航空材料与腐蚀防护讲义-(航空材料部分)

1、航空材料与腐蚀防护讲义中国民航大学理学院材料化学教研室 苏景新第一章 航空材料概论1.1 航空材料是航空工业主要基础航空材料与航空技术的关系极为密切，航空航天材料在航空产品发展中具有极其重要的地位和作用：航空材料既是研制生产航空产品的物质保障，又是推动航空产品更新换代的技术基础。一、航空产品特殊的工作环境对航空材料的性能要求集中表现在“轻质高强、高温耐蚀”。所谓“轻质高强”是指，要求材料的比强度高，即要求材料不但强度（静强度高、能承受大过载、疲劳强度高）高而且密度小。航空工业有一句口号叫做“为每一克减重而奋斗”，反映了减重对于航空产品的重大经济意义（见表1.1）。而且材料减重对飞机减重的贡献也

2、越来越大，所以轻质高强是航空材料必须满足的首要性能要求。表1.1 飞行器结构减重带来的效益（1990年数据）机种小型民用飞机直升机先进战斗机商用运输机超音速与高超音速运输机航天飞机美元/磅503004008003 00030 000“高温耐蚀”的“高温”是指航空材料要能耐受较高的工作温度。对机身材料，气动力加热效应使表面温度升高，需要结构材料具有好的高温强度；对发动机材料，要求涡轮盘和涡轮叶片材料要有好的高温强度和耐高温腐蚀性能。“耐蚀”是指航空材料要有优良的抗腐蚀，特别是抗应力腐蚀、腐蚀疲劳的能力。当然，除以上性能外，对某些材料还要求有其他方面的性能，如：非金属材料要具有良好的耐老化性能和耐

3、气候性能；透明材料要具有良好的光学性能；电工材料具有良好的电学性能；以及防火安全性能等等。二、航空产品的高可靠性、多样性对航空材料提出了更高的质量要求。航空器是技术密集、高集成度的复杂产品，只有采用质地优良的航空材料才能制造出安全可靠、性能优良的飞机、发动机。航空产品的多样性和小批量生产，导致了航空材料研制和生产上的多品种、多规格、小批量、技术质量要求高等特点。三、航空产品降低成本的需求导致要发展低成本航空材料。新型号的先进飞机价格不断攀升，各航空技术领先的国家和地区都先后对航空产品提出了“买得起”的要求。而材料在航空产品的成本和价格构成中占有相当份额，所以科学地选材和努力发展低成本材料技术是

4、航空材料发展的重要方向。1.2 航空材料的分类航空材料有不同的分类方式：按成份可分为四大类：l 金属材料：铝合金、镁合金、钛合金、钢、高温合金、粉末冶金合金等。l 无机非金属材料：玻璃、陶瓷等。l 高分子材料：透明材料、胶粘剂、橡胶及密封剂、涂料、工程塑料等。l 先进复合材料：聚合物基复合材料、金属基复合材料、无机非金属基复合材料、碳/碳复合材料等。按使用功能可分为两大类：l 结构材料l 功能材料本课程主要介绍结构材料。所谓结构，是指由板、杆等承力单元件构成的承力系统，在载荷作用下，该系统只产生小的弹性形变，即系统应具有几何不变性。如承力系统是几何可变的，则承力系统不是结构，而是机构。以飞机为

5、例，航空产品中典型的结构包括：机身、机翼、垂直尾翼、水平尾翼、各种操纵面、起落架（除传动机构之外的部分）等。用于加工制造这些结构的单元件的材料都属于结构材料。1.3 航空材料的演变一、飞机结构材料的演变早期飞机的结构以木材、蒙布、金属丝绑扎而成（图1.1），后来又发展为木材与金属的混合结构。图1.1 飞行者一号（复制品）到了二十世纪三十年代，随着铝合金材料的发展，全金属承力蒙皮逐渐成为普遍的结构形式（图1.2）。（a）Me 109型战斗机（德国，1935年）（b）喷火式战斗机（英国，1936年）图1.2 二十世纪三十年代出现了全金属承力蒙皮结构的飞机二十世纪三、四十年代，镁合金开始进入航空结构

6、材料的行列。四、五十年代，不锈钢成为航空结构材料。到五十年代中期开始出现钛合金，嗣后并被用于飞机的高温部位。二十世纪六十年代，开发出树脂基先进复合材料，后来在树脂基复合材料的基础上又出现了金属基复合材料。现代飞机大量采用新型材料。如F-14（美国，1970年，图1.3）的机体结构中有25%的钛合金、15%的钢、36%的铝合金、还有4%的非金属材料和20%的复合材料。图1.3 F-14“雄猫”可变后掠翼战斗机由于采用了可变后掠翼，F-14背部有着结构复杂的箱形结构翼盒。翼盒两端容纳可变翼翼根转轴。此部分是可变翼设计飞机的重点，也是飞机死重的来源。为了使翼盒重量尽可轻而又不应影响强度，格鲁曼采用高

7、强度轻重量的钛合金来制造。新近投入使用或正在开发中的先进飞机（包括军机和民航机）的机体结构用材料的主要特点是：大量采用高比强度和高比模量的轻质、高强、高模材料，从而提高飞机的结构效率，降低飞机结构重量系数。其中又以先进复合材料和钛合金用量的增加，传统铝合金和钢材的用量相应减少的特点最为突出。先进复合材料和钛合金的用量、材料本身的性能指标、结构设计水平和零组件加工质量已成为这些航空产品先进性的主要表现之一。从各种材料的角度分析，今后航空产品结构用材的发展趋势是：1. 铝合金铝合金因其技术成熟、成本低、使用经验丰富等优势，在相当长的时期内，仍将是亚音速飞机和低超音速飞机的主要结构用材之一。2. 结

8、构钢一些新型超高强度钢在今后仍然还会是起落架、主要接头、隔框等一些主要承力构件的备选材料。3. 钛合金钛合金在飞机结构用材中所占的重要地位已确定无疑，但是钛合金的较贵的价格和较差的工艺性，是影响使用的很大因素。4. 先进复合材料由于先进复合材料具有比钢、铝、钛高得多的比强度、比模量和耐疲劳等优点，在未来高性能的飞机结构材料中，先进复合材料将会占据越来越重要的地位，甚至完全有可能出现全复合材料结构的飞机。二、航空发动机用材的演变早期的活塞式发动机的结构材料以普通碳素钢为主。涡轮喷气发动机（包括涡轮风扇发动机和涡轮桨叶发动机）的性能水平很大程度上依赖于高温材料的发展。其中尤以涡轮部件材料最为关键：

9、1. 涡轮叶片材料在二十世纪四十年代，尽管喷气式发动机的原理早已提出，但由于没有合适的高温材料用于制造涡轮，所以发展迟缓。到五十年代初，英国的White公司开发出了镍基高温合金。到六十年代，开始使用真空熔炼方法制造高温合金，合金的纯度得到提高，性能更好。七十年代，开发出定向凝固、单晶铸造等高温部件制造工艺，使叶片的最高工作温度和耐疲劳性能进一步提高。2. 涡轮盘材料二十世纪四十年代的涡轮进口温度约为800900，采用了16-25-6铁基合金。五十年代，随着涡轮进口温度提高到950，出现了沉淀硬化合金，应用沉淀强化原理使合金具有更高的高温强度。到七十年代，进口温度提高到了1240，出现了Rene

10、 95合金和粉末冶金高温合金。对航空产品性能的要求日益攀升，要求使用推重比更高、经济性更好的航空发动机。军用发动机的推重比已经达到10，如美国的F119发动机已装备了F22战斗机。大推力涡轮风扇发动机如GE90、PW4073/4084、Trent800等早已为B777、A330等大型宽体客机所选用。在这些先进航空发动机中，高温材料仍属于核心技术。如军用发动机中的高温钛合金（压气机盘和叶片）、高温合金板材（燃烧室）和粉末冶金材料和单晶叶片材料（涡轮）等，民用发动机中使用的单晶叶片材料和粉末高温合金涡轮盘材料。第二章 轻合金2.1 铝合金一、铝合金的发展历史在历史上，先后有几种金属材料得到广泛应用

11、，推动了生产力的发展和人类自身的进步。首先得到应用的是金。随后是铜，特别是青铜，几大文明发源地都先后出现了灿烂的青铜文化。铜的发展历史有8000多年。铁和锡也有5000多年。另外还有铅和汞也都有几千年的历史了。而人类到公元1825年才首次制得几毫克铝粉。铝发现得晚，炼铝技术成熟得更晚。无论是在人们发现的金属元素，还是作为一种结构材料，铝及其合金都是小字辈。但是铝和铝合金的出现，却极大地推动了工业文明，特别是航空航天科技和工业的发展。在1746年，波特（J. H. Pott）用明矾制得一种氧化物。我们都知道明矾是铝和钾的复合硫酸盐。把它在高温下灼烧分解，失去二氧化硫和水，再将氧化钾用水洗去就剩下

12、氧化铝了。当然那个时代的人们没有我们现在这么丰富的化学知识罢了。当时其他的科学家，如法国的拉瓦锡（A. L. Lavoisier）认为，这是一种与氧结合很牢的未知金属的氧化物，用碳和其他还原剂都夺取不了它所结合的氧。这样，就拉开了提炼单质铝的帷幕。1807年，英国的戴维（H. Dary）用铂片做阳极，铁丝做阴极，用直流电电解熔融的钾碱与这种氧化物的混合物，结果只制得少量的合金。戴维虽然没有成功地提炼出单质金属，但他坚信这种金属的存在，并命名为Aluminium，后来去掉第二个i，改称Aluminum，但有些国家仍称为Aluminium。1825年3月，丹麦物理学家奥尔斯泰（Hans Chris

13、tan Oersted）用钾汞齐还原无水氯化铝，然后在真空条件下把得到的铝汞齐中的汞蒸馏掉，得到了几毫克的铝粉。奥尔斯泰的报告中说，铝具有与锡相同的颜色和光泽。1845年，德国化学家沃勒（Priedrich Wohler）也用钾还原氯化铝的方法得到了一些1015mg的铝珠，并初步测定了它的密度、延展性和熔点等。以上还只是在实验室中出于研究的目的少量制取铝。到了1854年，法国冶金学家戴维尔（Henri Sainte Claire Deville）用便宜的钠代替钾，用吸水性较小，稳定性较好的复盐NaAlCl4代替极易吸水而水解的无水氯化铝，制得纯度为9797.3%的铝。同年，在拿破仑三世（拿破仑

14、一世的侄子）的支持下建厂进行工业生产。1855年，一件稀世之宝银光闪闪的铝标本呈现在巴黎博览会上。它无穷的魅力立即引起了全世界的巨大反响。美英德等国相继建厂生产珍贵的铝。铝自问世即得到显贵们的宠爱。这个时候生产出来的铝比白金还贵，每千克价格达到600美元，只能用来制作昂贵的首饰以显耀豪富。当时，西欧的国王和往后视铝如宝石，戴在头上或挂在胸前以示其尊贵。法兰西帝国皇帝拿破仑三世（1808-1873）喜欢宴请四方宾客，每次设宴时，宾客用的都是银碗，惟有他一人用铝碗。后来虽然经过30年的改进，铝加逐步降到9美元一公斤，仍然相当贵。可是，只过了20年，因为电解法炼铝的成功，铝价大跌。就像成长中的婴儿，

15、铝开始蹒跚起步了。用戴维尔的化学法总共只生产了200t铝。发明电解炼铝法的是两个人。他们是当时同为23岁的青年美国俄亥俄州的霍耳（Charles Martin Hall）和法国诺曼底的埃鲁（Paul Lovis Toussaint Herroult）。1886年，霍尔与埃鲁不约而同地将氧化铝投入熔融的冰晶石中，通入直流电电解出金属铝。这个方法不再需要消耗昂贵的金属钠作还原剂了，成本大大降低，产量和质量也有很大的进步。这就是著名的，现在仍在使用的霍尔-埃鲁电解法。这两个人有很多巧合的地方，同一年出生，同一年作出重大发现，专利申请日期只相差2个月，霍尔是在1886年2月23日申请美国专利，埃鲁在4

16、月23日申请法国专利，5月23日申请书寄到美国专利局。当然美国专利已经给了霍尔了。这是一个巧合。这两位科学家都在1914年，也就是51岁的时候英年早逝，都死于伤寒。在发明炼铝技术之后，埃鲁和霍尔就分别开始了开拓铝工业的艰辛道路。当时，人们受习惯思维的限制，总认为铝只能用来做些首饰而已，铝应用尚未打开局面。到1900年，也就是十九世纪的最后一年，全世界只有7个铝厂，总年产量不超过八千吨。但是这个时候，铝价已经降到每公斤0.5美元了。虽然人们已经知道可以利用现成的设备加工铝制品，而且铝在家用器具，如炊具生产上有优势。但制造商们却因需要购置新设备和重新培训工人而无动于衷。到了1906年，这在铝工业发

17、展历史上同样是一个重要的年份。在这一年，德国的冶金学家阿弗列威尔莫（Wilm）尝试将其他金属元素添加到铝中，终于发明了一种含有铜、锰、镁和铝的合金。他还发现这种铝合金具有一种神奇的效应，即在常温下放置4天会自动变得非常坚硬，很适合用来制造运输工具和其他工业装备。因为这种铝合金首次在杜拉实现工业生产，故命名为杜拉铝。从此，铝的需求量逐渐增加。世界铝产量从1906年的1.45万t，1910年的4.38万t，增长到1913年的6.82万t。铝第一次作为飞行器结构材料是在一战期间，德国人用杜拉铝（当时其成分及硬化工艺是保密的）制成一种硬式飞艇，它的航速达100km/h、航程在200km以上，能携带炸弹

18、，具有很强的威慑力。协约国军事专家为此大伤脑筋。战后杜拉铝的秘密被揭开，全世界马上开始了用铝合金研制飞艇的热潮，铝被誉为“飞行金属”，进入航空工业市场。杜拉铝的发明为铝工业的发展提供了一个机遇。另外，高压远距离输电技术研究成功给铝工业带来了另一个机遇。尽管铝的电导率是铜的65%，但它的密度仅为铜的三分之一。在相同的电阻之下，铝导线的重量仅是铜导线的46.6%，用铝导线代替铜可以大大鉴清导线的重量及支撑导线的桥塔的复合，从而节省投资。在20世纪早期，火力发电技术尚未应用，发电依靠水利，所以当时的输电距离动辄达到2000km之遥，对铝电缆的需求量大增。在二十世纪初，汽车工业开始使用铝合金，但当时车

19、身都是木制的。这一方面是由于当时使用的发动机马力小，效率低，金属车身相对来说太重，驱动不了，另外金属件的冲压等塑性加工技术还不那么发达，还无法制造出轻巧的金属构件。当时是手工将铝制成装饰板，然后绑缚或粘接在槐木制的车身上。汽车的散热器也用铝代替钢。这些都是因为铝轻而且不生锈。和平用铝是铝工业健康发展的永恒动力。但是战争也会极大地刺激铝工业的发展。战争需要各种激动运输车辆，促使内燃机研制迅速发展。为了减轻发动机重量，一些铸造件以及活塞都用铝合金制造。活塞运动的惯性因为质量更轻而减小，与活塞连接的其他零件如曲轴、轴承架上的应力相应减小，发动机便做得轻巧多了。在第一次世界大战的四年中，交战双方共制造

20、了20多万台发动机。期间经过战争环境考研的技术在战后都很好地转用到航空和汽车工业当中。战时，铝还用于制造油罐、武器外壳、机枪散热片、光学仪器及士兵的饭盒和水壶等。这些因素都使铝的需求量大增。当时欧洲的铝价涨了一倍、美国铝价涨了两倍。在高额利润的刺激下，各国的铝产量都至少翻了一番，挪威的产能甚至增长到战前的8倍。在量的增长的同时，铝工业的工艺技术也大大提高。铝工业已经开始走进它的青年时期，即一战结束的1918年到二战的1945年这段时间。由于战争结束，各种金属的生产量低于战前水平，唯有铝仍有所增长。这是因为在高压输电线和发动机上的铝不断增加。仅1920年1930年的10年间，美国生产了5000万

21、个铝活塞；汽车壳体也开始用铝制造了；第一个全铝火车车厢问世；特别是铝合金使飞机制造业飞速发展。德国容克公司用铝板制造Ju52飞机的机身，并于1930年将该飞机用于莫斯科-伦敦航线上。1933年美国道格拉斯飞机公司用铝合金制造了划时代的DC1运输机及其系列产品DC2、DC3飞机和C47运输机（图2.1），可称现代飞机的鼻祖。其中1934年推出的DC2飞机，机身呈流线型，在现代航线上仍然可见。由于飞机性能不断提高，全天候洲际飞行正在出现。航空业的飞速发展反过来促进了铝工业的发展。图2.1道格拉斯C-47型运输机在其他方面，铝导热性好、轻、耐腐蚀等优点也体现出来。人们用铝制造电冰箱、吸尘器和其他家用

22、电气，又为铝工业形成了一个巨大的市场。铝的延展性极好，1kg铝可以轧出面积为41m2的铝箔，而1kg锡只能轧出15m2的锡箔。高强度的铝合金也很快被用于制造装饰板、窗户和门框。1936年美国铝业公司在庆祝电解炼铝50周年大会上罗列了铝的2000多种用途。可以看出年轻的铝工业开始渗透到了国民经济的各个领域，给各行各业都带来了勃勃生机。经济危机和战争都阻挡不了它前进的步伐。铝的出现使人类的生产和生活都变了样。二、铝合金的生产过程铝合金是由电解得到的原铝和回收铝精炼后，再向其中加入添加元素得到的。其中电解原铝的过程是，首先用拜耳法从铝土矿中提炼氧化铝，再用埃鲁-霍尔法电解炼铝。那么具体地，电解炼铝法

23、究竟是怎么一回事呢？电解是电化学的一种应用。至少在大学化学课程中，我们都学到过一类化学反应类型叫做氧化还原反应。在氧化还原反应中，还原剂被氧化，提供电子，氧化剂得到这些电子被还原。一个氧化还原反应都是两个半反应还原剂的氧化反应和氧化剂的还原反应耦合而成的。如果采用特殊的装置，控制这两个半反应分别在两个导电的材料（称为电极）上发生，再将电极用导线连通，同时，还要提供一个可以使离子在其中迁移的导体，称为离子导体。这样就构成了一个回路，就能利用氧化还原反应提供电流，驱动负载工作。我们都知道，这中装置就是化学电源，也就是大家通称的电池。从能量转换或做功的观点来看，电池的工作过程就是把氧化剂和还原剂蕴涵

24、的化学能转化为电能，输出电功的过程。如果反过来，把负载换成一个强大的电源，把它的正负极与电池的同极性的电极连接，强制电池反向工作，我们都知道这个过程实际就是给电池充电。电池充电的过程就是把外部电源提供的电能转化为化学能的过程。电解，以及在后面的内容中要介绍的电镀，都是类似的过程。所谓电解，就是用电能驱动电解池工作，使电解质在电解池的阴极或阳极上发生氧化还原反应而析出产物的过程。这些产物都是对我们有用的产品。如电解氯化钠水溶液，可以在阳极上得到氯气，阴极上析出氢气。同时因为析出氢气，使水分解出氢氧根离子，与钠离子形成苛性钠水溶液，又可以分离出氢氧化钠。这些都是重要的化工原料。再比如电解水，可以得

25、到氢气和氧气，把消耗的电能转化为氢和氧的化学能。氢气又可以作为还原剂，驱动燃料电池工作，重新释放出电能。电解法炼铝的原理也是一样。只不过电解铝采用的是一种特殊的电解质，不是水溶液。在水溶液中电解是不能得到铝的。是采用电解熔融的氧化铝的方法。氧化铝（三氧化二铝）是离子化合物，通常状态下是固体，而离子在固体中是不能轻易移动的，只有将它加热到熔点以上，熔化成液态，离子才能够在电场的驱动下在阴极和阳极间迁移，形成离子导体。但是氧化铝的熔点非常高，在将它加热到熔化之前，绝大多数用来制造电解槽的结构材料，如钢铁等都先熔化了。所以要将它溶解在一种合适的溶剂中，形成一种特殊的溶液。使用的溶剂就是冰晶石，六氟合

26、铝酸钠。这样就可以将电解铝的工作温度降低到1000以下（一般是950970）。三、铝合金的特点铝合金作为航空器结构材料的最突出的特点是：密度小、延展性好、耐腐蚀、易加工、价格低。铝合金的密度为小2.7g/cm3，远小于铁合金或铜合金。铝虽然是一种非常活泼的化学元素（其电位序仅排在钾钙钠镁之后的第五位），但正由于它非常活泼，在空气中极易发生氧化，而生成的氧化无以一薄层非常致密的、化学性质稳定的钝态膜的形式存在，能有效地隔绝侵蚀性介质。所以铝合金的耐腐蚀性很好。正因为铝合金具有这些特点，所以在当前在役的民用飞机中，铝合金在总结构用量上占7080%的比例。尽管先进复合材料和钛合金在新型号飞机上应用比

27、例日益提高，但铝合金由于成本和工艺上的优势，在可预见的将来，仍是航空器，特别是民用飞机的主要结构材料之一。四、铝合金分类铝合金按零件的制造方法可分为：l 变形铝合金：具有较好的塑性，可使用锻造、冲压等塑性变形加工工艺成形的铝合金；l 铸造铝合金：仅适合采用铸造工艺成形，或铸造性能相对变形加工性能更为突出的铝合金；l 粉末冶金合金：使用粉末冶金技术成形的铝合金。按能否通过热处理强化分为：l 可热处理强化铝合金；l 不可热处理强化铝合金。五、铝的合金化纯铝的强度很低，不适合作为结构材料使用。所以必须通过添加合金元素将铝制成合金。主要的起强化作用添加元素有：Cu、Zn、Mg、Si和Li等。这些合金元

28、素的强化机理不尽相同，具体地有两种强化机理：l 固溶强化：常温下在铝中溶解度大的元素（溶质），以固溶体形式存在于铝合金中。溶质原子使铝晶格发生畸变，提高合金强度；l 沉淀强化：高温下溶解度大、常温下溶解度小的元素，在常温下形成各种沉淀相，使合金强化。铝合金的热处理强化实际上就是利用了沉淀强化原理。可沉淀强化是热处理强化铝合金的重要特点。除这些强化元素外，铝合金中有时还包含其他一些元素：l Cr、Mn、Ti、Zr等过渡元素在铝合金中的溶解度小，没有多少强化作用。但可以与Al形成金属间化合物，对控制晶粒结构作用很大；l Fe、K、Na等元素属于应控制含量的杂质，这些元素的存在会极大地损害铝合金的断

29、裂韧性。六、铝合金的沉淀强化原理和时效处理工艺这里以Al-Cu（4%）二元合金为例介绍铝合金的沉淀强化原理（图2.2）。图2.2 Al-Cu二元合金相图在高温时Cu在Al中溶解度大，常温时溶解度小。对于含Cu为4%的Al-Cu二元合金，500时，Cu可全部溶于Al中形成固溶体。冷却到常温后，绝大多数Cu以GP区或相的形式析出。GP区或相会阻碍形变过程中的位错移动，提高了硬度和强度。应用沉淀强化原理，可以对铝合金进行时效处理，以改善铝合金的力学性能和抗腐蚀性能。所谓时效处理是指，把铝合金在一定温度下保持一段时间，加速合金元素从固溶体中沉淀析出的处理工艺。时效处理过程中，铝合金的硬度（强度）会随时

30、效时间变化。描述这种变化规律的曲线称为时效曲线（图2.3）。图2.3 Al-4%Cu合金的时效曲线从图中可以看到，时效温度、时间铝合金的时效硬化效果有很大影响。随时效时间，硬度并不是始终增大的，而是存在一个峰值。把硬度达到时效曲线上峰值的时效状态称为峰时效。相应地，在峰时效之前停止保温，得到的时效状态成为欠时效，在峰时效之后停止保温，得到的是过时效状态的铝合金。尽管过时效相对于峰时效在硬度和强度上有损失，但由于沉淀相的过量析出，特别是在合金组织的晶粒内部也析出了沉淀相，减小了晶粒内部与晶粒边界（晶界）的电化学性质的差异，可以减少晶间腐蚀，以及沿晶间发生的应力腐蚀断裂的可能性，提高铝合金的耐腐蚀

31、能力。时效处理是控制性能的重要手段。同一种成分的铝合金，采用不同的热处理时效，可以得到差异很大的性能；一种新的时效制度的研究成功，就相当于开发出一种新的铝合金。七、铝合金的标记由于制造飞机结构的铝合金主要是变形铝合金，而铸造铝合金应用较少。所以在此仅介绍前者的标记。铝合金的标记分为型号标记和状态代号标记铝合金的型号：采用4位数字标记法。第1位表示属于哪种主要合金系；第2位表示合金的改型；第3、4位表示合金的编号（表2.1）。表2.1国际变形铝合金标记法合金系四位数字标记合金系四位数字标记99.00%铝1xxx铝镁硅6xxx铝铜2xxx铝锌7xxx铝锰3xxx其他8xxx铝硅4xxx备用9xxx

32、铝镁5xxx铝合金的状态以TX、TXX、TXXX等代号标记（表2.2）。表2.2 铝合金的状态代号代号名称状态代号热处理状态F自由加工状态T3固溶、冷作、自然时效O退火状态T4固溶、自然时效H加工硬化状态T6固溶、人工时效W固溶热处理状态T7固溶、过时效T热处理状态T8固溶、冷作、人工时效状态代号说明与应用T73固溶及时效达到规定的力学性能和抗应力腐蚀性能T74与T73状态定义相同，但抗拉强度大于T73，小于T76T76与T73状态定义相同，但抗拉强度大于T73、T74，抗应力腐蚀性能低于T73、T74，但其抗剥落腐蚀性能仍较好八、铝合金在飞机上的应用变形铝合金在飞机上的应用主要为2系Al-C

33、u合金和7系Al-Zn合金。2系铝合金的代表型号是2024，名义成分为Al-4.4Cu-1.5Mg-0.6Mn（重量百分比）。该合金在飞机结构上应用广泛。其特点为：强度中等，可热处理强化，T3状态下断裂韧性高；耐蚀性不好，易发生晶间腐蚀，薄板需包覆工业纯铝以提高耐蚀性，或在T8状态下使用。另外2524作为2系合金的较新改型，已经应用于B777客机。7系合金的代表型号是7075，名义成分为Al-5.6Zn-2.5Mg-1.6Cu-0.26Cr（重量百分比）。该型号合金的特点为：T6态强度最高，但抗蚀性差、断裂韧性不好；T73态耐蚀性好，但强度相比T6态下降约15%。7055是7系中合金化程度最高

34、、强度最高的型号。7055-T77已经用于B777主结构。另外表2.3中详细列举了2系和7系合金在飞机结构中的应用情况。表2.3 2系和7系铝合金在飞机结构中的应用应用部位应用的铝合金机身蒙皮2024-T3, 7075-T6, 7475-T6机身桁条7075-T6, 7075-T73, 7475-T76, 7150-T77机身框架/隔框2024-T3, 7075-T6, 7050-T6机翼上部蒙皮7075-T6, 7150-T6, 7055-T77机翼下部蒙皮2024-T3, 7475-T73机翼下部桁条2024-T3, 7075-T6, 224-T39机翼下壁板2024-T3, 7075-T

35、6, 7175-T73翼肋和翼梁2024-T3, 7010-T76, 7150-T77尾翼2024-T3, 7075-T6, 7050-T76九、铝合金的新发展铝锂合金其实所谓铝锂合金是指含锂（Li）元素的铝合金，其中Li并不一定作为最主要的添加元素存在于合金当中，比如2系含Li铝合金，其主要添加元素是Cu而非Li。以Li为主要添加元素的合金一般归入8系其他合金系中。Li是密度最低的金属元素，其比重仅为0.53，而且在添加Li的铝合金中，Li在时效处理时能以相的形式析出，起到沉淀强化作用。所以，含Li铝合金具有密度低、强度高、模量大等优势。但因价格较贵，目前在飞机结构，特别是在民用飞机结构中用

36、量还不大。但随着新型合金性能的改进、制造工艺的发展，含Li合金在飞机上铝合金中的比例将会得到提高。西方国家和俄罗斯（前苏联）曾开发了众多的含Li铝合金。西方铝锂合金的型号主要有：2系的2020、2090、2091、2095、2195和2197等，和8系的8090。前苏联在5060年代开发了1420合金，具有焊接性好的优点，但强度较低，后来在1420中加入Sc（钪），开发了1421合金，其强度明显提高。含Li铝合金目前在俄罗斯的航空工业应用非常广泛。2.2 钛合金一、纯钛的性质钛（Ti）的蕴藏量仅次于铝、铁、镁，居金属元素中的第四位。钛的熔点高，为1667，比铁的熔点还要高。钛的密度4.5g/c

37、m3，比铁和铜都轻得多。纯钛随温度变化存在固态同素异构转变（固态相变），即在882.5这个温度上，会发生晶格结构的转变：低于882.5时钛为密排六方晶格，称为-Ti；高于882.5为钛为体心立方晶格，称为-Ti。这种固态相变使钛合金可以具有、或+双相混合显微组织，使得钛合金可以通过热处理在较大范围内控制显微组织，从而控制合金性能。二、钛及钛合金的主要特性钛合金相对于铝合金等其他结构材料，具有以下突出的优点：1. 比强度高工业纯钛强度为350700Mpa，钛合金强度可达1200MPa，和调质结构钢相近，而钛合金的密度比钢低得多，所以具有高的比强度。2. 热强度高钛的熔点高，再结晶温度也高，因而钛

38、及其合金具有较高的热强度。目前钛合金使用温度可达到500，并向600发展。3. 抗蚀性高钛表面能形成一层致密、稳定的，由氧化物和氮化物组成的保护膜，具有很好的抗蚀性能。钛及其合金在潮湿大气、海水、氧化性酸（硝酸、铬酸等）和大多数有机酸中，抗蚀性与不锈钢相当，甚至超过了不锈钢。同时，钛合金的缺点也是十分突出的：1. 切削加工性差钛的导热性差（仅为铁的1/5，铝的1/3），摩擦系数大，切削时容易升温，也容易粘刀，导致切削速度低，降低刀具寿命，影响零件表面光洁度。2. 热加工工艺性差在加热到600以上时，钛及钛合金极易吸收氢、氮、氧等气体而使其性能变脆，使得铸造、锻压、焊接和热处理等工艺都存在一定的

39、困难。钛合金的热加工工艺过程只能在真空或保护气氛中进行，这提高了钛合金件的制造成本。3. 冷加工性差钛及其合金的0.2/b比值较高，表明应力接近断裂强度时才发生塑性变形，因此塑性变形困难，也容易导致开裂。4. 硬度低、抗磨性差钛合金一般不宜用来制造要求耐磨性高的零件。三、钛的合金化钛是将氧化钛与氯气反应得到氯化钛后，再用金属Mg作还原剂还原得到的。初生态的钛因大量吸收空气中的氧和氮，是海绵状的，必须经真空二次熔炼后才能得到密实的金属组织。由于钛的化学性质非常活泼，二次熔炼得到的工业纯钛中仍残存了大量的氧，所以实际使用的工业纯钛实际上是Ti与O元素构成的低合金。工业纯钛的力学性能与低碳钢相似，具

40、有较高的强度，可直接用于航空产品，常用来制造使用温度在350以下的飞机构件，如超音速飞机的蒙皮、构架等。除工业纯钛外，还可加入其他元素形成具有不同结构和不同性能的钛合金以满足不同工业部门和具体应用的需要。钛合金的组织，取决于加入的合金元素是稳定相（即使钛合金的常温组织主要包含相）的，还是稳定相（即使钛合金的常温组织主要包含相）的。l 键合电子数/原子4的合金元素能够稳定相，如Mo、V和W等；l 键合电子数/原子=4的合金元素的作用为中性，如Zr、Sn和Si等。通过控制添加元素的种类和相对含量，即可控制钛合金的常温组织，进而得到性能特点相差很大的钛合金。按常温组织的不同，钛合金可分为三种：1.

41、型钛合金组织为固溶体，牌号以TA加序号表示。主要合金元素是Al，还有中性元素Sn和Zr，均产生固溶强化作用，间隙元素O、N起间隙强化作用。合金组织稳定，耐热性高于其他钛合金，但不能进行热处理强化，室温强度不高，压力加工性较差，多采用热压加工成形。2. 型钛合金组织主要为固溶体，合金元素含量较高，牌号以TB加序号表示。性能优点是室温强度高，压力加工性能较好，成形容易，可通过热处理强化。缺点是密度较大，冶炼工艺复杂，热稳定性差，所以应用较少。3. （+）型钛合金含有稳定元素和4%6%的稳定元素，组织为（+）两相固溶体，牌号以TC加序号表示。该类型钛合金兼有型及型钛合金的优点。力学性能方面，既有较高

42、的室温性能，又有好的高温强度，塑性也较好，应用最广泛。既可以在退火状态下使用，又可以在淬火、时效状态下使用。其中典型型号为TC4合金（Ti-6Al-4V），它具有综合的机械性能，组织稳定性高，典型拉伸强度为900MPa，最高工作温度为400。在航空航天、造船工业中应用广泛。这三种钛合金及其典型牌号的性能特点见图2.4。图2.4 钛合金的性能特点四、钛合金在航空航天中的应用1950年，美国首次在F84战斗轰炸机上采用工业纯钛制造后机身隔热板、导风罩等非承力构件。1954年，+型钛合金Ti-6Al-4V用于制造J57涡轮喷气发动机压气机转子盘和叶片。60年代中期，美国研制成功“全钛飞机”SR71（

43、图2.5），是钛合金制造工艺技术发展的一次重大突破，试制成功了钛合金隔框和起落架梁等大型复杂锻件，用钛量达到飞机结构重量的93%。图2.5 美国SR71高空高速战略侦察机70年代，钛合金在军用飞机和发动机中的用量迅速增加。在F14和F15飞机上的用量占结构重量的25%，在F100和TF39发动机上的用量分别达到25%和33%。民用飞机方面，Ti-6Al-4V合金制造的波音747主起落架支承梁模锻件，每件长6096mm，宽914mm，重1724kg，至今仍是世界上最大的钛合金模锻件。80年代，出现了断裂韧性更高的超低间隙元素级的新型合金，超塑成形和扩散连接工艺。钛合金在B1B超音速轰炸机和航天飞

44、机上得到了更广泛的应用。一架B1B飞机需要90余吨钛材。美国的航天飞机上采用了Ti-6Al-4V合金制造的重达3000kg的传力结构件。现有航空航天用钛合金中，应用最广泛的是多用途+型Ti-6Al-4V合金和Ti-6Al-4Zr-2Mo（Ti6242）高温钛合金。Ti-6Al-4V合金用于制造工作温度不超过400的各种飞机结构和发动机零件，Ti6242合金用于制造工作温度在500以下的高压压气机零部件。Ti-6Al-4V合金具有优良的综合性能，用量达到各种钛合金总用量的一半以上。美国F22战斗机中钛合金用量已超过了铝合金，达到整机结构重量的41%。B777飞机中钛合金的用量已达到7%。未来航空

45、航天飞行器及其推力系统，需要不断提高钛合金的工作温度，增大航空发动机的推重比。普通钛合金的最高工作温度是600，进一步提高工作温度受到蠕变强度和抗氧化能力的限制。80年代发展的钛铝化合物基的高温钛合金，具有高温性能好，抗氧化能力强，耐腐蚀和重量轻的优点，是制造压气机和低压涡轮零部件的理想材料。其中Ti3Al为基的高温钛合金，最高工作温度可达815；TiAl为基的高温钛合金，最高工作温度可达1040。2.3 镁合金一、纯镁的性能镁（Mg）的密度低，仅为1.74g/cm3，约相当于铝的2/3，是最轻的结构金属。镁的电极电位很低，在潮湿大气、淡水、海水及绝大多数酸、盐溶液中易受腐蚀。镁的化学活性强，

46、在空气中也容易氧化，形成的氧化膜疏松多孔，无明显保护作用，所以镁的抗蚀性很差。用镁制造结构件时，需针对使用环境采取适当的防护措施。力学性能方面，镁的强度低，且由于组织为密排六方晶格，滑移系少，导致塑性极低，加工成形困难，所以镁很少用作主要结构材料。二、镁的合金化镁经过合金化及热处理后，强度可以达到300350Mpa。主要合金元素是铝、锌和锰。这些元素在镁中都有溶解度变化，可以利用热处理方法（淬火加时效）来强化。加入镁合金中的铝、锌，当含量不超过溶解度时起固溶强化作用。超过溶解度后分别与镁形成金属间化合物Mg17Al12和MgZn，在淬火、时效时能起到沉淀强化作用。加入锰可以改善抗热性及抗蚀性。

47、加入锆（Zr）可以使镁合金的晶粒细化。三、镁合金的分类与编号按加工工艺可分为变形镁合金与铸造镁合金：l 变形镁合金牌号以“MB”加数字表示，如MB1、MB2等；l 铸造镁合金以牌号“ZM”加数字表示，如ZM1、ZM2等。四、镁合金的性能特点1. 比强度高镁合金强度虽然比铝合金低，但由于密度小，所以比强度高于铝合金。2. 减振性好镁合金弹性模量小，受外力作用时弹性变形功较大，即吸收能量较多，所以能承受较大的冲击振动载荷。3. 切削加工性能好可以采用高速切削，也易于进行研磨和抛光。4. 抗蚀性差使用时要采取防护措施，如氧化处理、涂漆等。镁合金零件与其他高电位材料的零件（如钢、铜零件）组装时，在接触

48、面上应采取绝缘措施，以防止产生电化学腐蚀。五、镁合金航空工业中的应用1. 变形镁合金航空工业上应用较多的为MB15，属Mg-Zn-Zr系合金。它的性能特点是强度高：是常用变形镁合金中抗拉强度和屈服强度最高的；可以热处理强化：Zn在Mg中的溶解度随温度的变化大，时效处理时能形成强化相MgZn。2. 铸造镁合金ZM1（Mg-Zn-Zr）和ZM2（Mg-RE-Zn-Zr）属于高强度铸造镁合金，具有较高的常温强度和良好的铸造性能，但耐热性差，长期工作温度不能超过150。ZM3（Mg-Ce-Zn-Zr）属于耐热铸造镁合金，常温强度较低，耐热性好，可以在200250长期工作。航空工业上应用较多的是ZM5合

49、金，属Mg-Al系。Al含量较高，能形成较多的Mg17Al12强化相，可以采用热处理强化。应当说明的是，由于镁合金耐蚀性差，零件需要进行专门的表面防护处理，所以使用受到一定的限制。而且随着先进复合材料的发展，与之相比镁合金在比强度方面并无优势，所以在新型飞机上应用镁合金已经很少了。第三章 铁合金3.1 铁碳合金一、纯铁的性质铁（Fe），原子序数26，是一种重要的过渡金属元素。纯铁是光亮的银白色金属，密度7.86g/cm3，熔点1535，沸点2750。纯铁的抗蚀力相当强。但通常的铁都含有碳和其它元素，因而抗蚀力也减弱。含有杂质的铁在潮湿空气中容易生锈。铁有延展性和导热性。也能导电。但导电性比铜、

50、铝都差。铁能被磁体吸引，在磁场作用下，铁自身也能产生磁性。冷的浓硝酸或冷的浓硫酸能使铁钝化。但铁能溶于稀酸。加热时能同卤素、硫、磷、硅、碳等非金属反应，但同氮不能直接化合。氮化铁须在氨气中加热生成。重要矿石有赤铁矿（Fe2O3）、褐铁矿（Fe2O3nH2O）、磁铁矿（Fe3O4）和菱铁矿（FeCO3）等。纯铁可由氢气还原纯氧化铁而得，还原铁粉可用于粉末冶金。二、炼铁与炼钢1. 炼铁炼铁是将铁矿砂在熔炉（高炉）中提炼成铁的过程。炼铁时，自高炉上方将铁矿砂、焦炭、石灰石等交互投入，热风炉加热过的空气由高炉下部风口吹入，炉内焦炭燃烧生成1500高温，产生一氧化碳（CO）炉气自炉中上升，一氧化碳把铁矿

51、砂还原；铁水自炉下方出口流出，暂贮并运到炼钢工场，浇铸成铁锭（图3.1）。图3.1 高炉构造及炼铁时的炉内反应A.炉喉；B.炉身；C.炉腰；D.炉腹；E.炉缸1.大料钟；2.小料钟；3.煤气导出管；4.料车；5.斜桥；6.热风围管；7.风口；8.出铁口；9.出渣口2. 炼钢由于生铁中含碳量很高，炼钢时需要根据要求把生铁中的含碳量去除到规定范围（降碳），并使其它元素的含量减少或增加到规定范围（去硫磷、调硅锰含量）。炼钢基本上是一个氧化过程，是用不同来源的氧（如空气中的氧、纯氧气、铁矿石中的氧）来氧化铁水中的碳、硅、锰等元素。炼钢常用平炉、转炉和电炉。图3.2是现代平炉炼钢过程的示意图。图3.2

52、平炉结构图由铁的冶炼过程可知，实际应用钢铁都含有碳，所以它们都是铁碳合金。实际使用的钢铁材料，含碳量都不超过5%，因为含碳量超过5%的铁碳合金，性能太脆，没有实用价值。三、铁-碳合金的基本相和基本组织与钛相似，纯铁也存在固态相变同素异构转变。纯铁在从熔点到常温的冷却过程中经历如下晶体结构的变化：Fe（体心立方） Fe（面心立方） Fe（体心立方）在铁碳合金中碳的不同存在方式会形成不同的相：1. C溶于不同的Fe晶格中形成固溶体：n 溶于Fe中形成相固溶体，只在高温下存在，实际意义不大；n 溶于Fe中形成相固溶体，最大溶碳量为2.11%；n 溶于Fe中形成相固溶体，溶碳量很少。2. 不能溶于固溶

53、体的碳以铁-碳化合物的形式存在：常用铁合金中的铁-碳化合物是渗碳体：Fe3C。所以，铁碳合金的常温组织是由相固溶体、相固溶体和渗碳体（Fe3C）三种相构成的。这些基本相以不同的比例和形式构成不同的基本组织：1. 铁素体（F）组织由相固溶体构成的单相组织。其机械性能与纯铁很接近，强度、硬度低而塑性、韧性好。2. 奥氏体（A）组织由相固溶体构成的单相组织。属于高温组织。塑性好，但强度不高。对铁合金进行锻造等压力加工时经常需要将其加热，转化为单一奥氏体组织，以获得较好的塑性，减小变形抗力，改善工艺性能。3. 渗碳体（Fe3C）组织由Fe3C这种金属间化合物构成的单相组织。Fe3C具有复杂的结构，机械

54、性能特点是硬而脆。包含较多渗碳体组织的铁合金通常具有较高的强度和硬度。4. 珠光体（P）由相固溶体与渗碳体通过机械混合形成的双相组织。珠光体具有铁素体与渗碳体的综合机械性能，即硬度和强度较高，同时具有一定的塑性和韧性。5. 莱氏体（Le）由相固溶体与渗碳体形成的共晶体，仅存在于铸铁中。化学成分不同、热处理工艺不同的铁-碳合金的组织构成有很大区别，进而导致机械性能区别十分显著。四、铁碳合金的状态图状态图是描述铁-碳合金在平衡状态下，组织随温度和成分的变化的图形。图3.3 铁碳合金状态图铁碳合金的状态图中按含碳量的大小可分为三个部分：最左端，含碳量2.11%的是铸铁。其中碳钢还可分为：l 共析钢：

55、wC=0.77%，常温组织为珠光体；l 亚共析钢：wC在0.02%0.77%之间，常温组织为铁素体+珠光体；l 过共析钢：wC在0.77%2.11%之间，常温组织为珠光体+渗碳体。铸铁可分为：l 共晶白口铁：wC=4.3%；l 亚共晶白口铁：wC在2.11%4.3%之间；l 过共晶白口铁：wC在4.3%6.69%之间。五、杂质元素对钢性能的影响1. 硅与锰这两种元素是在炼钢时加入硅铁和锰铁脱氧而残留在钢中的。作为杂质存在时，硅的含量约为0.170.37%；锰的含量约为0.50.8%，超过以上含量时，就作为有意加入的合金元素了。硅和锰都能有限溶解于铁素体中，起固溶强化作用，使钢的硬度、强度增加。

56、2. 硫与磷硫是在炼钢时无法除尽的有害杂质。硫与铁可以形成FeS化合物，通常分布在晶界上，与铁形成低熔点共晶体（985）。钢在锻造或轧制时要加热到1200，这时晶界上的低熔点共晶体会发生熔化，导致钢材在热压加工过程中发生开裂。这种高温开裂成为“热脆性”。因此钢中的含硫量要严格控制。普通钢中的含硫量不能超过0.055%。锰与硫的亲和力比铁与硫的亲和力大。钢中含有硫时，硫先与锰形成MnS化合物。MnS熔点高（1600），在高温下还有一定塑性，可以消除钢的热脆性。磷也是无法除尽的有害杂质。磷可以溶于铁素体中，使钢的强度和硬度增加，但剧烈地降低钢的塑性和韧性。特别在低温时，由于磷的作用，使钢的性能变脆，这种现象叫做钢的“冷脆性”。磷在钢中的含量也要严格控制，普通钢中的磷含量不超过0.055%。六、碳钢的分类