低温铝合金国内外研究及应用情况

#低温铝合金国内外研究及应用情况低温设备在航空、航天、超导技术以及民用工业中得到日益广泛的应用，主要用于航天飞机、火箭动力装置的液氢(20K)、液氧(90K)储箱，以及低温超导磁体的结构支撑件等。确保这些设备的安全运行至关重要。其中低温金属材料的选取和设计是重要的环节之一。低温金属材料机械性能与常温状态下相比有较大的差别,某些金属材料延性和韧度会急剧降低，即发生低温冷脆转变。脆性断裂经常是突然发生，迅速扩展，会造成灾难性重大事故。缺乏专门的低温金属材料知识和性能数据，将会造成选材和设计不当，在低温装备运行中将引发失效事故。铝合金材料具有密度低、无磁性、低温下合金相稳定、在磁场中比电阻小、气密封性好、感应放射能衰减快等特性，因此越来越广泛的应用于低温领域。近几十年来，国内外已经积累了大量的铝合金低温机械性能方面的研究。一、低温铝合金的定义及分类适合于低温环境使用的大多数固溶强化铝合金及一些沉淀硬化铝合金。可分为两类：(1)固溶强化合金，5000系，3000系；(2)沉淀硬化合金，2000系，6000系，7000系。常用的低温铝合金是：Al-4.5Mg(5083)，在退火态使用的易焊接铝合金；3003铝合金；Al-1.0Mg-0.6Si(6061)多用途铝合金；Al-6.0Cu(2219)，在沉淀硬化态使用的铝合金。Al-Li轻合金(如2090，8090等)是性能优异的低温材料，随着温度降低，其强度、塑性、韧性大幅度提高，如2090合金的低温性能(约4K)比2219合金要好得多。在锻造合金最常用的低温服务考虑的合金1100,2014，2024，2219，3003，5083,5456，6061，7005，7039和7075。合金5083这是对低温应用最广泛使用的铝合金，展品冷却到室温的氮沸点(-195oC)：目前低温铝合金研究主要集中在：Al-4.5Mg(5083)、Al-Zn-Mg-Cu系、Al-Cu(2219)、Al-Li轻合金问题：在航空领域应用较多，但低温铝合金板材产业化较少，低温铝合金板材制备LNG储罐国内未见详细报道(只有部分焊接问题探讨过)二、铝合金低温性能1、几种典型的铝合金在低温下拉伸性能如表所示。从表1中可以看出，所有的铝合金的拉伸强度和屈服强度都随温度的降低而上升,并且拉伸强度增加比较明显，在20K以下增加停止，并且某些合金略有下降。大部分合金

在20K以上的延伸率随温度降低而增加，在20-77K附近达到最大值，在4.2k左右下降。7075—T651（L）高强铝合金随温度降低，延伸率也降低。最I常用铝合金在低畫下的拉何性龍TM>・1TensileprtiperM岳aJuininiuinalloyatcryogenictecnperaturs垃伸密度/^1%疋呻率.隹合盘和臥杏4.2K2G.4K77.4KR「4.2K2D.4K77.4KHTT4.2K20.4K77.4Kirrlow—]IL4；I.)L22.7ID6.19B.fi86.2318.52^.9159.2gi.D52.060.557.222.62DL4—T66I<[J263.9552.9524.6437.B659.1659.1579.2475.312.515.012.0L0„22219—TE7LIJ504/4W.1461.93B7.4672.2679.8575.74*4.715.015.214.0Ll.R22L9—TiioKtJ475.J4743439.9370.4662.5659.1孑陌.呂466.114.016„DI3.SLL.d22L9—TlialCTJ4^2.64fi5.4421.3353.065S.4656.7572.3457.12.515.812.2L0„22024—TliolCtJ625.J-574.3453/7719.8-6S^.I«S.49.5-jyU2DW—rBEMlUJ615-535呂如-715^6517.5-13.5LL.O3003—H1418207.3-[78.6145.5400上-252.3L57„822.0-32.51.6.B5083—<XD178.4-L6I.3142.7557.1-434.4323.42.0-31.51.9.05053—EC1I3C1.)279.2-2fi6.1西.359l.fi-北0上335.529.0-32.0L4.05454—0：].}L6S.2-□3.7IL5.L500-5-374.3246.S34.3-39.524.53+54—]132；1.)271.6-237.SI99„3567.4-42L.32BI.912^.6-32.0L5J7□：］.）203.4-L79.9159.95SI.9-455.0-337.S30.7-34.52L.Bfiflfil—T66l<[.)37^.2-337.S為0.94S3.3-<11.9309.525.5-23.01.6.5fiGfil—T6ol<Ti-321.3278.5&S4』-=405.42M.522.5-20.5ISTCIK—r535L：].>52].25D6.L465.4379.2672.970S.757B.5427.517.0IB„517.0L"TOK—rfi35L：].>40.3-408.S3d.6冊』-537.8391.616.5-18IK7D7^—T66I<[J772.9-695.65^43S3D.S-764.fi612.2S.D-9.09启■7079—T66l<[.)723.2--529.57S5.3--580.5S.5--L0„08090—T6<O-*455431379658&4554845315.717.114.28-0*挤压材：审19』nun-SB.Ijnn>nfet?C]2.7rrun-54.9icrr.?)：*-8DW当合金DI一方向：(CT方向-从表2中可以看出，所有的铝合金焊接材料随温度降低抗拉强度和屈服强度均增大，但和同种母材相比增加幅度较小，延伸率和母材相比普遍降低。云2常用祀件金焊接在4氐遍下旳拉仲性弐T9b・2Ter^ilepri^pertiKiirflAeklmeiiLoTwrougtilalumhmm玄1]巾ysatcrj-fjgeiaietechperature^4dfr內n.fl-咲奇填充nsl竝'印强应卩亠.匝殖迥嵐/Ml%延'即率丿氐4.2K77KRT4_2K77KRT4.2K77Kmr2210—忸23IQ是496.9474.2395.0354.S52L427732.55.57_522L9—TS5I2319410.6355.7225.4277„31934IS4.42„53.52-DJQCQ—[{1121100密3S]A122.2llfl.-127.4■74.551-92S.0JI.031』50S3—□5183嘉].24m.b293.0173„5153.9I3B.22.7.0W.Gi21.55QS3—E1B2I51834S5.7445.9304.号24S.0216.617939.DL4.0斛54—】132£5442J.4377.32U.2179.31^4.BIL7.634.□29.08LS.O&D6I—T6細3W302.B2L3.625S.7177„4144A4.55.5fi_DM)&|—T44CM-3是394.92^.930S.7291.1247.013.016.jII.0摘自：［1］陈振华，铝合金在低温下的力学性能［J］,2000,4:l-5.（中南大学）2、中南大学材料科学与工程学院张新明等研究了2519等铝合金的低温拉伸力学性能。摘要:利用拉伸测试、扫描电镜与透射电镜等手段，研究室温和液氮温度下2519铝合金板材的拉伸力学性能。研究结果表明：当变形温度由293K降至77K时，合金纵向抗拉强度由493.64MPa升至607.35MPa,提高23.1%,屈服强度454.83MPa上升到516.53MPa,提高13.7%;合金低温横向抗拉强度与屈服强度分别提高23.6%和20.0%。低温变形时合金横向、纵向伸长率均稍有提高。这是由于在低温变形过程中平面滑移受抑制，加工硬化指数增加，变形均匀性增强,导致材料的强度增加，塑性提高。(国家重点基础研究发展规划项目(2005CB623700))表12319^金室温及低温拉师性能Table1TensilepropertiesofalloysatlowandrocmTemperatures试样堀号取向届服强JRMPa拭拉强度;■'MPa%77K.AlA2LDTD516.5350S.16dt)7.3510.1211.^1KBlLDTD454.S3423.57491.64475.119.40IIJO注：2519铝合金是20世纪80年代开发出的一种Al-Cu系热处理可强化合金，该合金以其高强度、高韧性、耐腐蚀、可焊接、成形性好及抗弹性能良好等特点受到重视。近年来许多材料研究者对2519合金的室温力学性能、腐蚀及焊接性能等进行了大量研究。摘要：利用拉伸测试、扫描电镜与透射电镜等手段，研究了2519-T87、2219-T81以及7039-T6三种铝合金板材的拉伸力学性能。结果表明，当变形温度由室温293K降至77K时,3种合金的屈服强度与抗拉强度均有所提高，其中抗拉强度分别提高23%、12%及6%。同时3种合金的伸长率随着温度降低有所提高。由于低温变形过程中平面滑移受抑制，加工硬化指数增加，变形均匀性增强，导致材料的强度增加，塑性有所提高。表13种合金的化学成分(质量分数)1yble1Chmiicalcimptrsitkinuftheetpcrhitntal注山吁或vi£5；)台金(：uZnMnV2rTiKeAl25】9-T875.8()02()—030〔L06a20〔L05a20(k]0Hal2219-T815.5()00.010()1———02()(k107039-T6(k153.3042()025—a20———Hala2s种合金的室温瓦低温拉伸性能Table2Tensilepropertiesoftheevp(irhientn1tiHoysutI(mandr(Nmfempcralures口山山卩直6（陡）ggplea77K293K77K293K77K293K2519-T87516.5454.8607.-493.6LCJ,129.42219-TSI边31&504912,：17,2431754B5.7457.515.514.B三、国外研究及应用情况1、X7002—新型高强焊接铝合金〔美国〕A.I.Kemppinen等，1965年X7002铝合金（Al-Zn-Mg-Cu系）具有良好的抗应力腐触破裂的性能，无缺口敏感性,具有良好的疲劳性能和低温性能,并且还具有良好的可焊性和成形性。是为了那些在采用焊接拮构即经济又适宜，但基体材料和接合点又必须有足够强度的使用方面而设计的。除了飞机上的应用燃料箱、拮构件之外，由于它无缺口敏咸性还能使这种材料用在工业压力容器、赊藏箱和冷冻投备方面。该合金良好的抗应力腐触性使它还适于作在严酷条件下使用的由管子和挤压件粗成的工程拮构。高强度可焊铝合金的其它应用方面有军用武器和船泊桔构，如空军反坦克武器和殷船。%也也室温初低盘性龍表1爍帝車1状遞晶fcif方[6]锻度P柿歳强皿公斤/老米*公斤俺护映口扰强迴虚韭口和无赴口的扯張福崖比xroos-To纵向室枫4专.籠43,191.1,764,001.23-1606S.S053,OS15.264.IS1.0]72,8054.24出.600.S&横向4^.51仏4313.061.17-16003.1751.5315*3趴却-Z2A70.3151.$3仮051.00C.&1橫向则担室B35.3824.305.437+561.06件-16040.2S29..S3sa.57d肌2、低温用的新型可焊高强度铝合金H.Y.Hunsicker等，1982年现代以土星的巨型助推器为顶峰的液体火箭的结构主要使用铝合金材料。可焊性和低温缺口不敏感性的要求严重地影响对燃料和氧化剂贮箱材料的选用。各种导弹都已采用了铝合金，如铝一镁系合金5456和5083（已用于土星1）,铝一铜一镁系合金2014已用于大力神和土星的第二级和第三级助推级。由于耆虑搦将来液休燃料火箭助推器曲效率F射程或有效载荷的进一步提高在很大程度上取决于高强度材料的适用龍力，所以，为研制出具右良好的低温韧性的高强度可焊铝合金.美国宇航局的马歐尔宇航飞行中心制定了一恃研究计划（NASa^5452）.该计划的目的是要求生产出这样一种合金板，其室鑑桃拉强度极限接近阳千務/吋亠屈服强度根限为G5千磅/吋'和延伸率为15晒（以后降低到曲鮒九要求在室温下缺口和无缺口的拉仲强度出值対1・山在-maF下为讥附加甥标是，要求合金具有良好的可烽禹即在室掘下的悍接强度系数为80^t以及在一423-F下块口和无欣口的焊接接头的抗拉强度比达到0.8%对合金的另一午要求是，在工业和海洋环境下具有良好的抗腐烛和抗应力腐恤裂纹的能力°在最初的研究计划中浇铸了甜种合金成分的铸锭，并将它们加工成薄板。通过垠初的试興所提出的添加成分导出了补充的研究计划。首先対合金在现有的热处理工艺斷规定的几种回火制度下进行试验，同时对更有希望的合金成分来说制定丁确定最佳热处理条件的十分完雜的计划。根据窒温和一叱AF下拉伸性能和缺口拉伸性能，决宦了筛逸呼足条件。*3扱限之内的嚴分变忆对研制0.525吋极材的机械性能的夥响Xsoji-TfiEalR玉平均最小1理衣平均A小凰大常耀抗拉强度换限干确/时，72.071.27307G.4£9.8«£,7屈胭强度千睛丿时」魁.T61.2轧&£9.062.075.9延悼率麻〔拯距£吋｝S.0S.69.313.011.114.3缺口除口拉惮强度出值⑴1.0A0.95J101391.1K1.39-320T抗拉强度怨隗千塾吋*89,38«490.»貓J89.f丄G2+I屈服强度干榜/吋’75.fl73.177.784.476.S航十延伸翠竟（标距2对）IC.dB.511,510.&9,015.3的口/菲険口拉忡靈度比踏》1.02O.B51,06(M20,651.06结论根据宇航液休助推器所需要的低温结构和贮箱的要求，研制了两种铝合金口X2021（铝-铜乗｝和XM音（钳-锌~镁系）合金适应于制造板材和其它锻件,其强度比现有的可焊铝合金高1。~店站，并在低温下具有良好的韧性。上述合金还具有良好的可焊性沪并可获得嬴的焊接性能。这些合金出目前低温用的高强度铝合金具有更妤的抗腐蚀性和抗应力腐蚀性能©3、超低温容器用的铝合金航空铝合金服务有限公司技术开发部［日］,韦秀云译，《船科学》，1983年LNG（液化夭然气）第一次从阿拉斯加藏入到日本是19昭年，后来主要作黄电力、煤吒燃料其消费量不断地增加，今砖需求最将会萸尢4因为LNG的温度是-lS2t,所以在LNG的贮藏、运输.谯化、汽化中空朋便用即使崔超低盜状蛊下也證有脆性的金属林料.而铝合金是任这些用途中具有良好性能的金風材料・为了侵于希考把低温用的金厲林料示于

在超低温的范畴中除了LNG以外，还有液态空气，液态氢，液态氮等有关技术。现在日本毎年约输人比帕万吨的LNG.夸后的LNG输人规划将还要扩展*抿据君定的岳期能量需求推测，预计鹦的年的L忖G需我量将达43呛万瞰。现在时日本启航的LNG运输船有朗瓠MOSS型的为如媲&隔桩型的対9嫂.另外，在H本竣工及建S6中的LNG运输船有R腰*觀垦约为125COO#J的胡OSS型口正在芸配的球型亡哦赴铝合金珂朋的焊接结构■其中的5艘便用了日本产的列晡铝合金。各船中所用的扳的尺寸有些差别，阻最大宽度约为素，长度为陆地输送的可葩按度，赤道部采用厚度约为200的超厚板材©亠个球的直徃豹为前素，其横割面示于图H血数舫疥（團2豹为前素，其横割面示于图H血数舫疥（團2LNG^m剖面图图3LNG贮罐的皓构五、低温用的韬呑金h鑑鼻舎金的■曲如前嶷述，fctNGSs输賂和她上贮第中与LNG相接的ft6（林屁肚旳黑铝合金梅制成的。铝合金的结晶结构是与金、银*铜相同的面心立方品格姑构，即便在超低温狀在下基雜也不显示臓性占美国秋械工程脯协会CASME）认可的超低温用的容誥林斜$其中有多种是铝合金，见蛊8。在这些合金中蓟昶一氛遅火的软质林）铝合金施桂用的理由如下*H）在非热处理合金中#它枭时林机威性能最關的合金—熱赴理合金碎火后强產更咼但窥遣后的站构物不雜逬行轉处理，且協楚理合金一般难于焊脈（2）焊接性走良好，邺接喪头的强度与母辅的软质材相同9■■・豪611fl■*—■»■=—■曲密營惩髭鑑r衲耳非籟处理的区別1且全薄粗JMyl1:板抗拉麻宜EFfcV典寸x>.ja規强直｛千牌/典^t*>敕型的坤援賤摩E干确/英寸"焊最区10001100H14*Hu0HUu16&17<020131S監輻4.002.352a3E3000简上乜0o-_IS64&163^353.351114HHH14SB211$対£.««s^as30-OJO.J00S6'10典=75.50©a•-、■lH屮:ga&'291^27」趴00$，&41if■BO0Q［咼上sbaz.0|'£1卜52&13p302«G+備-44.2SifclH祸肿.LH343S31IRESa.&&■eb£.B5O«30JL城：・Q・4Z2122細他啊io.Mrr'hihHittH1124221164&10.00io»&o■■-HaliF&21FiiZ4fiS3■甬113103'■申S494aJ«•03■&17Z53S7.75T"■,■■HstHa4I1H1JJ礬貓163自S.577*75S4SB9...脅04523204S10x$0ma1r・」”Hau-■jjHni'51371Q4&i)TOO10.&O£□联嶽址创■IXHJ?WTs&ii倨40173010.SO1«H0U■!・.Tg1P：.“n35:Uia20H,264,S5砂i皿Tp:Tr..275一匚屈n1—耐;'T7Il39IS■—刃*3霍台金的1®能(1)在诲朮申的耐毡性铝备金一雜说来冋蚀性口好，虽然在大气下是孫卡在淡水或海水环境下表面生成许峯濒作孔蚀的微孔J忸因圧辰缰出》而不致引起全而窩蚀°董T是测宅訴吧铝含金祀海水中民泡时的扎蚀探厘的例子，缭过述铝后的兹史探隆旳为L竜采，由于礼怕引起的舒面给减也陆低.所以强歴的下降也很小n就祗温范圉的耐细桂来说，谟合金在一嵯趨低温物康I例如诫态基.激态筑r液化甲烷,痕化乙焼等)液体中不生槪蚀’即便是在气体状态申it耐蚀性也不发生呃化。<2)在低遍狀蕊下的机城龌度訂耽钳苔金在低温狀蛊下的机摊性能如图乔所示那样，迄止亠期Et扶拭披强度，屈艇点反忡按率均在熾加*这种倾向即僅对郵接接头来说粗是同样的(图呑九斷面收缩率在-歸〜-10吐时为旱大的值’在-皿匕时下降，变成与室温相警的理这秤傾向与不镌钢相風就枫械性能的客向异性来说，按轧制方向(L)^(L)战直角方向的(LT〕硬相对方向(ST〕的试覇皓果看，L与LT的性能差别比较小。对超厚扳来说(视如?頤毫米厚)，其ST方向的强窿稍微有些下降，其仲怙率也下降為兄结束语具有多种特怏的霁种舸令金披广吃应用裁。在超低温的LNQX业申，作为焊接结构用的盹阴铝合金锻大盐地便用看口铠合金在材料、加工肚焊按的各方血都有很吠进歩，只眞有优良的性能，所以，今后的需求筮将进一步护幡n作为高强高韧铝合金的主体Al-Zn-Mg-Cu系合金具有高的比强度和硬度、较好的耐腐蚀性能和较高的韧性、优良的加工性能及焊接性能,广泛应用于航空和航天领域，成为该领域中重要的结构材料之一。近几十年来，开发高强高韧铝合金新材料成为铝合金发展的重要方向。国内外学者对高强高韧铝合金的制备工艺及其力学性能等巳进行了广泛的研究。四、国内研究及应用情况1、Al-4.5Mg（5083）铝合金国产化工艺研究西南铝业的张晓琴等，1997年，报到了该厂5083铝合金国产化工艺研究情况对国际上需球盘较大的日"罠他轧出43狀态的50鶴轄合金飯材国卅t土乞进行研究.價各狀壽的力学性爾彌足站标准要求到有关裁术禄理寮求.2、化学成分对5083铝合金性能的影响哈工大、河南铝业周清波、杨兴灵等，2007年摘要：分析了合金成分特别是Mg、Mn主元素对5083铝合金性能的影响，提出了在既确保材料的力学性能，又使其具有良好工艺性能和耐蚀性的成分控制范围。3、含Er5083合金均匀化退火过程中A13Er相的TEM观察（金属学报）北京工业大学黄辉等，2009年搞要对半崔條镯海的AI-4.6Mg-07Mn-012r-0.（5083）金沟匀览盟火过秒中析岀的AljEr糊的显徽组纽进行丁透姑电就观臓.结果:丧明，痔駝的均匀化退火过程申，合金中析岀了氏址的不同廂狀*尺吵的沉淀物，具中尺寸在10—50ntn闾的球堆析出樹为Al3Er相+它与基怵饶持共格/半菸格.关务什畀廿折恨出AlsEr杭于共岳/半共裕转换半栓为1■产9阳n眄与实验结果相近+4、Al-Zn-Mg-Cu系超高强铝合金的研究进展作者：崔建忠刘晓涛来源期刊：材料导报2005年第3期中文关键字：超高强铝合金；合金化；热处理；显微组织；中文摘要：评述了国内外超高强铝合金的研究及应用概况,介绍了Zn、Mg、Cu等主要元素与Zr、Sc、Li、Ag、Be及稀土等微量元素对Al-Zn-Mg-Cu系超高强铝合金组织与性能的影响，介绍了Al-Zn-Mg-Cu系合金制备技术、热处理工艺及其最新进展，讨论了超高强铝合金主要强化机制以及微观组织与性能之间的关系•针对超高强铝合金现存的问题，提出了今后研究开发的方向.5、国内的中科院沈阳金属所、中南大学等研究机构开展了Al-Zn-Mg-Cu系合金的系统研究，包括成分设计、强化工艺、相结构、时效处理、强化机制等。中科院金属研究所科研人员选择Al-Zn（7075）、Al-Mg（Al-5.3Mg-0.23Sc,Al-4Mg-lZr）和Al-Cu（2219）三种典型铝合金