ganggouren
"转自："
铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，通常添加铜、锌、锰、硅、镁等元素，密度小、比强度高、耐蚀性和成型性好、成本低。在航空方面，铝合金可谓是重中之重！大量采用铝厚板加工而成的复杂的整体结构件代替以前用很多零件装配而成的部件，不但能减轻结构重量，提高载重量和航程，而且高强铝合金还能保证飞机性能的稳定，高强铝合金主要用于飞机机身部件、发动机舱、座椅、操纵系统等，在大多数情况下可替代铝模锻件。近年来，由于复合材料和钛合金的用量增加，最新设计的飞机中铝合金的用量相对减少，但高纯、高强、高韧、耐蚀的高性能铝合金用量却在增加。
翱翔天空的飞机
耐热铝合金与普通结构合金和高强铝合金相比合金化程度更高，多用于制备温度达200～400℃的靠近电动机的机舱、空气交换系统的零件。耐蚀铝合金具有足够高的性能指标，其强度、塑性、冲击韧性、疲劳性能和可焊性都很好，主要具有耐蚀性，这样就可用于水上飞机。它属于铝-镁系合金和铝-镁-锌系合金。
铝-镁-锌三元相图
铝合金在航空上的发展历程
作为飞机机体结构的主要材料，铝合金的发展与航空事业的发展密不可分。下面就让小编带大家来看看航空铝合金的5个阶段吧。按照铝合金的成分-工艺-组织-性能特征，可将铝合金在航空上的发展历程大体划分为5个阶段。
铝合金发展的5个阶段
第一代高静强度铝合金：1906年，Wilm发现Al-Cu合金的沉淀硬化现象。揭开了高强铝合金发展的序幕。1923年，Sander和Meissner又发现Al-Zn-Mg合金在经过了淬火-人工时效热处理后产生的主要强化相MgZn2(η′相)比Al-Cu-Mg系合金中的θ′和S′相尺寸更小、分布更弥散，沉淀硬化效应更显著。此后研发的2024-T3，7075-T6和7178-T6铝合金满足了飞机最初阶段提高强度安全系数、减轻结构重量和提高航程为目标替代木材的静强度设计需求，成为了第一代高强铝合金的代表。
飞机各部位使用的材料
且随着超音速飞机的发展，耐热铝合金也不断发展，美国铝业公司在20世纪50年代末期发展了可用于燃料储箱和火箭锻环的2219合金，其所发展的2618铝合金至今仍在军机上使用，主要用于制造飞机的蒙皮、耐热结构件等。
第二代耐蚀高强铝合金：铝合金的疲劳和应力腐蚀失效引起的飞机失事促使飞机设计对高强铝合金提出了抗疲劳和耐腐蚀性能的要求。7×××系铝合金强度级别比2×××系高，其抗应力耐蚀性能差的矛盾突出。在7×××系铝合金中的过时效热处理技术使晶界析出相不连续分布，通过降低强度从而提高抗应力腐蚀性能。之后研发出的T76热处理工艺，更好地协调了7×××系合金的高强度与耐蚀性能。7075-T73/T76为第二代高强耐腐蚀铝合金的典型代表。
第三代高强高韧铝合金：出于对飞机安全寿命的考虑，对航空高强铝合金提出了对断裂韧性的要求，在60年代末期，美国首先成功研制了低杂质含量的7475合金，在具有高强度的同时，也具有优异的断裂韧性。70 年代初期，在美国海军和空军的支持下，美国铝业公司(Alcoa)研制了低杂质含量、并用Zr微合金化的7050合金，欧洲也研制了成分和性能与之相当的7010合金。这些高强铝合金基本上都采用了过时效热处理技术(如T74和T76)，具有高的强度、高的耐应力腐蚀性能和断裂韧性。换句话来说就是，合金纯净化和微合金化理论和技术推动了第三代高强、高韧铝合金的发展。
飞机机身出现断裂
第四代高强高韧耐蚀、高耐损伤铝合金：上世纪80年代末至90年代末，铝合金成分高合金化与优化设计及组织精确调控技术的发展推动了第四代铝合金的研发。对于发展新一代大型飞机提出了更高的安全性要求，对飞机主体结构破损后的剩余强度以及从初始裂纹到临界裂纹扩展的寿命提出了明确要求，因而对铝合金材料的疲劳裂纹扩展速率、断裂韧性、抗应力腐蚀性能等提出了更高的综合要求。到80年代，Alcoa才成功研制了7150-T77材料的三级时效精密热处理技术。随后发展的7055-T77合金其强度比7150-T77合金高约30~50 MPa，而韧性、耐蚀性能相当，是目前使用的强度最高的航空铝合金材料。超强高韧耐蚀的7055-T77合金和高耐损伤的2524-T39合金成功应用于B777的上翼壁板和机身蒙皮，被视为第四代航空铝合金材料的典型代表。
各因素对硬度的影响
铝合金的微合金化在上世纪90年代后引起了人们的极大兴趣。美国主要开发了Weldlite系列合金和2097，2197和2195等Al-Li合金。2097-T861合金已在F-16飞机的后机身隔框、中机身大梁上应用。其具有高强、高损伤容限及高热稳定性，良好的成形和焊接性能。
新一代高强、高韧、低淬火敏感性铝合金：进入21世纪以来，让飞机减重是一个十分紧迫的难题，这就对铝合金材料的规格/截面厚度、综合性能以及均匀性都提出了更高要求。最近研发的低Li含量Al-Cu-Li合金2050和2060体现了新一代高强铝合金降低密度的发展趋势。厚至152 mm的2050-T851板材，性能不仅优于7050-T7451，而且密度更低，强度、韧性、疲劳裂纹扩展抗力及耐热性提高，替代7050合金可减重5%。
Al-Li二元相图
铝合金加工工艺
当前航空铝合金的发展总体来说，主要是围绕强度、刚度、耐热性、可靠性、长寿命、减重和低成本制造成形技术等问题而开展的。为了适应飞机性能对材料不断提高的要求，科学家们也在不断地改进铝合金工艺以改善其性能。
在提高铝合金强度刚度方面，目前采取的主要方法有：
（1）提高合金化元素的含量。
（2）对合金进行微合金化，微合金化被认为是最有效的强化手段之一。目前较成功的例子是在Al-Mg系和Al-Zn-Mg-Cu系合金中添加Zr、Sc等元素，在含锂铝合金中添加Zr、Sc、Zn、Ag等元素。
（3）热处理，主要是开展多级、分步固溶和时效处理，在满足耐蚀性等要求的前提下，尽量提高铝合金的使用强度。
（4）利用喷射沉积和粉末冶金技术制备铝合金，粉末冶金法可以获得强度很高的铝合金，但是成本高，不易产生大型构件。
喷射成形原理示意图
喷射轧制示意图
在提高铝合金耐热性方面，主要方法有：
（1）在一些低合金化的Al-Cu-Mg合金中添加少量的Fe和Ni。
（2）对传统的2000系铝合金进行微合金化，如在Al-Cu-Mg合金中添加少量的Ag。
（3）采用粉末冶金法、喷射沉积技术制备高温铝合金也取得了重大进展。
在提高铝合金的可靠性和寿命方面，为满足飞机设计对铝合金的断裂韧度、疲劳性能、耐蚀性等方面的需求，人们做了大量的工作，并且取得了重大进展，其主要方法是:
（1）提高合金纯度，降低Fe、Si等杂质的含量，目前几乎所有的航空铝合金都发展出了对应的高纯型。
（2）结合合金相图，严格控制合金的成分，减少难熔相、过剩相数量，如2524较2024的成分范围窄得多，基本落在2024的成分范围之内，二者的强度水平完全相同，但是2524合金的断裂韧度、疲劳性能有大幅度提高。
（3）开发新型热处理工艺。
2024与2524的合金元素对比
为解决铝合金的耐蚀性问题，通常采用以下几种方法：
（1）对合金进行包铝处理，这种方法可以提高2×××系、7×××系铝合金的耐蚀性，但是该方法主要对薄板成形的钣金件有效。
（2）开发可热处理强化的耐蚀铝合金，传统的耐蚀铝合金都是不可热处理强化的Al-Mg系和Al-Mn系合金，为提高铝合金的强度，逐渐发展了可热处理强化的耐蚀铝合金，如6061、6023、6056以及我国自己开发的7A33合金等。
（3）表面防护，主要是采用阳极化处理、涂漆、贴膜等技术处理。
（4）热处理，除上面提到的7×××系铝合金的过时效处理外，现在人们也在6013、6056等合金中进行过时效研究，如T78热处理技术，并且在一些2×××系合金中也逐渐开展过时效处理。多级时效是提高铝合金耐蚀性、强度、韧度等综合性能的有效方法。
铝合金的减重问题包括两方面，一是减轻铝合金的自身绝对重量，二是提高合金的比强度，这样就可以减小构件截面积，从而达到减重的目的。
常用的减重方法是:
（1）提高合金的比强度，开发高强度合金，如7055、B96以及用喷射沉积法生产的高强度铝合金等。
（2）开发含锂铝合金，因为Li是最轻的、可用于铝合金合金化的金属元素。
（3）铝的蜂窝结构或泡沫结构，铝蜂窝结构在飞机上的使用很成熟，但是成本较高，因此开发泡沫铝合金受到人们的重视。
铝蜂窝结构
泡沫铝合金筒
在铝合金低成本制造技术方面，目前开展的主要工作有:
（1）铝合金的时效成形和超塑成形。时效成形，又称蠕变成形或蠕变时效成形，是为大幅度降低飞机的制造成本而开发的技术。
（2）铝合金的连接。铝合金的焊接性能总体说来不佳，因此在飞机上大量采用铆接结构。另外，人们对铝合金的焊后性能存在疑虑，这也大大限制了航空铝合金焊接技术的发展，总体来说，飞机上的铝合金焊接结构还很少。
为提高铝合金焊接性能主要采取的方法是:
（1）开发可焊铝合金，如6013、1420、Al-Mg-Sc。等合金。
（2）对常规铝合金进行微合金化，如在7010合金添加Ag、Sc等元素，使之焊接性能提高。
（3）开发新型焊接方法，如搅动摩擦焊技术等。
蠕变时效成形原理
搅动摩擦焊原理图
铝合金的发展趋势
现今，铝合金在大飞机上的应用受到复合材料和钛合金的挑战，但是其作为主体结构材料的地位还没有改变。这是因为铝合金的抗冲击性能比复合材料的要好。铝合金今后的研究重点主要会集中在以下几个方面：铝锂合金、铝基复合材料和超塑性成形铝合金。
铝锂合金质轻、高强、抗疲劳和低温韧性好的优良性能使其有着广泛的应用。近年来，铝锂合金在向着超强超韧、超低密度化、高强可焊接、低各向异性、较强热稳定性等方向发展。
铝基复合材料由于具有密度小、比强度和比刚度高、比弹性模量大、导电导热性好、耐高温、抗氧化、耐腐蚀、制备工艺灵活等许多优点而引起人们的普遍关注。
一种铝基复合材料
超塑性成型（SPF）作为材料研究一个较新的方向，近年来发展很快。特别是对铝合金超塑性成型的研究，国内外许多学者都进行了大量工作，发现许多铝合金经过特殊的形变热处理、在一定的变形条件下都会呈现出优异的超塑性性能。铝合金的超塑性成型是通过形变热处理得到的小于10 μm的超细晶粒，这些超细晶粒合金在高于半熔点和低应变速率条件下能获得超塑性，可以成形出传统方法难以获得的质量轻、成本低、形状复杂的构件，并且具有成形压力小、模具寿命高、可一次精密成形等许多优点。A-300客机上用于保护液压装置的起落架盖板采用超塑性成型工艺取代原来的焊接结构，成本降低一半，且精度得到提高。超塑性成型技术的应用，不仅为铝合金的开发利用提供了新途径，而且也是节约能源、降低成本的有效措施。
B-1B飞机上的SPF构件
航天飞机上的SPF构件
世界著名航空用铝合金生产企业
目前世界上生产航空用铝合金厚板的工厂主要有五家：美国铝业公司（Alcoa）的Davenport轧制厂，加拿大铝业公司（Alcan）下属的Issoire轧制厂，Crous集团（Crous Group）的koblenz铝轧制厂，俄罗斯铝业公司（Russian Aluminium-RUAC）的Smara冶金厂，日本神户钢铁公司的真冈轧制厂。美国铝业公司、加拿大铝业公司和Crous集团是当今世界生产民用和军用飞机铝材的三大巨头。
Alcoa与Alcan公司标志
美国铝业公司的航空航天铝材供应量占全球总供应量的35%以上，Davenport轧制厂是北美唯一的一家能为民用及军用飞机提供铝合金厚板的厂家，也是世界上最大的航空航天、舰船等用铝合金板带材的生产企业。在民用航空领域，波音公司所用的70%铝板材和空中客车公司的一部分铝板材由它提供。目前它正为世界最大客机A380生产制造机翼蒙皮和机身部件所需的铝合金板材。
空客A380客机上的铝合金部件
中国目前主要有2个航空铝合金厚板生产企业：东北轻合金有限责任公司与西南铝业（集团）有限责任公司。在大家熟知的C919项目中，西南铝为其提供了700t铝合金材料，C919的前机身、中机身、中后机身、机头与机翼的结构件则几乎全是用铝材制造的，C919的铝制工作总质量占飞机总净质量的65%，但目前中国的大飞机C919上国产材料使用的比例只有5%~6%。
C919大飞机
国内能够在不到的60年能取得如此成绩，在此向这一代又一代的铝加工先行者致以最崇高的敬意，但时代在进步，我们仍需努力！
-THE END-
来源：航空制造网，如有侵权，请与我们联系删除。
