航空航天鋁合金材料發(fā)展方向及工藝處理

作者|iVacuum 來源|iVacuum真空聚焦(ID：iVacuum)

超高強鋁合金一般指屈服強度在500MPa以上的鋁合金，常見的就是牌號為7系列的超硬鋁。該系列鋁合金最初是在航空航天的應用背景下研發(fā)的，目前已發(fā)展成為世界各國軍、民用飛機的主要結(jié)構材料，在飛機結(jié)構件中占到70-80%比重，并在很多領域替代了昂貴的鈦合金，成為不可缺少的重要輕質(zhì)結(jié)構材料。隨著現(xiàn)代航空航天領域，核工業(yè)，交通運輸業(yè)的持續(xù)發(fā)展，對結(jié)構件的綜合性能提出了更高的要求，集質(zhì)輕、高強、高韌、高斷裂韌性、抗應力腐蝕能力于一身的新一代超高強鋁合金無疑是首選方案。

航空航天用鋁合金發(fā)展背景及現(xiàn)狀  

鋁合金作為一種較為成熟的輕質(zhì)高強合金材料在航空航天中的使用量巨大，鋁合金材料一般作為結(jié)構材料使用，比鋼有更高的比強度和更優(yōu)異的加工性能。

航空航天領域主要發(fā)展高強、高韌性和耐腐蝕性強的鋁合金材料以滿足航空航天嚴苛的使用條件，應用比較多的為2000系和7000系鋁合金，在高強鋁合金的基礎上進行工藝的改良和材料配方的改進，通過粉末冶金、噴射成型等創(chuàng)新的生產(chǎn)工藝發(fā)展性能更優(yōu)異的輕質(zhì)鋁合金材料，開展鋁基復合材料及超塑性鋁合金材料相關研究。

在輕質(zhì)高強鋁合金的發(fā)展應用過程中，應力腐蝕問題是伴隨鋁合金的整個應用發(fā)展史之中的主要問題，如何削弱或延緩高強度鋁合金在使用過程中的應力腐蝕問題，成為鋁合金應用過程中的主要難題。

在航空航天領域應用較多的有2000系鋁合金的主體成分主要是鋁(Al)、銅(Cu)、鎂(Mg)3種元素，7000系的鋁合金主要成分是Al、鋅(Zn)、Mg、Cu元素，還有一些通過加入一些特殊元素獲得的高性能(高強、高韌、耐腐蝕性能)鋁合金材料。目前，獲得高性能鋁合金材料的主要方法是通過改變?nèi)坭T條件實現(xiàn)。

2000系鋁合金主要以Cu為主要的合金元素，鋁合金材料中加入適量的Cu元素制備的合金在強度、耐熱性、加工性能上會有更好的提升，但耐腐蝕性能會降低，因為Cu元素的引入會使鋁合金內(nèi)部更容易呈現(xiàn)晶間腐蝕，材料組成元素直接影響著鋁合金的性能。因此，對于2000系的鋁合金一般都在表面做純鋁或6000系鋁合金包覆處理作為本體鋁合金的電化學保護膜，提高其耐腐蝕的性能。后來學者對于不同牌號鋁合金提高應力腐蝕性能的方法進行了很多研究，在一定程度上延緩了鋁合金的應力腐蝕的程度。

鋁合金材料是確保飛機安全飛行的重要部件材料，不同部位鋁合金材料的選型及性能預測直接關系到飛機的安全可靠性，預測航空鋁合金材料的失效問題直接關系到生命安全，需要引起廣泛重視。

性能優(yōu)異的高強鋁合金主要應用在航空航天及軍事領域，因為航空航天及軍用類產(chǎn)品對減重的要求極高，高比強度的材料是航空航天的優(yōu)選材料，在飛機用鋁材中，7000系高強高韌鋁合金和2000系中強高韌鋁合金起著重要作用。

1 國外航空航天用鋁合金材料發(fā)展情況

2000系鋁合金的耐溫性優(yōu)良，主要用于航空航天耐高溫部件中，優(yōu)異的耐溫性主要是因為2000系鋁合金內(nèi)部具有復雜的化學組成和相組成，能夠在高溫狀態(tài)下保持良好的強度穩(wěn)定性和工藝性能，多用于150～250℃溫度范圍內(nèi)工作的耐熱零件和耐熱可焊接的結(jié)構件及鍛件。

2000系合金中存在鐵(Fe)和硅(Si)的雜質(zhì)，這2種雜質(zhì)的存在會生出粗大的雜質(zhì)相，嚴重影響斷裂韌性和短橫向力學性能。因此，研究人員從調(diào)整合金元素含量和降低Fe、Si雜質(zhì)相的考慮出發(fā)，提高2000系鋁合金的強度和韌性并通過加入鎳(Ni)元素的方法提高鋁合金的耐熱性能，通過調(diào)節(jié)Cu的含量來改善鋁合金材料的焊接性能。對于薄壁的鋁合金材料主要提高其耐損傷容限性能，對于厚壁的鋁合金材料主要提高其耐應力腐蝕的性能和韌性，通過鋁合金最后的應用場合的不同調(diào)節(jié)元素含量和熱處理方法找到最優(yōu)異的匹配材料。

7000系鋁合金以Zn最為主要添加元素，通過熱處理可強化鋁合金的韌性，合金中加入Mg元素后可以提高它的熱變形性能并擴大淬火范圍，改變熱處理條件可以改善強度、焊接性和耐腐蝕性，但Mg元素的引入使得鋁合金的應力腐蝕傾向嚴重，因此，7000系鋁合金屬于高強可焊且應力腐蝕敏感度高的合金。而加入Cu元素的Al/Zn/Mg/Cu合金則具有更高的強度，屬于超高強鋁合金，屈服強度與拉伸強度十分接近，屈強比和比強度都很高，但塑性較差，且在高溫下的強度較低，經(jīng)常用于使用溫度低于120℃的承力結(jié)構件。

7000系鋁合金的加工性能優(yōu)異、耐蝕性和高韌性使其成為航空航天的主要結(jié)構材料。國際上早在19世紀20年代就認識到了鋁合金中加入Mg、Zn后共同熱處理具有強化效果，但是出現(xiàn)較嚴重的應力腐蝕開裂問題，可通過添加微量的鉻(Cr)、錳(Mn)、鉬(Mo)改善應力腐蝕開裂的問題，并實現(xiàn)在艦載戰(zhàn)斗機上的大量應用。尤其在1943年美國開發(fā)的7075合金首次應用到B-29型轟炸機上，給飛機結(jié)構和性能帶來了革命性的變化，隨后7000系鋁合金如雨后春筍一樣被各國效仿及開發(fā)，被大量應用于高端制造產(chǎn)品中。

20世紀60年代美國在7075鋁合金的基礎上進行改良，開發(fā)出了更強、更韌更抗應力腐蝕的7050合金，主要用到F-18的抗壓結(jié)構件中，隨后又開發(fā)出了7150合金，用于制造波音757/767及空客A301等民用大飛機的上翼結(jié)構。20世紀80年代，美國等在7150基礎上成功研制7055合金，強度比7150高約10%，具有較高的綜合性能，用于波音777客機的上翼蒙皮、機翼桁條。

為提高安全性及可靠性，飛機設計選材由追求高靜強度法逐漸向高損傷容限法轉(zhuǎn)變，要求鋁合金材料應該具備更高的斷裂韌性值和更高的抗應力腐蝕開裂值，在鋁合金材料的設計和熱處理工藝研究中都需要著重考慮提高斷裂韌性值和抗應力腐蝕開裂值。

7系鋁合金在應用過程中的主要問題是高強度與應力腐蝕敏感性的矛盾關系，學者們做出了大量研發(fā)來解決高強度鋁合金應力腐蝕敏感性強的問題，通過改變元素組成、熱處理工藝及形變熱處理等方法不斷改善7系鋁合金的應力腐蝕敏感性，各國都做出了大量的研究，積累了大量的數(shù)據(jù)，也取得了一定的成果。

大體上鋁合金的發(fā)展方向是從高強、低韌到高強、高韌再到高強、高韌、耐腐蝕發(fā)展的，熱處理狀態(tài)開發(fā)沿著T6到T73到T76到T736到T77發(fā)展，合金化程度越來越高，F(xiàn)e、Si等雜質(zhì)含量越來越低，微量過渡族元素添加越來越合理，最終綜合提升合金整體性能。

2 、國內(nèi)鋁金研制現(xiàn)狀

我國對于高強高韌鋁合金的研究起步較晚，始于20世紀60年代，起初主要以仿制美國為主，主要對美國的2000系和7000系合金進行了仿制，有2014、2024、2324、2525、7075、7001、7475、7055合金等。近些年來，我國不斷加大高強鋁合金的研發(fā)力度，集中優(yōu)勢科研院所和企業(yè)形成合力，組織廣西南南鋁加工有限公司、東北輕合金有限責任公司、中南大學、東北大學、上海交通大學、北京航空材料研究院、有色金屬院等完成了一系列國家重大課題，取得了較好的成果，基本具備了高強鋁合金材料的批量生產(chǎn)能力，滿足國家重大工程對高強鋁合金材料的應用需求。

3、我國與國際先進水平的差距及發(fā)展方向

在我國，鋁合金材料雖然經(jīng)過多年發(fā)展，但與國際先進水平相比仍存在不小的差距。具體表現(xiàn)為：一是產(chǎn)品多為仿制，全面自主知識產(chǎn)權的鋁合金材料還沒有，還未建立生產(chǎn)鋁合金材料的標準體系;二是基礎研究薄弱，開發(fā)時間短，數(shù)據(jù)積累不足;三是生產(chǎn)加工設備落后，產(chǎn)品質(zhì)量管控體系不健全。鑒于此，未來我國鋁合金材料的發(fā)展方向應為：

1) 改變組成元素含量和配比;

2) 開發(fā)對應不同性能需求的鋁合金材料配方，通過改變凝固外場條件，提高合金元素固溶量，改善鋁合金性能，通過添加如鋯(Zr)、鈧(Sc)、鉺(Er)等元素采用微合金化方法改善鋁合金性能;

3) 進一步提純合金，減少Fe、Si等雜質(zhì)，控制雜質(zhì)含量，生產(chǎn)高韌性高強度鋁合金材料;

4) 研發(fā)新的熱處理工藝技術，對不同性能要求的鋁合金建立不同的熱處理工藝卡片，建立相應的技術標準規(guī)范體系，保證不同牌號鋁合金的工藝穩(wěn)定性。

  高強鋁合金在航空航天領域應用情況  

鋁合金因其優(yōu)異的性能，成為航空航天裝備的主要結(jié)構材料，鋁合金的發(fā)展過程主要經(jīng)歷了5代。

第1代鋁合金，通過時效硬化處理得到高靜強度的鋁合金，主要應用在運—5和轟—5中;第2代鋁合金，通過過時效處理工藝得到的高強耐蝕的鋁合金，主要應用在運—6、轟—6、殲—11、運—8等軍機中;第3代鋁合金，以高純?yōu)榛A，生產(chǎn)高純度的鋁合金，具有高強高韌耐蝕的優(yōu)異性能，主要應用到殲—10、梟龍、ARJ21中;第4代鋁合金，通過精確控制多尺度第2相為基礎的工藝得到超強高韌耐腐蝕抗疲勞的鋁合金，主要用在ARJ21和大運機中;第5代鋁合金在研產(chǎn)品，研制具有高淬透性的高綜合性能鋁合金，主要應用在大型航空航天運載工具中。

隨著材料技術的不斷攻關，高性能材料在航空航天工藝的發(fā)展中不斷迭代，新材料的涌現(xiàn)不斷倒逼傳統(tǒng)材料技術前進，鋁材在性能、規(guī)格方面面臨著極大的挑戰(zhàn)，要求鋁合金材料更高強、更輕質(zhì)、更可靠和更長壽，具備極端環(huán)境下的服役性能、高強高韌耐腐蝕耐疲勞，加工后低殘余應力的大規(guī)格高性能材料。通過控制熱處理工藝、精確調(diào)控材料微觀組織等方法來提高鋁合金的綜合性能，滿足航空航天工業(yè)發(fā)展對材料的苛刻要求。這就需要我們應用最新的國際國內(nèi)的科研成果，加工高精密的鋁合金材料(薄板連鑄連軋、電磁鑄造、快速凝固、流變鑄造、噴射沉積、深冷加工等工藝)滿足高端應用場景對高強鋁合金的需求。

1 鋁合金在航空領域的主要應用

在航空裝備中，不同部位對于鋁合金材料的選材具有精確的選型要求。飛機上不同部位應用的鋁合金主要有2X24,7X75,7X5X等，隨著鋁合金材料工藝的不斷改進，在飛機不同部位的應用牌號也在不斷調(diào)整(見表1)。

表1 飛機不同部位鋁合金牌號應用發(fā)展歷程

高強鋁合金材料在波音747客機上的應用主要是采用7075T6和2024T3材料較多。在波音777客機上采用的主要鋁合金牌號為7055T77、7150T77和2X24T3;在空客A380上用的先進鋁合金為7055/7449/7085/2024/6013/5076等合金，下機身壁板及上機身壁板都采用了鋁合金材料，其他大部分則是采用碳纖維復合材料進行減重。國產(chǎn)大飛機ARJ21中主要應用的鋁合金材料牌號主要為2X24、7050、7175、7075等。不管在在民機還是軍機中用材結(jié)構比例仍然主要以鋁合金材料為主，鋁合金在材料成本、工藝穩(wěn)定性、綜合力學性能等方面仍具有不可替代的優(yōu)勢。

航空領域飛機的鋁合金應用牌號及熱處理狀態(tài)匯總見表2。

表2 飛機常用鋁合金一覽表

2 鋁合金在航天領域的應用

鋁合金在航空航天領域的運載火箭上應用較多，主要牌號是7075、20X4、2219等，發(fā)動機裝置、主體部件、旋轉(zhuǎn)臺、遙控部分等主要是鋁合金7075，如液氧槽主要為2219，20X4主要用于衛(wèi)星流線型外罩和控溫閥部件等。此外，載人飛行器的骨架是用2024和7075鋁合金制作而成，因為這兩種鋁合金強度高，質(zhì)量輕，厚度薄。鋁合金板材在這些物體上也屢被運用，比如防護板、安全裝置、推進器等。

航空鋁合金材料工藝技術  

鋁合金最后的終端使用場景與整個生產(chǎn)工藝過程直接相關，不同的應用場景取決于生產(chǎn)工藝即加工工藝的過程控制。

1 熱處理工藝

鋁合金材料的綜合性能提升出材料成分配比，很大程度上取決于生產(chǎn)過程中的工藝技術參數(shù)控制，適宜的熱處理方式可以很大程度上影響鋁合金材料的綜合性能，因此對于不同性能要求的鋁合金應研發(fā)適宜的熱處理技術以提高鋁合金材料的綜合性能。

采用高溫均勻化退火工藝處理鋁合金，可以使時效強化相和殘留的非平衡相最大程度固溶到基體中，并使其均勻分布，提高固溶后的固溶體濃度，達到提高時效強化的效果，同時針對大型鋁合金鍛件的組合熱處理工藝即熱變形與中間高溫均勻化及高溫固溶處理工藝進行整個熱處理過程的參數(shù)設計，可以在提高強度的同時提高應力腐蝕性能。

一般鋁合金的固溶處理工藝分為2種：常規(guī)固溶處理和復合固溶處理，其中，復合固溶處理是指強化固溶及高溫預析出的處理。在前期的鑄錠階段采用常溫處理+低溫處理的均勻化退火工藝，可控制過渡族元素的析出，而過渡族元素對再結(jié)晶有明顯的抑制作用，可一定程度上提高合金亞結(jié)構強化效果，進而提高合金的斷裂韌性及抗應力腐蝕性能并能夠有效減弱材料的各向異性。

高強鋁合金的熱處理中的時效處理對鋁合金的性能也有著至關重要的作用，時效處理主要有3種形式，峰值時效、雙極時效和回歸再時效。研制時效處理方式的目標也是使鋁合金更高強、更高韌、更高的耐腐蝕和抗疲勞等高綜合性能，熱處理狀態(tài)開發(fā)則沿著T6到T73到T76到T736到T77的方向發(fā)展，時效處理方式則是從峰值時效發(fā)展到過時效再到回歸再時效處理進行順序發(fā)展。

時效溫度和時間對時效強化的效果都有影響，不同的時效處理工藝可以直接影響鋁合金的抗拉強度、屈服強度、延伸率及晶間腐蝕等級。早在1989年，美國Alcoa公司用T77的熱處理狀態(tài)命名注冊并申報了第一個RRA處理工藝規(guī)范，這也是首個可工業(yè)應用的熱處理工藝規(guī)范，此工藝規(guī)范可用作7150鋁合金的熱處理工藝操作指導，此種工藝生產(chǎn)的7150鋁合金厚板和擠壓件被大量應用到C—17軍用運輸機上，在我國，采用T77熱處理技術的高性能鋁合金關鍵技術還在研制過程中，尚未產(chǎn)業(yè)化應用。

熱處理過程中還包括形變熱處理，形變熱處理是通過熱塑性變形和熱處理相結(jié)合的工藝過程，采用形變熱處理可用于改善過渡沉淀相的分布狀態(tài)及合金內(nèi)部的精細結(jié)構，合理的形變熱處理可以使鋁合金獲得較高的強韌性及耐腐蝕性。形變熱處理工藝早在1981年即被提出出來，主要應用于宇航結(jié)構合金，性變熱處理對于改善7050、7475合金力學性能具有明顯的效果。

在我國，鋁合金的熱處理工藝僅有100余種，距離國外的370余種還有很大的距離，應加大開發(fā)熱處理工藝的力度，縮短鋁合金基礎熱處理技術與發(fā)達國家的距離。

2 高強鋁合金擠壓型材生產(chǎn)工藝

高強鋁合金在應用過程中有多種形式，主要有鋁型材、鋁板、3D打印粉末等形式。其中，鋁合金型材具有質(zhì)輕高強、焊接工藝成熟等優(yōu)異特點，鋁型材可作為大型的結(jié)構承載件在航空航天和軌道交通領域大量應用。鋁型材的生產(chǎn)工藝主要采用連續(xù)拉擠成型工藝以提高生產(chǎn)效率并進行一定的預應力取向，提高型材的力學性能。在鋁型材的擠壓過程中，多擠壓周期的連續(xù)擠壓方式中，相鄰2根擠壓坯料間會形成界面，使得該界面在型材中的延伸長度增加，因為橫向焊縫會大大影響鋁型材的使用壽命，導致疲勞壽命急劇下降。

3 高強鋁合金3D打印工藝

低成本、高效率及自動化高強鋁合金工藝技術的發(fā)展得到航空航天的重視，大型鋁合金或鈦合金3D打印技術為目前航空航天關注的重點。3D打印技術作為我國的一個前瞻戰(zhàn)略性技術，對工程應用領域的發(fā)展有至關重要的作用。

在航空航天領域，鋁合金雖然已經(jīng)有大量的應用，但實際應用過程中相比鈦合金和復合材料還有一定的弊端，如鋁合金暴露在高于160℃的應用中力學性能及耐蝕、疲勞性能會下降，且隨使用時間的延長會軟化和老化，因此提升鋁合金在極端工況的綜合性能仍需開展大量工作。

通過3D打印技術的不斷成熟，對高強鋁合金粉體的開發(fā)也不斷進行，新型的鋁合金材料不斷涌現(xiàn)，持續(xù)刷新性能新高。如由Amaero和澳大利亞莫納什大學共同研發(fā)的Amaero HOT Al這種新型的鋁合金在3D打印后再繼續(xù)進行熱處理和時效硬化后，可以實現(xiàn)在260℃下長時間的穩(wěn)定，開發(fā)商業(yè)化的高強度鋁合金新型材料適應3D打印工藝以實現(xiàn)鋁合金的智能制造性能可控及高復雜形狀成為未來發(fā)展的主要趨勢。鋁合金的3D打印發(fā)展前景可期，主要應用于航空航天及軍工領域。

結(jié) 語  

隨著高強輕質(zhì)鋁合金材料成型技術和加工技術不斷發(fā)展進步，本體材料性能不斷得到提升，加工成型工藝不斷提升，在高端制造業(yè)發(fā)揮了輕質(zhì)金屬的典型優(yōu)勢，但是仍然存在一系列的問題，需要在現(xiàn)有基礎上進一步開展如下工作：

一是不斷加大高強鋁合金材料科學基礎技術的研發(fā)，從材料成分組成、熱處理工藝、加工工藝等諸多方面進行高強鋁合金材料性能的提升;

二是加強對高強鋁合金生產(chǎn)設備的開發(fā)研制，使鋁合金的傳統(tǒng)工藝向智能制造工藝快速轉(zhuǎn)變;

三是加強國際技術合作，借鑒國外先進的技術開發(fā)經(jīng)驗及研發(fā)理念。

編者按：本文轉(zhuǎn)載自微信公眾號：iVacuum真空聚焦(ID：iVacuum)，作者：iVacuum