作用。1.国外航空航天用铝合金材料发展情况2000系铝合金的耐温性优良,主要用于航空航天耐高温部件中，优异的耐温性主要是因为2000系铝合金内部具有复杂的化学组胡口相组成,能够在高温状态下保持良好的强度稳定性和工艺性能，多用于150250。C温度范围内工作的耐热零件和耐热可焊接的结构件及锻件。2000系合金中存在铁（Fe）和硅（Si）的杂质，这2种杂质的存在会生出粗大的杂质相，严重影响断裂韧性和短横向力学性能。因此,研究人员从调整合金元素含量和降低Fe.Si杂质相的考虑出发，提高2000系铝合金的强度和韧性并通过加入银（Ni）元素的方法提高铝合金的耐热性能，通过调节Cu的含量来改善铝合金材料的焊接性能。对于薄壁的铝合金材料主要提高其耐损伤容限性能，对于厚壁的铝合金材料主要提高其耐应力腐蚀的性能和韧性，通过铝合金最后的应用场合的不同调节元素含量和热处理方法找到最优异的匹配材料。7000系铝合金以Zn最为主要添加元素，通过热处理可强化铝合金的韧性，合金中加入Mg元素后可以提高它的热变形性能并扩大淬火范围,改变热处理条件可以改善强度、焊接性和耐腐蚀性，但Mg元素的引入使得铝合金的应力腐蚀倾向严重,因此,7000系铝合金属于高强可焊且应力腐蚀敏感度高的合金。而加入Cu元素的Al/Zn/Mg/Cu合金则具有更高的强度，属于超高强铝合金，屈服强度与拉伸强度十分接近，屈强比和比强度都很高，但塑性较差,且在高温下的强度较低，经常用于使用温度低于120。C的承力结构件。7000系铝合金的加工性能优异、耐蚀性和高韧性使其成为航空航天的主要结构材料。国际上早在19世纪20年代就认识到了铝合金中加入Mg、Zn后共同热处理具有强化效果，但是出现较严重的应力腐蚀开裂问题，可通过添加微量的铝（Cr）.镒（Mn）、铝（MO）改善应力腐蚀开裂的问题，并实现在舰载战斗机上的大量应用。尤其在1943年美国开发的7075合金首次应用到B-29型轰炸机上给飞机结构和性能带来了革命性的变化Eil后7000系铝合金如雨后春笋一样被各国效仿及开发,被大量应用于高端制造产品中。20世纪60年代美国在7075铝合金的基础上进行改良开发出了更强、更韧更抗应力腐蚀的7050合金,主要用到F-18的抗压结构件中，随后又开发出了7150合金,用于制造波音757/767及空客A301等民用大飞机的上翼结构。20世纪80年代，美国等在7150基础上成功研制7055合金，强度比7150高约10%具有较高的综合性能用于波音777客机的上翼蒙皮、机翼桁条。为提高安全性及可靠性，飞机设计选材由追求高静强度法逐渐向高损伤容限法转变，要求铝合金材料应该具备更高的断裂韧性值和更高的抗应力腐蚀开裂值，在铝合金材料的设计和热处理工艺研究中都需要着重考虑提高断裂韧性值和抗应力腐蚀开裂值。7系铝合金在应用过程中的主要问题是高强度与应力腐蚀敏感性的矛盾关系，学者们做出了大量研发来解决高强度铝合金应力腐蚀敏感性强的问题,通过改变元素组成、热处理工艺及形变热处理等方法不断改善7系铝合金的应力腐蚀敏感性，各国都做出了大量的研究，积累了大量的数据，也取得了一定的成果。大体上铝合金的发展方向是从高强、低韧到高强、高韧再到高强、高韧、耐腐蚀发展的,热处理状态开发沿着T6到T73到T76到T736到T77发展，合金化程度越来越高，Fe、Si等杂质含量越来越低，微量过渡族元素添加越来越合理，最终综合提升合金整体性能。2.国内铝合金研制现状我国对于高强高韧铝合金的研究起步较晚，始于20世纪60年代，起初主要以仿制美国为主，主要对美国的2000系和7000系合金进行了仿制，有2014、2024、2324、2525、7075、7001、7475、7055合金等。近些年来，我国不断加大高强铝合金的研发力度，集中优势科研院所和企业形成合力，组织广西南南铝加工有限公司、东北轻合金有限责任公司、中南大学、东北大学、上海交通大学、北京航空材料研究院、有色金属院等完成了一系列国家重大课题，取得了较好的成果，基本具备了高强铝合金材料的批量生产能力，满足国家重大工程对高强铝合金材料的应用需求。3.我国与国际先进水平的差距及发展方向在我国，铝合金材料虽然经过多年发展，但与国际先进水平相比仍存在不小的差距。具体表现为：一是产品多为仿制，全面自主知识产权的铝合金材料还没有，还未建立生产铝合金材料的标准体系；二是基础研究薄弱，开发时间短，数据积累不足；三是生产加工设备落后，产品质量管控体系不健全。鉴于此，未来我国铝合金材料的发展方向应为：1）改变组成元素含量和配比；2）开发对应不同性能需求的铝合金材料配方，通过改变凝固外场条件,提高合金元素固溶量，改善铝合金性能，通过添加如错（Zr）.铳（Sc）、银（Er）等元素采用微合金化方法改善铝合金性能；3）进一步提纯合金，减少Fe.Si等杂质，控制杂质含量,生产高韧性高强度铝合金材料;4）研发新的热处理工艺技术，对不同性能要求的铝合金建立不同的热处理工艺卡片，建立相应的技术标准规范体系，保证不同牌号铝合金的工艺稳定性。3高强铝合金在航空航天领域应用情况铝合金因其优异的性能，成为航空航天装备的主要结构材料，铝合金的发展过程主要经历了5代。第1代铝合金，通过时效硬化处理得到高静强度的铝合金，主要应用在运一5和轰一5中；第2代铝合金，通过过时效处理工艺得到的高强耐蚀的铝合金，主要应用在运一6、轰一6、歼11、运一8等军机中；第3代铝合金，以高纯为基础，生产高纯度的铝合金，具有高强高韧耐蚀的优异性能，主要应用到歼-10、枭龙、ARJ21中；第4代铝合金，通过精确控制多尺度第2相为基础的工艺得到超强高韧耐腐蚀抗疲劳的铝合金，主要用在ARJ21和大运机中；第5代铝合金在研产品，研制具有高淬透性的高综合性能铝合金，主要应用在大型航空航天运载工具中。随着材料技术的不断攻关，高性能材料在航空航天工艺的发展中不断迭代，新材料的涌现不断倒逼传统材料技术前进，铝材在性能、规格方面面临着极大的挑战，要求铝合金材料更高强、更轻质、更可靠和更长寿，具备极端环境下的服役性能、高强高韧耐腐蚀耐疲劳，加工后低残余应力的大规格高性能材料。通过控制热处理工艺、精确调控材料微观组织等方法来提高铝合金的综合性能，满足航空航天工业发展对材料的苛刻要求。这就需要我们应用最新的国际国内的科研成果,加工高精密的铝合金材料（薄板连铸连轧、电磁铸造、快速凝固、流变铸造、喷射沉积、深冷加工等工艺）满足高端应用场景对高强铝合金的需求。1.铝合金在航空领域的主要应用在航空装备中，不同部位对于铝合金材料的选材具有精确的选型要求。飞机上不同部位应用的铝合金主要有2X24,7X75,7X5X等，随着铝合金材料工艺的不断改进，在飞机不同部位的应用牌号也在不断调整（见表1）。表1飞机不同部位铝合金牌号应用发展历程20M纪年代20粒出70年代ioIyeIw年2）就纪9«年代机身量皮2O24T32(Cm2m2524T3机身机头、桐条7O75T737475T76oxr1147IM1177机务框.埃.WIK2O24T3.7O7>T73224T8X,TOMHZ2i24Wi,7OMJT742197T8M.71M1177O73T732024Wi.TOM)T7670Mr76,71X>T61松3T77MK上桁.修条7D75T737O5OT717i50T6lTOSST77机It卜发皮2O24T37475T73.2024T32G24T32>24T3机翼卜桁、蚣条2O24T32O24T3.2224T35112O24T3.222<35II2Sm2224T33llW%.KM707m70M114.7010T74ToMrr74.7OIQT747iX)T77.7O85T74.7O8>T6高强铝合金材料在波音747客机上的应用主要是采用7075T6和2024T3材料较多。在波音777客机上采用的主要铝合金牌号为7055T77.7150T77和2X24T3；在空客A380上用的先进铝合金为7055/7449/7085/2024/6013/5076等合金，下机身壁板及上机身壁板都采用了铝合金材料，其他大部分则是采用碳纤维复合材料进行减重。国产大飞机ARJ21中主要应用的铝合金材料牌号主要为2X24、7050、7175.7075等。不管在在民机还是军机中用材结构比例仍然主要以铝合金材料为主，铝合金在材料成本、工艺稳定性、综合力学性能等方面仍具有不可替代的优势。航空领域飞机的铝合金应用牌号及热处理状态汇总见表2o表2飞机常用铝合金一览表IMWA火阳位£Mt*心麻庭小优帆。量龙和饿丁.限舱.油通.船口名，Kle帆耗而付2024ttT331,T4,TS312219兀有”川为室温以度和*二入惬.熊