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铝合金材料发展，主要7xxx系及铝锂合金在航天航空中的应用

创业 2025-01-21 10:23 重庆

铝合金在飞机上主要是用作结构材料，如：蒙皮、框架、螺旋桨、油箱、壁板和起落架支柱等。铝合金在航天航空中的应用开发可分为几个阶段：50 年代主要目标是减重和提高合金比刚度、比强度；60～70年代主要目标是提高合金耐久性和损伤容限，开发出 7XXX 系合金 T73 和 T76 热处理制度、7050 合金和高纯合金；80年代由于燃油价格上涨而要求进一步减轻结构重量；90年代至今，铝合金的发展目标是进一步减重，并进一步提高合金的耐久性和损伤容限。例如开发出高强、高韧高抗腐蚀性能的新型铝合金，大量采用厚板加工成复杂的整体结构部件代替以前用很多零件装配的部件，不但能减轻结构重量，而且可保证性能的稳定。要实现这一点要开发出低内应力的厚板材料。

1 航天航空用铝合金铸件

在现代飞机结构件中，利用了1500～2000种铝铸件，根据飞机不同的使用条件和部位，主要用了三种基本的铝合金：即高强铝合金、耐热铝合金、耐蚀铝合金。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。高强铝合金在俄罗斯主要是铝-铜系合金，在美国主要利用铝-铜-锰系。铝-铜系合金零件主要采用沙模铸造生产。耐热铝合金零件主要用于靠近电动机的机舱、空气交换系统等。此处的温度达到200～400℃。与普通结构合金和高强合金相比，该合金具有合金化程度高的优点，属铝-铜-镍系合金。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。

2 航天航空用大型挤压型材

2.1 主要特点和用途

随着科学技术的进步，铝合金型材正向着大型化、整体化、薄壁扁宽化、尺寸高精化、形状复杂化方向发展，应用范围已由民用型材料推广到航天航空用型材，大型型材的主要特点有：①大型化和整体化；②薄壁化和轻量化；③断面尺寸和形位公差精密化；④组织性能的均匀化与优质化。由于大型型材具有以上特点，给挤压加工带来了一系列困难。航天航空用大型挤压型材主要有：整体带筋壁板、工字大梁、机翼大梁、梳状型材、空心大梁型材等。主要用作飞机、宇宙飞船等航天航空器的受力结构部件以及直升飞机异形空心旋翼大梁和飞机跑道等。

2.2 大型挤压型材常用合金

①低强度铝合金：工业纯铝、3A21、5005、5A02、5A03、5086 等热处理后不强化，其半成品在退火状态下和冷作硬化后使用。

②中强度铝合金分为两组：热处理不可强化铝合金（5A05、5A06、5B06）和热处理可强化铝合金（6A02、2A70、2A06）等。

③高强度铝合金7A04和2A12在热处理时可急剧强化。

3 航空航天用铝合金厚板

铝合金厚板是现代航天航空工业重要的结构材料，目前发达国家铝工业界不断开发出性能优异的新型铝合金厚板，其中有以下几种常用合金，其一是 7075-T7651 铝合金厚板，它具有高的强度、良好的韧性、抗应力性能和抗剥落腐蚀性能，它属于铝-锌-镁-铜系超硬铝合金，其广泛应用于飞机框架、整体壁板、起落架、蒙皮等。其二是7055 超硬铝合金，它是目前变形铝合金中强度最高的合金，美国铝业公司生产的7075-T77合金板材强度比7150的高出10％，比7075 高出30％，而且断裂韧性较好，抗疲劳裂纹扩展能力强。铝合金厚板作为航天航空用材料具有很好的综合性能，但也存在淬火残余应力，残余应力的存在严重影响着材料的后续加工及其应用，尤其是用作承受交变载荷的结构件或在腐蚀环境下工作时，残余应力是造成材料过早失效甚至造成严重事故的一个主要原因。因此研究消除残余应力的方法是十分重要的。

4 铝-锂合金在航天航空工业中的应用

自1924年，第一个含锂的铝合金Sclreoul(Al-12Zn-3 Cu-0.6Mn-0.1Li)诞生以来，铝锂合金已经有70年的历史，70 年来，铝锂合金历经了艰难和波折，冲破了层层障碍，已经走向了工业生产和应用。

50年代，美国对铝锂合金产生兴趣，Alcoa公司克服了其熔炼上的难点，于 1957年生产出了含锂 1.1％的铝锂合金，命名为2020合金。1958年美国航空公司对其做了首次评估，就塑性、韧性问题进行了评估。次年将其用于海军警戒机的机翼皮和尾翼水平安定面。减重效益6％，先后服役20 年，未发现腐蚀、应力腐蚀、疲劳破坏等问题。60年代，美国航空界开始采用USAF 航空损伤容限设计准则，2020合金因缺口敏感性高和断裂韧性低而难以被接受，于1969年放弃该合金。2020合金失败的另一个原因是技术先进性不够，锂含量仅 1％，比重下降 3％和刚度提高6％的幅度有限，加之铜的含量达 4.5％，合金的比重仍较高。

正当美国铝锂合金研究降温时，原苏联开始了铝锂合金的研究，研制出独特的1420合金（Al-Li-Mg-Zr）系，锂含量达到 1.5%～2.6％，含镁达4%～7％，比2020合金的比重更低而弹性模量更高，1971年用于航空器，逐步扩大到苏 27、米格25、米格29、舰载飞机图204 等多种飞机上，1420合金成功的另一个重要的原因是具有优良的焊接性，可采用氩弧焊、电子束焊、离子焊和电阻焊焊接，材料本生减重效益12％，用焊接代替铆接，省去了连接固件和密封胶圈减重效益12％。后来在1420的基础上又进一步研究出1421、1423、1424等合金，强度明显改善，且抗蚀性更佳、焊接性更优。目前，俄罗斯已初步形成了一个包括可焊、中强、高强的铝锂合金系列，铝锂合金已经成为俄罗斯最重要的航天航空用轻合金之一。与复合材料、钛合金一同构成了新型航天航空新材料的三足鼎立局面。

70年代末期，铝锂合金的研究再度受到西方重视，其原因有四个方面：一是石油危机冲击了航空界，为了减轻重量以降低航运成本，对高强度、高弹性模量、低比重材料的需求更加迫切。二是受复合材料发展的冲击，需研究新型的铝合金。三是原苏联成功地将铝合金用于军用飞机的刺激。四是新合金系的出现，使铝锂合金的技术优势进一步显示出来。这样西欧于 80 年代初推出809合金2091合金，用于取代2024合金，与此同时美国推出了高强型的2090合金，作为7075合金的换代产品。这些合金的共同特点是：有较高的锂含量（2％～ 3％），比2020合金的弹性模量更高而比重更低，同时他们都含有少量的锆，在未再结晶强织构状态下使用未再结晶强织构状态下使用。 80年代末西方国家已基本完成了铝锂合金的制造技术研究，拥有工业化生产能力，形成一个初步的铝合金系列，研究的重点转入应用方面。

4.1 铝锂合金的种类、特性及用途

铝锂合金具有低的密度、高的比强度和比刚度，用其代替常规的高强度铝合金可使构件质量减轻 10％～20％，刚度提高15％～20％，国外现有20多个牌号的铝锂合金可进行工业化生产，并可提供各种形式的半成品件（特性见表 1）。

中强可焊铝锂合金1420是一种低密度、中等强度、耐蚀又可焊的航天航空用结构件。主要用于中厚板、薄板、型棒材及锻件等多种结构件生产。中强铝锂合金还有2091，它有较好的低温韧性和抗应力腐蚀性，主要用于高速飞行器的壳体、低温容器和战斗机后隔框等。高强度铝锂合金主要以铜为主强化元素的2000系铝锂合，它不仅具有高强度、高模量、可焊性、低比重的优点，并在耐热性、抗蚀性等方面显著优于以锌为主强化元素的7000系普通铝合金。主要用于航天飞机超轻储箱、机身内部承受高载荷的部件、火箭的燃烧和液氧容器等，同时中强和高强铝锂合金分别取代了2XXX以及7XXX等合金在航天航空工业中使用。

4.2 铝锂合金的生产

因锂的熔点低，又比铝轻得多，这给熔制合金过程中加锂带来了困难，如果加锂时保护不好，锂浮到液面上燃烧，会引起合金的烧损，使合金中锂的成分更难控制。因锂的比重很小，加入铝中易引起成分偏析，增加烧制合金的难度。铝锂合金在铸造时容易发生合金氧化，也容易发生破坏性爆炸事故，因此熔铸铝锂合金不能采用传统的铝合金生产工艺和装备。铝锂合金的组织层状化，铝锂合金的未结晶晶粒结构亦称为层状组织，其强化韧性的原理是利用扁平未再结晶晶粒结构减轻沿晶开裂的危害并得到特殊的韧化机制。层状组织的主要不足是横短向性能偏低。本文摘自《铝加工》2009年03期作者：张钰

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