第二章轻金属及超-铝合金

1、第二章第二章 轻金属及超高强度钢轻金属及超高强度钢主要内容主要内容 铝合金：铝合金特点、分类、合金化、牌号、制造工艺及铝合金：铝合金特点、分类、合金化、牌号、制造工艺及铝合金航空中的应用铝合金航空中的应用 钛及钛合金：钛合金分类及其主要特征，钛合金组织与性钛及钛合金：钛合金分类及其主要特征，钛合金组织与性能关系，钛合金的制造工艺，钛合金在航空中的应用能关系，钛合金的制造工艺，钛合金在航空中的应用 镁及镁合金：镁合金的特点及合金化，镁合金的分类，镁镁及镁合金：镁合金的特点及合金化，镁合金的分类，镁合金的制造工艺，镁合金在航空中的应用合金的制造工艺，镁合金在航空中的应用 超高强度钢：超高强度钢的性

2、质分类，超高强度钢在航空超高强度钢：超高强度钢的性质分类，超高强度钢在航空中的应用中的应用重点：铝、钛、镁合金的分类、牌号及在航空中的应用重点：铝、钛、镁合金的分类、牌号及在航空中的应用难点：铝合金强化特点；钛合金分类及其主要特征，钛难点：铝合金强化特点；钛合金分类及其主要特征，钛 合金组织与性能关系合金组织与性能关系 铝合金铝合金 一、铝合金性能特点一、铝合金性能特点 1.纯铝的特点及应用纯铝的特点及应用（1）性能特点）性能特点: 面心立方（面心立方（fcc),密度小密度小;导电导电及导热及导热 性能好性能好;抗大气腐蚀性好抗大气腐蚀性好;塑性高塑性高;强强 度度低低;无磁性无磁性;无打击火

3、花无打击火花;加工工艺性好等。加工工艺性好等。（2）纯铝的分类及应用）纯铝的分类及应用高纯铝高纯铝 L0104工业纯铝工业纯铝 L16铝箔、蜂窝结构、导电材铝箔、蜂窝结构、导电材料、铝合金表面包覆材料料、铝合金表面包覆材料（2） 种类：种类：Cu、Mg、Zn、Mn、Si等等（3）强化途径）强化途径时效强化（析出强化）时效强化（析出强化）与析出相结构和特性相关与析出相结构和特性相关固溶强化（晶格畸变）固溶强化（晶格畸变）MgCuSiMnZn2.铝的合金化铝的合金化（1）目的：）目的：提高强度、硬度提高强度、硬度二、铝合金的分类l铝合金一般具有有限固溶型共晶相图(图2-1)。图2-1铝合金的典型相

4、图 相图相图表示了在缓冷条件下不同成分合金的组织随温表示了在缓冷条件下不同成分合金的组织随温度变化的规律，度变化的规律，是制订熔炼、铸造、热加工及热处是制订熔炼、铸造、热加工及热处理工艺的重要依据理工艺的重要依据。 根据组元数根据组元数, , 分为二元相图、三元相图和多元相图。分为二元相图、三元相图和多元相图。Fe-C二元相图二元相图三元相图三元相图铝合金铝合金的分类的分类形变铝合金形变铝合金铸造铝合金铸造铝合金 （ZL）不能热处理不能热处理强化铝合金强化铝合金（LF） 能热处理能热处理强化铝合金强化铝合金LY、LC、LD三、铝合金的强化 固溶强化：固溶强化：常温下在铝中溶解度大的元素（溶常温

5、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。溶质原子质），以固溶体形式存在于铝合金中。溶质原子使铝使铝晶格发生畸变晶格发生畸变，提高合金强度；，提高合金强度；主要的起强化作用添加元素有：主要的起强化作用添加元素有：Cu、Zn、Mg、Si和和Li(能形能形成金属间化合物成金属间化合物)等。铝合金的强化机理主要有固溶强化、等。铝合金的强化机理主要有固溶强化、沉淀强化、亚结构强化、细晶强化及弥散强化等，但沉淀强沉淀强化、亚结构强化、细晶强化及弥散强化等，但沉淀强化最重要，作用最大，高强度的铝合金都是沉淀强化的。化最重要，作用最大，高强度的铝合金都是沉淀强化的。1、保持溶剂的晶格特征。

6、、保持溶剂的晶格特征。2、溶质原子溶入导致固溶体的晶格畸变而使金属强度、硬、溶质原子溶入导致固溶体的晶格畸变而使金属强度、硬 度提高度提高即即固溶强化固溶强化，同时有较好的塑性和韧性。因，同时有较好的塑性和韧性。因 此此常作为结构材料的基本相常作为结构材料的基本相。 3、在物理性能方面，随溶质原子浓度的增加，固溶体的电、在物理性能方面，随溶质原子浓度的增加，固溶体的电 阻率下降，电阻升高，电阻温度系数减小。阻率下降，电阻升高，电阻温度系数减小。固溶体固溶体 沉淀强化：沉淀强化：高温高温下溶解度大、下溶解度大、常温常温下溶解下溶解度小的元素，在度小的元素，在常温常温下形成各种下形成各种沉淀相沉淀

7、相，使合金强化。铝合金的热处理强化使合金强化。铝合金的热处理强化(固溶处固溶处理理+时效时效)实际上就是利用了沉淀强化原理。实际上就是利用了沉淀强化原理。沉淀强化原理和时效处理工艺沉淀强化原理和时效处理工艺图图2.2 Al- 4% Cu二元合金相图二元合金相图在在高温高温时时Cu在在Al中溶解度中溶解度大，常温时溶解度小。对大，常温时溶解度小。对于含于含Cu为为4%的的Al-Cu二元二元合金，合金，550时，时，Cu可全可全部溶于部溶于Al中形成中形成固溶体。固溶体。冷却到常温后，绝大多数冷却到常温后，绝大多数Cu以以GP区或区或相相的形式析出。的形式析出。GP区或区或相会阻碍形变过程相会阻碍

8、形变过程中的位错移动，提高了硬度中的位错移动，提高了硬度和强度。和强度。GP区区：Guinier和和Preston发现并研究发现并研究 为溶质原子（为溶质原子（Cu）的富集区）的富集区加热固溶加热固溶淬火过饱和淬火过饱和时效析出时效析出l可热处理强化变形铝合可热处理强化变形铝合金的热处理方法：金的热处理方法：固溶固溶处理处理 + 时效时效。l固溶处理固溶处理是指将合金加是指将合金加热到固溶线以上，保温热到固溶线以上，保温 并快速冷却后获得过饱并快速冷却后获得过饱 和的单相固溶体组织的处理。和的单相固溶体组织的处理。 时效时效是指将过饱和的固溶体加热到固溶线以下某温度保是指将过饱和的固溶体加热到

9、固溶线以下某温度保温，以析出弥散强化相的热处理。温，以析出弥散强化相的热处理。 或：在固溶处理后的合金随时间延续而发生进一步强化或：在固溶处理后的合金随时间延续而发生进一步强化的现象。的现象。 时效强化效果与加热温度和保温时间有关。时效强化效果与加热温度和保温时间有关。 温度一定时，随时效时间延长，时效曲线上出温度一定时，随时效时间延长，时效曲线上出现峰值，超过峰值时间，析出相聚集长大，强现峰值，超过峰值时间，析出相聚集长大，强度下降，为度下降，为过时效过时效。随时效温度提高，峰值强随时效温度提高，峰值强度下降，出现峰值的时间提前。度下降，出现峰值的时间提前。在室温下进行的时效称在室温下进行的

10、时效称自然时效自然时效；在加热；在加热条件下进行的时效称条件下进行的时效称人工时效人工时效。 含含4%Cu的铝合金自然时效曲线的铝合金自然时效曲线含含4%Cu的铝合金在不同温度下的的铝合金在不同温度下的 人工时效曲线人工时效曲线四、铝合金的牌号四、铝合金的牌号 GB 3190-82中的旧牌号仍可继续使用，表示方法为中的旧牌号仍可继续使用，表示方法为: 铝合金铝合金的分类的分类形变铝合金形变铝合金铸造铝合金铸造铝合金 （ZL）不能热处理不能热处理强化铝合金强化铝合金（LF） 能热处理能热处理强化铝合金强化铝合金LY、LC、LD1.防防锈锈铝铝合金合金 ( LF ) : Al Mn 通过固溶强化提

11、高铝合金的通过固溶强化提高铝合金的 强度和抗蚀性强度和抗蚀性 ( 比纯铝好比纯铝好 )。 例如例如:LF21。 Al Mg 通过固溶强化提高铝合金的通过固溶强化提高铝合金的 强度和抗蚀性强度和抗蚀性 ( 比纯铝轻比纯铝轻 )。 例如例如:LF2、LF6等。等。 用途：用途： 多用于制造要求受力小、质轻、多用于制造要求受力小、质轻、 耐腐蚀的冲压、焊接结构件，耐腐蚀的冲压、焊接结构件， 如航空油箱、油管、铆钉、制冷装如航空油箱、油管、铆钉、制冷装 置结构件以及日用器皿等置结构件以及日用器皿等飞机翼梁飞机翼梁( (腹板为硬铝合金腹板为硬铝合金) )2.硬硬铝铝合金合金 ( LY ) : Al Cu

12、 Mg (Mn)通过通过时效强化时效强化提铝合提铝合金强度金强度,但但耐蚀性不高耐蚀性不高。LY1、LY11、LY12。主要是用来制造中等强度的飞机隔框、翼肋、主要是用来制造中等强度的飞机隔框、翼肋、铆钉、螺旋桨、蒙皮等结构件。铆钉、螺旋桨、蒙皮等结构件。 3.超超硬硬铝铝合金合金 ( LC ) : Al Zn Mg Cu (Cr、Mn) 通过时效通过时效强化和形成的强化相强化和形成的强化相,使铝合金达到使铝合金达到最高的最高的硬度和强度硬度和强度。但。但耐蚀耐蚀性较差性较差,易应力腐蚀，易应力腐蚀，缺口敏感性高缺口敏感性高。LC4、LC9。 多用于制造受力大的多用于制造受力大的重要构件，例如

13、飞机重要构件，例如飞机大梁、起落架等。大梁、起落架等。 飞机主起落架飞机主起落架4.锻锻铝铝合金合金 ( LD ) : Al Mg Si Cu 具有良好的热塑性具有良好的热塑性,通过固溶通过固溶处理和人工时效来提高铝合金的力学性能。处理和人工时效来提高铝合金的力学性能。 LD5、LD6、LD10。制造形状复杂、比强度要求较高的受力结构件，制造形状复杂、比强度要求较高的受力结构件，如离心式压气机的叶轮、飞机操纵系统中的摇如离心式压气机的叶轮、飞机操纵系统中的摇臂等臂等 。压气机叶片压气机叶片1.铸铸造造铝铝 硅硅合金合金 ( ZL101ZL111 ) :活塞活塞( (裙部为铝硅合金裙部为铝硅合金

14、) ) ZL102合金铸造组织 ( 化染 ) 552.铸铸造造铝铝 铜铜合金合金 ( ZL201ZL203 ) : 有较高的强度、塑性及耐热性有较高的强度、塑性及耐热性,但铸但铸 造性能和耐蚀性较差。造性能和耐蚀性较差。 铝铜合金铸造组织 ( 化染 ) 210汽缸头汽缸头3.铸铸造造铝铝 镁镁合金合金 ( ZL301、ZL302 ) : 有较高的强度、韧性及耐蚀性有较高的强度、韧性及耐蚀性,但铸但铸 造性能和耐热性较差。造性能和耐热性较差。 铝镁合金铸造组织 (化染) 150鼓风机用密封件鼓风机用密封件(ZL102)(ZL102)及抗空架件及抗空架件(ZL301)(ZL301)4.铸铸造造铝铝

15、 锌锌合金合金 ( ZL401、ZL402 ) : 具有良好的铸造性具有良好的铸造性,经变质处理和经变质处理和时效处理后时效处理后,强度高强度高,但耐蚀性差。但耐蚀性差。大型空压机活塞大型空压机活塞(ZL401)(ZL401)国际表示国际表示：采用：采用4位数字标记法。第位数字标记法。第1位表示属于哪种位表示属于哪种主要合金系；第主要合金系；第2位表示合金的改型；第位表示合金的改型；第3、4位表示合位表示合金的编号。金的编号。合金系合金系四位数字标记四位数字标记合金系合金系四位数字标记四位数字标记99.00%铝铝1xxx铝镁硅铝镁硅6xxx铝铜铝铜2xxx铝锌铝锌7xxx铝锰铝锰3xxx其他其

16、他8xxx铝硅铝硅4xxx备用备用9xxx铝镁铝镁5xxx表2-1 变形铝合金标记法注意：国内第2个字符为字母（A为原合金，B、C、D等为不同次数的改性合金）；国际第2个字符为数字（0为原合金，1、2、3等为不同次数的改性合金）。代号代号名称名称状态代号状态代号热处理状态热处理状态F自由加工状态自由加工状态T3固溶、冷作、自然时效固溶、冷作、自然时效O退火状态退火状态T4固溶、自然时效固溶、自然时效H加工硬化状态加工硬化状态T6固溶、人工时效固溶、人工时效W固溶热处理状态固溶热处理状态T7固溶、过时效固溶、过时效T热处理状态热处理状态T8固溶、冷作、人工时效固溶、冷作、人工时效状态代号状态代号

17、说明与应用说明与应用T73固溶及时效达到规定的力学性能和抗应力腐蚀性能固溶及时效达到规定的力学性能和抗应力腐蚀性能T74与与T73状态定义相同，但抗拉强度大于状态定义相同，但抗拉强度大于T73，小于，小于T76T76与与T73状态定义相同，但抗拉强度大于状态定义相同，但抗拉强度大于T73、T74，抗应力腐，抗应力腐蚀性能低于蚀性能低于T73、T74，但其抗剥落腐蚀性能仍较好，但其抗剥落腐蚀性能仍较好表2-2 铝合金的状态代号 铸造铝合金铸造铝合金 制造工艺过程主要包括合金的制造工艺过程主要包括合金的熔炼熔炼、铸造成形铸造成形、热处理热处理及及表面处理表面处理等等31四、铝合金的制造工艺四、铝合

18、金的制造工艺 熔炼熔炼精炼处理精炼处理变质处理变质处理细化处理细化处理铸造成形铸造成形砂型铸造砂型铸造金属型铸造金属型铸造低压铸造低压铸造差压铸造差压铸造真空吸铸法真空吸铸法石膏型精密铸造法石膏型精密铸造法表面处理表面处理包括机械精整、阳极氧化、镀层、化学抛光包括机械精整、阳极氧化、镀层、化学抛光和电解抛光、化铣、修补、涂漆、喷丸和抛丸等和电解抛光、化铣、修补、涂漆、喷丸和抛丸等 变形铝合金变形铝合金 变形铝合金的各种制品是由铸坯经过塑性变形而获得，变形铝合金的各种制品是由铸坯经过塑性变形而获得，其塑性变形加工方法主要包括轧制、挤压和锻造等。变形其塑性变形加工方法主要包括轧制、挤压和锻造等。变

19、形铝制品由于有改进表面质量、增强表面抗氧化能力和表面铝制品由于有改进表面质量、增强表面抗氧化能力和表面着色等方面需要，通常也会引入表面处理环节。着色等方面需要，通常也会引入表面处理环节。1.1.铸坯的制备铸坯的制备 变形铝合金变形铝合金铸坯铸坯的组织和性能，对其半成品和成品的的组织和性能，对其半成品和成品的组织性能存在遗传性影响，所以熔炼与铸造环节在变形铝组织性能存在遗传性影响，所以熔炼与铸造环节在变形铝合金生产中显得非常重要，主要包括合金生产中显得非常重要，主要包括熔体净化、熔体变质熔体净化、熔体变质处理和铸坯成型处理和铸坯成型等三个方面。等三个方面。32332.2.轧制轧制 轧制是轧件由摩

20、擦力拉进旋转轧轧制是轧件由摩擦力拉进旋转轧辊之间，受到压缩而产生塑性变形的过辊之间，受到压缩而产生塑性变形的过程。程。 按板带材生产的厚度分类，可分为按板带材生产的厚度分类，可分为厚板、中厚板、薄板及铝箔。其中厚度厚板、中厚板、薄板及铝箔。其中厚度8.0mm的称为厚板；厚度为的称为厚板；厚度为5.08.0mm的称为中厚板；厚度为的称为中厚板；厚度为0. 25.0mm的称的称为薄板；国内通常将厚度小于为薄板；国内通常将厚度小于0.2mm的的称为铝箔。称为铝箔。 简单轧制过程示意图简单轧制过程示意图343.3.挤压挤压 挤压是对放在挤压筒挤压是对放在挤压筒内的金属坯料施加外力，内的金属坯料施加外力

21、，使之从特定的模孔中流出，使之从特定的模孔中流出，获得所需断面形状和尺寸获得所需断面形状和尺寸的一种塑性加工方法。的一种塑性加工方法。常用的挤压方法常用的挤压方法工艺特点 金属在挤压筒内处于三向压应力状态，因此可以充分发挥金属的塑性，提高变形能力； 能生产各种复杂形状的实心和空心型材（取决于芯轴形状）； 生产灵活性大； 但与轧制相比，产量低，成本高，成品率低，加工费用高。364.4.锻造锻造 锻造又称锻压，是利用金属塑性变形以得到一定形状的制品，同锻造又称锻压，是利用金属塑性变形以得到一定形状的制品，同时提高金属机械性能的压力加工方法。时提高金属机械性能的压力加工方法。 铝合金锻造可以在锻锤、

22、机械压力机、液压机、顶锻机、扩孔机铝合金锻造可以在锻锤、机械压力机、液压机、顶锻机、扩孔机等各种锻造设备上进行，可以自由锻、模锻、顶锻、辊锻和扩孔。等各种锻造设备上进行，可以自由锻、模锻、顶锻、辊锻和扩孔。 但锻造只能单件生产，生产效率低；但锻造只能单件生产，生产效率低； 按照锻造所处温度不同，可以分为冷锻和热锻；按照锻造所处温度不同，可以分为冷锻和热锻； Figure 14.4 (a)拔长，(b) 滚圆 (c) 扩孔.自由锻自由锻五、铝合金在飞机上的应用五、铝合金在飞机上的应用 航空铝合金的发展大致划分为航空铝合金的发展大致划分为5 5个阶段个阶段静强度需求阶段静强度需求阶段(1906(19

23、06年至年至5050年代末年代末) 2024) 2024、7075-T67075-T6抗腐蚀性能需求阶段抗腐蚀性能需求阶段(60(60年代年代) 7075-T73(T76) 7075-T73(T76)综合性能需求阶段综合性能需求阶段(60(60年代末至年代末至7070年代末年代末) 7050-T74) 7050-T74强烈的减重需求和高可靠性需求阶段强烈的减重需求和高可靠性需求阶段(80(80年代初至年代初至9090年代初年代初) ) Al-Li 7055-T77 7150-T77 2524-T3Al-Li 7055-T77 7150-T77 2524-T3降低制造成本的需求阶段降低制造成本的

24、需求阶段(90(90年代初至今年代初至今) )。先进加工技术。先进加工技术39 变形铝合金在飞机上的应用主要为变形铝合金在飞机上的应用主要为2系系Al-Cu合金合金(硬铝硬铝)和和7系系Al-Zn合金合金(超硬铝超硬铝)。 2系铝合金的代表型号是系铝合金的代表型号是2024，名义成分为，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（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，泛。其特点为：强度中等，可热处理强化，T3状态下断裂状态下断裂韧性高；耐蚀性不好，易发生晶间腐蚀，薄板需包覆工业纯韧性高；耐蚀性不好，易发生晶间

25、腐蚀，薄板需包覆工业纯铝以提高耐蚀性，或在铝以提高耐蚀性，或在T8状态下使用。状态下使用。 另外另外2524作为作为2系合金的较新改型，已经应用于系合金的较新改型，已经应用于B777客机。客机。 7系合金的代表型号是系合金的代表型号是7075，名义成分为，名义成分为Al-5.6Zn-2.5Mg-1.6Cu-0.26Cr（重量百分比）。该（重量百分比）。该型号合金的特点为：型号合金的特点为：T6态强度最高，但抗蚀性态强度最高，但抗蚀性差、断裂韧性不好；差、断裂韧性不好；T73态耐蚀性好，但强度相态耐蚀性好，但强度相比比T6态下降约态下降约15%。 7055是是7系中合金化程度最高、强度最高的型号

26、。系中合金化程度最高、强度最高的型号。7055-T77已经用于已经用于B777主结构。主结构。 7085是是7系中一种新型的超高强度铝合金，具有系中一种新型的超高强度铝合金，具有各种优异性能，是下一代超高强度铝合金厚板各种优异性能，是下一代超高强度铝合金厚板的代表。的代表。应用部位应用部位应用的铝合金应用的铝合金机身蒙皮机身蒙皮2024-T3, 7075-T6, 7475-T6机身桁条机身桁条7075-T6, 7075-T73, 7475-T76, 7150-T77机身框架机身框架/隔框隔框2024-T3, 7075-T6, 7050-T6机翼上部蒙皮机翼上部蒙皮7075-T6, 7150-T

27、6, 7055-T77机翼下部蒙皮机翼下部蒙皮2024-T3, 7475-T73机翼下部桁条机翼下部桁条2024-T3, 7075-T6, 224-T39机翼下壁板机翼下壁板2024-T3, 7075-T6, 7175-T73翼肋和翼梁翼肋和翼梁2024-T3, 7010-T76, 7150-T77尾翼尾翼2024-T3, 7075-T6, 7050-T76表表2.3 2系和系和7系铝合金在飞机结构中的应用系铝合金在飞机结构中的应用铝合金应用情况FOR TRAINING ONLY飞机翼梁(腹板为硬铝合金)美F-117隐身战斗机(所用材料大部分是铝合金)高比强铝合金机翼铝合金的新发展铝合金的新发

28、展铝锂合金铝锂合金 所谓铝锂合金是指含锂（所谓铝锂合金是指含锂（Li）元素的铝合金，其中）元素的铝合金，其中Li并不并不一定作为最主要的添加元素存在于合金当中，比如一定作为最主要的添加元素存在于合金当中，比如2系含系含Li铝合金，其主要添加元素是铝合金，其主要添加元素是Cu而非而非Li。以。以Li为主要添加元为主要添加元素的合金一般归入素的合金一般归入8系系其他合金系中。其他合金系中。 Li是密度最低的金属元素，其比重仅为是密度最低的金属元素，其比重仅为0.53，而且在添加，而且在添加Li的铝合金中，的铝合金中，Li在时效处理时能以在时效处理时能以(Al3Li)相的形式析出，相的形式析出，起到

29、沉淀强化作用。所以，含起到沉淀强化作用。所以，含Li铝合金具有密度低、强度铝合金具有密度低、强度高、模量大等优势，如每添加高、模量大等优势，如每添加1%的的Li，合金密度减小，合金密度减小3%，弹性模量提高弹性模量提高6%，加，加23%的的Li，密度减小，密度减小10%，约降低，约降低重量重量20%。 Al-Li合金也有缺点，其合金也有缺点，其塑性和韧性差，缺口敏感性大，塑性和韧性差，缺口敏感性大，材料加工及产品生产困难，价格较贵材料加工及产品生产困难，价格较贵，大概是硬铝价格的，大概是硬铝价格的23倍。所以目前在飞机结构，特别是在民用飞机结构中倍。所以目前在飞机结构，特别是在民用飞机结构中用量还不大。但随着新型合金性能的改进、制造工艺的发用量还不大。但随着新型合金性能的改进、制造工艺的发展，及在海水中萃取展，及在海水中萃取Li的技术获得成功的技术获得成功(Li的价格将大幅的价格将大幅下降下降)，含，含Li合金在飞机上铝合金中的比例将会得到提高。合金在飞机上铝合金中的比例将会得到提高。46空中客车空中客车 A350复合材料用量复合材料用量 37%铝锂合金用量铝锂合金用量23%铝合金用量铝合金用量11%钛合金用量钛合金用量9%钢用量钢用量14%其它用量其它用量6