鋁合金是工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一類(lèi)有色金屬結(jié)構(gòu)材料，通常添加銅、鋅、錳、硅、鎂等元素，密度小、比強(qiáng)度高、耐蝕性和成型性好、成本低。在航空方面，鋁合金可謂是重中之重！大量采用鋁厚板加工而成的復(fù)雜的整體結(jié)構(gòu)件代替以前用很多零件裝配而成的部件，不但能減輕結(jié)構(gòu)重量，提高載重量和航程，而且高強(qiáng)鋁合金還能保證飛機(jī)性能的穩(wěn)定，高強(qiáng)鋁合金主要用于飛機(jī)機(jī)身部件、發(fā)動(dòng)機(jī)艙、座椅、操縱系統(tǒng)等，在大多數(shù)情況下可替代鋁模鍛件。近年來(lái)，由于復(fù)合材料和鈦合金的用量增加，最新設(shè)計(jì)的飛機(jī)中鋁合金的用量相對(duì)減少，但高純、高強(qiáng)、高韌、耐蝕的高性能鋁合金用量卻在增加。

翱翔天空的飛機(jī)

耐熱鋁合金與普通結(jié)構(gòu)合金和高強(qiáng)鋁合金相比合金化程度更高，多用于制備溫度達(dá)200～400℃的靠近電動(dòng)機(jī)的機(jī)艙、空氣交換系統(tǒng)的零件。耐蝕鋁合金具有足夠高的性能指標(biāo)，其強(qiáng)度、塑性、沖擊韌性、疲勞性能和可焊性都很好，主要具有耐蝕性，這樣就可用于水上飛機(jī)。它屬于鋁-鎂系合金和鋁-鎂-鋅系合金。

鋁-鎂-鋅三元相圖

作為飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)的主要材料，鋁合金的發(fā)展與航空事業(yè)的發(fā)展密不可分。下面就讓小編帶大家來(lái)看看航空鋁合金的5個(gè)階段吧。按照鋁合金的成分-工藝-組織-性能特征，可將鋁合金在航空上的發(fā)展歷程大體劃分為5個(gè)階段。

鋁合金發(fā)展的5個(gè)階段

第一代高靜強(qiáng)度鋁合金：1906年，Wilm發(fā)現(xiàn)Al-Cu合金的沉淀硬化現(xiàn)象。揭開(kāi)了高強(qiáng)鋁合金發(fā)展的序幕。1923年，Sander和Meissner又發(fā)現(xiàn)Al-Zn-Mg合金在經(jīng)過(guò)了淬火-人工時(shí)效熱處理后產(chǎn)生的主要強(qiáng)化相MgZn2(η′相)比Al-Cu-Mg系合金中的θ′和S′相尺寸更小、分布更彌散，沉淀硬化效應(yīng)更顯著。此后研發(fā)的2024-T3，7075-T6和7178-T6鋁合金滿足了飛機(jī)最初階段提高強(qiáng)度安全系數(shù)、減輕結(jié)構(gòu)重量和提高航程為目標(biāo)替代木材的靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)需求，成為了第一代高強(qiáng)鋁合金的代表。

飛機(jī)各部位使用的材料

且隨著超音速飛機(jī)的發(fā)展，耐熱鋁合金也不斷發(fā)展，美國(guó)鋁業(yè)公司在20世紀(jì)50年代末期發(fā)展了可用于燃料儲(chǔ)箱和火箭鍛環(huán)的2219合金，其所發(fā)展的2618鋁合金至今仍在軍機(jī)上使用，主要用于制造飛機(jī)的蒙皮、耐熱結(jié)構(gòu)件等。

第二代耐蝕高強(qiáng)鋁合金：鋁合金的疲勞和應(yīng)力腐蝕失效引起的飛機(jī)失事促使飛機(jī)設(shè)計(jì)對(duì)高強(qiáng)鋁合金提出了抗疲勞和耐腐蝕性能的要求。7×××系鋁合金強(qiáng)度級(jí)別比2×××系高，其抗應(yīng)力耐蝕性能差的矛盾突出。在7×××系鋁合金中的過(guò)時(shí)效熱處理技術(shù)使晶界析出相不連續(xù)分布，通過(guò)降低強(qiáng)度從而提高抗應(yīng)力腐蝕性能。之后研發(fā)出的T76熱處理工藝，更好地協(xié)調(diào)了7×××系合金的高強(qiáng)度與耐蝕性能。7075-T73/T76為第二代高強(qiáng)耐腐蝕鋁合金的典型代表。

第三代高強(qiáng)高韌鋁合金：出于對(duì)飛機(jī)安全壽命的考慮，對(duì)航空高強(qiáng)鋁合金提出了對(duì)斷裂韌性的要求，在60年代末期，美國(guó)首先成功研制了低雜質(zhì)含量的7475合金，在具有高強(qiáng)度的同時(shí)，也具有優(yōu)異的斷裂韌性。70 年代初期，在美國(guó)海軍和空軍的支持下，美國(guó)鋁業(yè)公司(Alcoa)研制了低雜質(zhì)含量、并用Zr微合金化的7050合金，歐洲也研制了成分和性能與之相當(dāng)?shù)?010合金。這些高強(qiáng)鋁合金基本上都采用了過(guò)時(shí)效熱處理技術(shù)(如T74和T76)，具有高的強(qiáng)度、高的耐應(yīng)力腐蝕性能和斷裂韌性。換句話來(lái)說(shuō)就是，合金純凈化和微合金化理論和技術(shù)推動(dòng)了第三代高強(qiáng)、高韌鋁合金的發(fā)展。

飛機(jī)機(jī)身出現(xiàn)斷裂

第四代高強(qiáng)高韌耐蝕、高耐損傷鋁合金：上世紀(jì)80年代末至90年代末，鋁合金成分高合金化與優(yōu)化設(shè)計(jì)及組織精確調(diào)控技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了第四代鋁合金的研發(fā)。對(duì)于發(fā)展新一代大型飛機(jī)提出了更高的安全性要求，對(duì)飛機(jī)主體結(jié)構(gòu)破損后的剩余強(qiáng)度以及從初始裂紋到臨界裂紋擴(kuò)展的壽命提出了明確要求，因而對(duì)鋁合金材料的疲勞裂紋擴(kuò)展速率、斷裂韌性、抗應(yīng)力腐蝕性能等提出了更高的綜合要求。到80年代，Alcoa才成功研制了7150-T77材料的三級(jí)時(shí)效精密熱處理技術(shù)。隨后發(fā)展的7055-T77合金其強(qiáng)度比7150-T77合金高約30~50 MPa，而韌性、耐蝕性能相當(dāng)，是目前使用的強(qiáng)度最高的航空鋁合金材料。超強(qiáng)高韌耐蝕的7055-T77合金和高耐損傷的2524-T39合金成功應(yīng)用于B777的上翼壁板和機(jī)身蒙皮，被視為第四代航空鋁合金材料的典型代表。

各因素對(duì)硬度的影響

鋁合金的微合金化在上世紀(jì)90年代后引起了人們的極大興趣。美國(guó)主要開(kāi)發(fā)了Weldlite系列合金和2097，2197和2195等Al-Li合金。2097-T861合金已在F-16飛機(jī)的后機(jī)身隔框、中機(jī)身大梁上應(yīng)用。其具有高強(qiáng)、高損傷容限及高熱穩(wěn)定性，良好的成形和焊接性能。

新一代高強(qiáng)、高韌、低淬火敏感性鋁合金：進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，讓飛機(jī)減重是一個(gè)十分緊迫的難題，這就對(duì)鋁合金材料的規(guī)格/截面厚度、綜合性能以及均勻性都提出了更高要求。最近研發(fā)的低Li含量Al-Cu-Li合金2050和2060體現(xiàn)了新一代高強(qiáng)鋁合金降低密度的發(fā)展趨勢(shì)。厚至152 mm的2050-T851板材，性能不僅優(yōu)于7050-T7451，而且密度更低，強(qiáng)度、韌性、疲勞裂紋擴(kuò)展抗力及耐熱性提高，替代7050合金可減重5%。

Al-Li二元相圖

當(dāng)前航空鋁合金的發(fā)展總體來(lái)說(shuō)，主要是圍繞強(qiáng)度、剛度、耐熱性、可靠性、長(zhǎng)壽命、減重和低成本制造成形技術(shù)等問(wèn)題而開(kāi)展的。為了適應(yīng)飛機(jī)性能對(duì)材料不斷提高的要求，科學(xué)家們也在不斷地改進(jìn)鋁合金工藝以改善其性能。

在提高鋁合金強(qiáng)度剛度方面，目前采取的主要方法有：

（1）提高合金化元素的含量。

（2）對(duì)合金進(jìn)行微合金化，微合金化被認(rèn)為是最有效的強(qiáng)化手段之一。目前較成功的例子是在Al-Mg系和Al-Zn-Mg-Cu系合金中添加Zr、Sc等元素，在含鋰鋁合金中添加Zr、Sc、Zn、Ag等元素。

（3）熱處理，主要是開(kāi)展多級(jí)、分步固溶和時(shí)效處理，在滿足耐蝕性等要求的前提下，盡量提高鋁合金的使用強(qiáng)度。

（4）利用噴射沉積和粉末冶金技術(shù)制備鋁合金，粉末冶金法可以獲得強(qiáng)度很高的鋁合金，但是成本高，不易產(chǎn)生大型構(gòu)件。

噴射成形原理示意圖       

噴射軋制示意圖

在提高鋁合金耐熱性方面，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）對(duì)傳統(tǒng)的2000系鋁合金進(jìn)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、噴射沉積技術(shù)制備高溫鋁合金也取得了重大進(jìn)展。

在提高鋁合金的可靠性和壽命方面，為滿足飛機(jī)設(shè)計(jì)對(duì)鋁合金的斷裂韌度、疲勞性能、耐蝕性等方面的需求，人們做了大量的工作，并且取得了重大進(jìn)展，其主要方法是:

（1）提高合金純度，降低Fe、Si等雜質(zhì)的含量，目前幾乎所有的航空鋁合金都發(fā)展出了對(duì)應(yīng)的高純型。

（2）結(jié)合合金相圖，嚴(yán)格控制合金的成分，減少難熔相、過(guò)剩相數(shù)量，如2524較2024的成分范圍窄得多，基本落在2024的成分范圍之內(nèi)，二者的強(qiáng)度水平完全相同，但是2524合金的斷裂韌度、疲勞性能有大幅度提高。

（3）開(kāi)發(fā)新型熱處理工藝。

2024與2524的合金元素對(duì)比

為解決鋁合金的耐蝕性問(wèn)題，通常采用以下幾種方法：

（1）對(duì)合金進(jìn)行包鋁處理，這種方法可以提高2×××系、7×××系鋁合金的耐蝕性，但是該方法主要對(duì)薄板成形的鈑金件有效。

（2）開(kāi)發(fā)可熱處理強(qiáng)化的耐蝕鋁合金，傳統(tǒng)的耐蝕鋁合金都是不可熱處理強(qiáng)化的Al-Mg系和Al-Mn系合金，為提高鋁合金的強(qiáng)度，逐漸發(fā)展了可熱處理強(qiáng)化的耐蝕鋁合金，如6061、6023、6056以及我國(guó)自己開(kāi)發(fā)的7A33合金等。

（3）表面防護(hù)，主要是采用陽(yáng)極化處理、涂漆、貼膜等技術(shù)處理。

（4）熱處理，除上面提到的7×××系鋁合金的過(guò)時(shí)效處理外，現(xiàn)在人們也在6013、6056等合金中進(jìn)行過(guò)時(shí)效研究，如T78熱處理技術(shù)，并且在一些2×××系合金中也逐漸開(kāi)展過(guò)時(shí)效處理。多級(jí)時(shí)效是提高鋁合金耐蝕性、強(qiáng)度、韌度等綜合性能的有效方法。

鋁合金的減重問(wèn)題包括兩方面，一是減輕鋁合金的自身絕對(duì)重量，二是提高合金的比強(qiáng)度，這樣就可以減小構(gòu)件截面積，從而達(dá)到減重的目的。

常用的減重方法是:

（1）提高合金的比強(qiáng)度，開(kāi)發(fā)高強(qiáng)度合金，如7055、B96以及用噴射沉積法生產(chǎn)的高強(qiáng)度鋁合金等。

（2）開(kāi)發(fā)含鋰鋁合金，因?yàn)長(zhǎng)i是最輕的、可用于鋁合金合金化的金屬元素。

（3）鋁的蜂窩結(jié)構(gòu)或泡沫結(jié)構(gòu)，鋁蜂窩結(jié)構(gòu)在飛機(jī)上的使用很成熟，但是成本較高，因此開(kāi)發(fā)泡沫鋁合金受到人們的重視。

鋁蜂窩結(jié)構(gòu)

泡沫鋁合金筒

在鋁合金低成本制造技術(shù)方面，目前開(kāi)展的主要工作有:

（1）鋁合金的時(shí)效成形和超塑成形。時(shí)效成形，又稱(chēng)蠕變成形或蠕變時(shí)效成形，是為大幅度降低飛機(jī)的制造成本而開(kāi)發(fā)的技術(shù)。

（2）鋁合金的連接。鋁合金的焊接性能總體說(shuō)來(lái)不佳，因此在飛機(jī)上大量采用鉚接結(jié)構(gòu)。另外，人們對(duì)鋁合金的焊后性能存在疑慮，這也大大限制了航空鋁合金焊接技術(shù)的發(fā)展，總體來(lái)說(shuō)，飛機(jī)上的鋁合金焊接結(jié)構(gòu)還很少。

為提高鋁合金焊接性能主要采取的方法是:

（1）開(kāi)發(fā)可焊鋁合金，如6013、1420、Al-Mg-Sc。等合金。

（2）對(duì)常規(guī)鋁合金進(jìn)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）開(kāi)發(fā)新型焊接方法，如攪動(dòng)摩擦焊技術(shù)等。

蠕變時(shí)效成形原理

攪動(dòng)摩擦焊原理圖

現(xiàn)今，鋁合金在大飛機(jī)上的應(yīng)用受到復(fù)合材料和鈦合金的挑戰(zhàn)，但是其作為主體結(jié)構(gòu)材料的地位還沒(méi)有改變。這是因?yàn)殇X合金的抗沖擊性能比復(fù)合材料的要好。鋁合金今后的研究重點(diǎn)主要會(huì)集中在以下幾個(gè)方面：鋁鋰合金、鋁基復(fù)合材料和超塑性成形鋁合金。

鋁鋰合金質(zhì)輕、高強(qiáng)、抗疲勞和低溫韌性好的優(yōu)良性能使其有著廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，鋁鋰合金在向著超強(qiáng)超韌、超低密度化、高強(qiáng)可焊接、低各向異性、較強(qiáng)熱穩(wěn)定性等方向發(fā)展。

鋁基復(fù)合材料由于具有密度小、比強(qiáng)度和比剛度高、比彈性模量大、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好、耐高溫、抗氧化、耐腐蝕、制備工藝靈活等許多優(yōu)點(diǎn)而引起人們的普遍關(guān)注。

一種鋁基復(fù)合材料

超塑性成型（SPF）作為材料研究一個(gè)較新的方向，近年來(lái)發(fā)展很快。特別是對(duì)鋁合金超塑性成型的研究，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者都進(jìn)行了大量工作，發(fā)現(xiàn)許多鋁合金經(jīng)過(guò)特殊的形變熱處理、在一定的變形條件下都會(huì)呈現(xiàn)出優(yōu)異的超塑性性能。鋁合金的超塑性成型是通過(guò)形變熱處理得到的小于10 μm的超細(xì)晶粒，這些超細(xì)晶粒合金在高于半熔點(diǎn)和低應(yīng)變速率條件下能獲得超塑性，可以成形出傳統(tǒng)方法難以獲得的質(zhì)量輕、成本低、形狀復(fù)雜的構(gòu)件，并且具有成形壓力小、模具壽命高、可一次精密成形等許多優(yōu)點(diǎn)。A-300客機(jī)上用于保護(hù)液壓裝置的起落架蓋板采用超塑性成型工藝取代原來(lái)的焊接結(jié)構(gòu)，成本降低一半，且精度得到提高。超塑性成型技術(shù)的應(yīng)用，不僅為鋁合金的開(kāi)發(fā)利用提供了新途徑，而且也是節(jié)約能源、降低成本的有效措施。

B-1B飛機(jī)上的SPF構(gòu)件

航天飛機(jī)上的SPF構(gòu)件

目前世界上生產(chǎn)航空用鋁合金厚板的工廠主要有五家：美國(guó)鋁業(yè)公司（Alcoa）的Davenport軋制廠，加拿大鋁業(yè)公司（Alcan）下屬的Issoire軋制廠，Crous集團(tuán)（Crous Group）的koblenz鋁軋制廠，俄羅斯鋁業(yè)公司（Russian Aluminium-RUAC）的Smara冶金廠，日本神戶鋼鐵公司的真岡軋制廠。美國(guó)鋁業(yè)公司、加拿大鋁業(yè)公司和Crous集團(tuán)是當(dāng)今世界生產(chǎn)民用和軍用飛機(jī)鋁材的三大巨頭。

Alcoa與Alcan公司標(biāo)志

美國(guó)鋁業(yè)公司的航空航天鋁材供應(yīng)量占全球總供應(yīng)量的35%以上，Davenport軋制廠是北美唯一的一家能為民用及軍用飛機(jī)提供鋁合金厚板的廠家，也是世界上最大的航空航天、艦船等用鋁合金板帶材的生產(chǎn)企業(yè)。在民用航空領(lǐng)域，波音公司所用的70%鋁板材和空中客車(chē)公司的一部分鋁板材由它提供。目前它正為世界最大客機(jī)A380生產(chǎn)制造機(jī)翼蒙皮和機(jī)身部件所需的鋁合金板材。

空客A380客機(jī)上的鋁合金部件

中國(guó)目前主要有2個(gè)航空鋁合金厚板生產(chǎn)企業(yè)：東北輕合金有限責(zé)任公司與西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司。在大家熟知的C919項(xiàng)目中，西南鋁為其提供了700t鋁合金材料，C919的前機(jī)身、中機(jī)身、中后機(jī)身、機(jī)頭與機(jī)翼的結(jié)構(gòu)件則幾乎全是用鋁材制造的，C919的鋁制工作總質(zhì)量占飛機(jī)總凈質(zhì)量的65%，但目前中國(guó)的大飛機(jī)C919上國(guó)產(chǎn)材料使用的比例只有5%~6%。

C919大飛機(jī)

國(guó)內(nèi)能夠在不到的60年能取得如此成績(jī)，在此向這一代又一代的鋁加工先行者致以最崇高的敬意，但時(shí)代在進(jìn)步，我們?nèi)孕枧Γ?/p>

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