鋁合金是工業(yè)中應用最廣泛的一類有色金屬結(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，而且高強鋁合金還能保證飛機性能的穩(wěn)定，高強鋁合金主要用于飛機機身部件、發(fā)動機艙、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，由于復合材料和鈦合金的用量增加，最新設計的飛機中鋁合金的用量相對減少，但高純、高強、高韌、耐蝕的高性能鋁合金用量卻在增加。

翱翔天空的飛機

耐熱鋁合金與普通結(jié)構(gòu)合金和高強鋁合金相比合金化程度更高，多用于制備溫度達200～400℃的靠近電動機的機艙、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，其強度、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。它屬于鋁-鎂系合金和鋁-鎂-鋅系合金。

鋁-鎂-鋅三元相圖

作為飛機機體結(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看看航空鋁合金的5個階段吧。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個階段。

鋁合金發(fā)展的5個階段

第一代高靜強度鋁合金：1906年，Wilm發(fā)現(xiàn)Al-Cu合金的沉淀硬化現(xiàn)象。揭開了高強鋁合金發(fā)展的序幕。1923年，Sander和Meissner又發(fā)現(xiàn)Al-Zn-Mg合金在經(jīng)過了淬火-人工時效熱處理后產(chǎn)生的主要強化相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，沉淀硬化效應更顯著。此后研發(fā)的2024-T3，7075-T6和7178-T6鋁合金滿足了飛機最初階段提高強度安全系數(shù)、減輕結(jié)構(gòu)重量和提高航程為目標替代木材的靜強度設計需求，成為了第一代高強鋁合金的代表。

飛機各部位使用的材料

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

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

第三代高強高韌鋁合金：出于對飛機安全壽命的考慮，對航空高強鋁合金提出了對斷裂韌性的要求，在60年代末期，美國首先成功研制了低雜質(zhì)含量的7475合金，在具有高強度的同時，也具有優(yōu)異的斷裂韌性。70 年代初期，在美國海軍和空軍的支持下，美國鋁業(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?shù)?010合金。這些高強鋁合金基本上都采用了過時效熱處理技術(如T74和T76)，具有高的強度、高的耐應力腐蝕性能和斷裂韌性。換句話來說就是，合金純凈化和微合金化理論和技術推動了第三代高強、高韌鋁合金的發(fā)展。

飛機機身出現(xiàn)斷裂

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

各因素對硬度的影響

鋁合金的微合金化在上世紀90年代后引起了人們的極大興趣。美國主要開發(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飛機的后機身隔框、中機身大梁上應用。其具有高強、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、高韌、低淬火敏感性鋁合金：進入21世紀以來，讓飛機減重是一個十分緊迫的難題，這就對鋁合金材料的規(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)了新一代高強鋁合金降低密度的發(fā)展趨勢。厚至152 mm的2050-T851板材，性能不僅優(yōu)于7050-T7451，而且密度更低，強度、韌性、疲勞裂紋擴展抗力及耐熱性提高，替代7050合金可減重5%。

Al-Li二元相圖

當前航空鋁合金的發(fā)展總體來說，主要是圍繞強度、剛度、耐熱性、可靠性、長壽命、減重和低成本制造成形技術等問題而開展的。為了適應飛機性能對材料不斷提高的要求，科學家們也在不斷地改進鋁合金工藝以改善其性能。

在提高鋁合金強度剛度方面，目前采取的主要方法有：

（1）提高合金化元素的含量。

（2）對合金進行微合金化，微合金化被認為是最有效的強化手段之一。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，主要是開展多級、分步固溶和時效處理，在滿足耐蝕性等要求的前提下，盡量提高鋁合金的使用強度。

（4）利用噴射沉積和粉末冶金技術制備鋁合金，粉末冶金法可以獲得強度很高的鋁合金，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）對傳統(tǒng)的2000系鋁合金進行微合金化，如在Al-Cu-Mg合金中添加少量的Ag。

（3）采用粉末冶金法、噴射沉積技術制備高溫鋁合金也取得了重大進展。

在提高鋁合金的可靠性和壽命方面，為滿足飛機設計對鋁合金的斷裂韌度、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)展出了對應的高純型。

（2）結(jié)合合金相圖，嚴格控制合金的成分，減少難熔相、過剩相數(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）開發(fā)新型熱處理工藝。

2024與2524的合金元素對比

為解決鋁合金的耐蝕性問題，通常采用以下幾種方法：

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

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

（3）表面防護，主要是采用陽極化處理、涂漆、貼膜等技術處理。

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

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

常用的減重方法是:

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

（2）開發(fā)含鋰鋁合金，因為Li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)在飛機上的使用很成熟，但是成本較高，因此開發(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方面，目前開展的主要工作有:

（1）鋁合金的時效成形和超塑成形。時效成形，又稱蠕變成形或蠕變時效成形，是為大幅度降低飛機的制造成本而開發(fā)的技術。

（2）鋁合金的連接。鋁合金的焊接性能總體說來不佳，因此在飛機上大量采用鉚接結(jié)構(gòu)。另外，人們對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的發(fā)展，總體來說，飛機上的鋁合金焊接結(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）開發(fā)可焊鋁合金，如6013、1420、Al-Mg-Sc。等合金。

（2）對常規(guī)鋁合金進行微合金化，如在7010合金添加Ag、Sc等元素，使之焊接性能提高。

（3）開發(fā)新型焊接方法，如攪動摩擦焊技術等。

蠕變時效成形原理

攪動摩擦焊原理圖

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

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

鋁基復合材料由于具有密度小、比強度和比剛度高、比彈性模量大、導電導熱性好、耐高溫、抗氧化、耐腐蝕、制備工藝靈活等許多優(yōu)點而引起人們的普遍關注。

一種鋁基復合材料

超塑性成型（SPF）作為材料研究一個較新的方向，近年來發(fā)展很快。特別是對鋁合金超塑性成型的研究，國內(nèi)外許多學者都進行了大量工作，發(fā)現(xiàn)許多鋁合金經(jīng)過特殊的形變熱處理、在一定的變形條件下都會呈現(xiàn)出優(yōu)異的超塑性性能。鋁合金的超塑性成型是通過形變熱處理得到的小于10 μm的超細晶粒，這些超細晶粒合金在高于半熔點和低應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。A-300客機上用于保護液壓裝置的起落架蓋板采用超塑性成型工藝取代原來的焊接結(jié)構(gòu)，成本降低一半，且精度得到提高。超塑性成型技術的應用，不僅為鋁合金的開發(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飛機上的SPF構(gòu)件

航天飛機上的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（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。美國鋁業(yè)公司、加拿大鋁業(yè)公司和Crous集團是當今世界生產(chǎn)民用和軍用飛機鋁材的三大巨頭。

Alcoa與Alcan公司標志

美國鋁業(yè)公司的航空航天鋁材供應量占全球總供應量的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)。在民用航空領域，波音公司所用的70%鋁板材和空中客車公司的一部分鋁板材由它提供。目前它正為世界最大客機A380生產(chǎn)制造機翼蒙皮和機身部件所需的鋁合金板材。

空客A380客機上的鋁合金部件

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

C919大飛機

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

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