航空工程材料 铝合金

铝合金的认知金属种类繁多，通常把金属分为黑色金属和有色金属两大类。黑色金属包括铁、铬、锰及其合金。除黑色金属（Fe，Cr，Mn）以外的金属，称为有色金属或非铁金属。铝、钛、镁等金属的密度小，分别为2.7g/cm3、4.5g/cm3和1.74g/cm3，因此，这几种金属被称为轻金属，其相应的合金称为轻合金。轻合金具有密度小、比强度高、比刚度大、耐热、耐腐蚀、良好的导电性、导热性等特点，在航空航天领域的应用十分广泛。钛、镁（Al、Ti、Mg）是飞机结构中不可缺少的结构材料，用量最一．工业纯铝工业纯铝具有以下特性1）密度小，只有2.7g/cm3，仅为钢铁之三分之一。熔点较低，为660℃。（2）面心立方晶格结构，塑性很好，δ=35～40%；强度低，σb=80～100Mpa；硬度很低，不能通过热处理强化3）导电性、导热性好4）良好的耐蚀性。二．铝合金铝是一种密度小、抗腐蚀的结构材料，通过合金化可以使其强化。铝合金的分类方法有很多，常按加工工艺不同分为变形铝合金和铸造铝合金。变形铝合金有的可以热处理强化，有的不可以热处理强不可热处理强化的铝合金：防锈铝（按抗蚀性能分）。2.热处理特点铝合金常用的热处理方法有退火、固溶处理、时效。退火：软化处理，获得稳定组织或优良的工艺塑性。固溶处理、时效：强化处理，提高强度性能。铝合金退火的目的是降低强度、硬度，提高塑性，便于加工。通常有完全退火和不完全退火。完全退火：获得最大的成型性，以便随后进行变形量较大的成型不完全退火：部分消除加工硬化效应，以便随后进行变形量较小的成型工艺。（2）铝合金的固溶处理（淬火处理）铝合金的固溶处理（淬火处理）的目的是为了获得过饱和的铝基固溶体，以便随后的时效来提高它的强度和硬度。固溶处理原理与钢不同，将铝合金加热到规定温度，并保温至规定时间（让金属化合物全部溶入固溶体中再将铝合金在冷却剂中快速冷却（使金属化合物来不及析出铝合金淬火后得到过饱和、不稳定的固溶体，强度、硬度不高，而塑性很好，所以称为固溶处理。（3）时效或时效硬化铝合金固溶处理后强度硬度较小，但固溶处理后在一定温度下，放置一段时间，强度和硬度明显提高。这种现象称为时效或时效硬化现象。其原因是随着时间的增加，强化相从过饱和α固溶体中缓慢析出，使强度和硬度明显提高。根据时效温度的不同，可分为自然时效和人工时效。育期）强度和硬度基本上不变或升高极少，此时易于进行各种冷加工。当超过孕育期后强度和硬度急剧升高。如，2024-T42状态，指2024材料经固溶处理，在室温下放置96h，此时强度和硬度明显提高。7075-T62状态，指7075材料经固溶处理后，在120℃保温24h，然后空冷，使其强度和硬度明显提高。过时效：时效温度过高，或在一定温度下时效时间过长，不能得到最高强度和硬度的时效。超硬铝合金进行过时效处理的目的是改善耐应力腐蚀或晶间腐蚀的性能。如7075-T73状态，指7075材料经固溶处理后，在107℃保温8.5h后继续升温到176℃并保温10.5h，然后空冷。又称为二级时效，与T62相比，σb降低了大约13%，但耐应力腐蚀或晶间腐蚀能力大大提高。3.铝合金的牌号变形铝合金的牌号，旧牌号采用汉语拼音字母加顺序号表示，防锈铝用LF、硬铝用LY、超硬铝用LC、锻铝用LD和后面的顺序号来表示。新牌号采用国际四位数字体系和四位字符体系表示，如新牌号2A50。ZL401等。其中“ZL”表示铸造铝合金；紧跟字母ZL之后的一位数字代表不同的主要合金元素，如ZL1××为铝硅合金，ZL2××为铝铜合金，ZL3××为铝镁合金，ZL4××为铝锌合金；最后两位数字没有特殊意义，仅用来识别同一组中的不同合金。4.铝合金的基本状态1）铝合金热处理状态表示法O—可热处理强化和不可热处理强化铝合金的退火状态F—铝合金处在制造状态（对热处理未加控制对于铸铝表示材料处于铸造状态T—与其后面的数字表示可热处理强化铝合金的热处理状态，几种常用的热处理状态为：-T3：固溶热处理后冷作硬化和自然时效。只有供货厂提供的材料可有这种状态；-T31：固溶热处理后通过矫平拉伸冷作硬化后自然时效。2024铆钉是一种典型的应用；-T3511：固溶热处理，通过拉伸来消除内应力，并允许略加矫直，然后自然时效。应用于2024挤压型材；-T42：由用户进行固溶热处理和自然时效到基本稳定状态，适用于2024-O和6061-O铝合金；-T6：固溶热处理后人工时效，冷作产生的影响不大；-T62：由用户固溶热处理和随后人工时效；-T73：固溶热处理和过时效，适用于7×××铝合金；2）铝合金的应变硬化表示法对于不可进行热处理强化而通过变形强化的铝合金，用字母“H”和后面的一位或几位数表示其强化处理状态：H1×—冷加工达到所需尺寸产生应变硬化。第二位数表示硬化程度。如：H12—1/4硬化；H14—半硬化；H16—3/4硬化；H18—完全硬化；H19—超硬化。H2×—冷加工应变硬化后，不完全退火。第二位数表示硬化程度，同H1×的表示方法；H3—应变硬化，并进行消除内应力的稳定化处理。三．常用的变形铝合金耐蚀性好，有良好的塑性和焊接性。不能热处理强化，可通过冷作硬化来提高强度和硬度。主要有Al-Mn系和Al-Mg系防锈铝。Al-Mn系：有少量锰，强度很低，仅限飞机非结构件，如小的整Al-Mg系：有少量镁和铬，强度较高，应变硬化后强度可达280Mpa左右，不作结构件，仅限于非结构件，如飞机油箱、防锈蒙皮、液压管、铆钉（5056-H32）等。2.硬铝（Al-Cu-Mg系）硬铝通常表面需包纯铝（将工业纯铝板放在硬铝铸锭的上下两侧，进行热轧，纯铝即焊合在硬铝板材的表面）、进行阳极化处理或涂阿洛丁，使表面形成一层致密的氧化膜，起防腐作用。合金通过固溶处理与时效强化，具有较高的强度、较高的抗疲劳性能和断裂韧性，裂纹扩展速率较低。因此用在疲劳问题比较突出的部位，如机翼下翼面的蒙皮和桁条、水平尾翼上翼面的蒙皮和桁条、机身蒙皮等。2024是硬铝的最典型代表，其性能随状态而有明显区别，-T3、-T4状态具有高韧性，-T6、-T8状态则有较好的强度、抗腐蚀性能。迟时效硬化使用时从冰箱中取出，如2024-T4，2017-T4，具有高的剪切强度，用在受力大的部位。2024-T4铆钉在铆后11小时只达到一半的剪切强度，约4天后达到最高。外场铆钉2117-T3，即时可用，具有较高的剪切强度和良好的耐腐蚀性。2A12是我国飞机上应用最广的材料之一，σb≈460Mpa，是这类合金中强度最高的，比强度与高强度钢相近，缺点是晶间腐蚀倾向大，用于制造蒙皮、翼肋、隔框等受力构件。3.超硬铝（Al-Mg-Zn-Cu系）主要是通过固溶处理与时效强化来提高强度，属于强度最高的铝合金系列。7075是最典型代表，-T6状态具有最高的强度和最低的韧性，对应力腐蚀开裂敏感，一般不推荐用于低温场合。而-T73状态具有最低强度、相当高的韧性和优良的抗应力腐蚀开裂性能和剥蚀性7A04是比较成熟和在飞机上广泛应用的超硬铝，常用来制造要求屈服强度高的飞机结构件，如机翼蒙皮、桁条、隔框等，甚至可代替部分高强度钢制造起落架、机翼、大梁。缺点是应力腐蚀倾向大，缺口4.锻铝（Al-Mg-Si-Cu系）热塑性好，韧性高，适合锻造。其中6061是最典型代表，具有广泛的用途。2A14强度较好，接近硬铝。主要用于制造结构受载很大的、形状复杂的锻件。四．铸造铝合金用来直接浇铸各种形状的机械零件的铝合金，称为铸造铝合金。它流动性好，但塑性差。这类铝合金所含合金元素的量较多，它的强度和塑性较小，有良好的铸造性，适于铸造形状复杂的零件。通常称铝硅明，ZL102有优良的铸造性