航空工程材料课件 21-有色金属（一）

5-4有色金属（一）课前回顾任务实施1.不锈钢的成分特点是什么？牌号是如何表示的？分为哪几种类型？有怎样的用途？2.耐热钢有什么性能要求？分为哪几种类型？有怎样的用途？3.超高强度高对强度什么要求？分为哪几种类型？飞机上常用的典型超高强度钢有哪几种？知识目标1.了解常用的有色金属及其合金；2.掌握常用铝合金的性能、特点、分类及其牌号。能力目标会根据零件性能要求选择合适的铝合金材料。教学目标素质目标1.规范意识；2.规章意识。新课导入：飞天之铝一、有色金属及其合金在工业生产中，通常把铁及其合金称为黑色金属，把其他非铁金属及其合金称为有色金属。有色金属可以分为：重金属：一般密度在4.5g/cm3以上，如Cu、Ni、Zn等；轻金属：密度小，0.53-4.5g/cm3，化学性质活泼，如Al、Mg等；贵金属：地壳中含量少，价格较高、密度大、化学性质稳定，如Au、Ag、Pt等；稀有金属：如W、Mo、Ge、Li、La等。二、铝及铝合金概述根据已学知识，回答几个问题：

（1）与钢相比，铝合金有哪些优点和缺点？

（2）飞机为什么会采用铝合金作为结构材料？有哪些不足？二、铝及铝合金概述1.铝合金概述物理性能：纯铝具有银白色金属光泽，密度小(2.72g/cm3)，熔点低(660.4℃)，导电、导热性能优良，无磁性。化学性能：耐大气腐蚀，易于加工成形。机械性能：塑性高，强度低。工艺性：易塑性变形，加工性良好。具有面心立方晶格，无同素异构转变。高岭土钒土卵石铝土矿二、铝及铝合金概述2.铝及铝合金性能特点密度小；高的热导率、电导率；高的耐腐蚀性；优异的机加性能；高的韧性、成型性；既具有高强度又保持纯铝的优良特性。二、铝及铝合金概述2.铝及铝合金性能特点铝合金常加入的元素主要有Cu、Mn、Si、Mg、Zn等，此外还有Cr、Ni、Ti、Zr等辅加元素。铝合金型材铝铸件二、铝及铝合金概述2.铝及铝合金性能特点美F-117隐身战斗机

(所用材料大部分是铝合金)一架飞机需要用50万个铝合金铆钉！！！高比强铝合金机翼二、铝及铝合金概述3.铝合金的分类铝合金分类示意图二、铝及铝合金概述3.铝合金的分类:铝合金变形铝合金可热处理强化铝合金硬铝超硬铝锻铝不可热处理强化铝合金防锈铝合金铸造铝合金可热处理强化铝合金不可热处理强化铝合金二、铝及铝合金概述3.铝合金的分类二、铝及铝合金概述4.铝合金的热处理可热处理强化变形铝合金的热处理方法：固溶处理+时效；固溶处理：是指将合金加热到固溶线以上，保温并淬火后获得过饱和的单相固溶体组织的处理方法；时效：是指将过饱和的固溶体加热到固溶线以下某温度保温，以析出弥散强化相的热处理。在室温下进行的时效称自然时效；在加热条件下进行的时效称人工时效。加热固溶淬火过饱和时效析出二、铝及铝合金概述4.铝合金的热处理:

固溶处理：加热后快速冷却——过饱和固溶体——软化

时效：室温或低温加热——时效偏聚——硬化加热固溶淬火过饱和时效析出二、铝及铝合金概述4.铝合金的热处理:

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，时效曲线上出现峰值，超过峰值时间，析出相聚集长大，强度下降，为过时效。随时效温度提高，峰值强度下降，出现峰值的时间提前。二、铝及铝合金概述4.铝合金的热处理:

屈服强度时效时间亚时效时效峰过时效Al-Cu合金时效处理析出相顺序：GP区——θ’’相——θ’相——θ相共格半共格非共格亚时效时效峰过时效三、铝合金的性能及用途1.变形铝合金的性能及用途（1）牌号根据国标规定，变形铝及铝合金可直接引用国际四位数字体系牌号或采用国标规定的四位字符牌号。GB3190-82中的旧牌号仍可继续使用，表示方法为:防锈铝合金：LF+序号(3***，5***)、如LF-21(3A21)硬铝合金：LY+序号(2***如2024)、如LY12（2A12）超硬铝合金：LC+序号(7***如7075)锻铝合金：LD+序号1.变形铝合金的性能及用途（2）常用变形铝合金防锈铝合金主要是Al-Mn和Al-Mg系合金。Mn和Mg主要作用是提高抗蚀能力和塑性，并起固溶强化作用。防锈铝合金锻造退火后组织为单相固溶体，抗蚀性、焊接性能好，易于变形加工，但切削性能差。不能进行热处理强化，常利用加工硬化提高其强度。卫星天线（LF2）三、铝合金的性能及用途（2）常用变形铝合金防锈铝合金常用的Al-Mn系合金有LF21（3A21），其抗蚀性和强度高于纯铝，用于制造油罐、油箱、管道、铆钉等需要弯曲、冲压加工的零件。常用的Al-Mg系合金有LF5（5A05），其密度比纯铝小，强度比Al-Mn合金高，在航空工业中得到广泛应用，如制造管道、容器、铆钉及承受中等载荷的零件。三、铝合金的性能及用途1.变形铝合金的性能及用途（2）常用变形铝合金硬铝合金主要是Al-Cu-Mg系合金，并含少量Mn。可进行时效强化，也可进行变形强化。强度、硬度高，加工性能好，耐蚀性低于防锈铝。热处理方式：固溶处理+时效飞机翼梁(腹板为硬铝合金)常用硬铝合金，如：LY11(2A11)、LY12(2A12)用于制造冲压件、模锻件和铆接件，如螺旋桨、梁、铆钉等。1.变形铝合金的性能及用途三、铝合金的性能及用途（2）常用变形铝合金超硬铝合金属Al-Zn-Mg-Cu系合金，并含有少量Cr和Mn。热处理方式：固溶处理+人工时效。热态塑性好，但耐蚀性差。常用合金有LC4

(7A04)、LC9

(7A09)等，主要用于工作温度较低、受力较大的结构件，如飞机大梁、起落架等。飞机主起落架1.变形铝合金的性能及用途三、铝合金的性能及用途（2）常用变形铝合金锻铝合金Al-Cu-Mg-Si系合金，可锻性好，力学性能高，用于形状复杂的锻件和模锻件，如喷气发动机压气机叶轮、导风轮等。热处理方式：固溶处理+人工时效压气机叶片Al-Cu-Mg-Fe-Ni系耐热锻铝合金，常用牌号有LD7(2A70)、LD8(2A80)、LD9(2A90)等。用于制造150--225℃下工作的零件，如压气机叶片、超音速飞机蒙皮等。三、铝合金的性能及用途1.变形铝合金的性能及用途2.铸造铝合金的牌号、性能及用途：（1）牌号Al-Si系：代号为ZL1+两位数字顺序号Al-Cu系：代号为ZL2+两位数字顺序号Al-Mg系：代号为ZL3+两位数字顺序号Al-Zn系：代号为ZL4+两位数字顺序号三、铝合金的性能及用途（2）常用铸造铝合金Al-Si系铸造铝合金:

又称硅铝明。其中ZL102(AlSi12)是含12%Si的铝硅二元合金，称为简单硅铝明。加入其他合金元素的铝硅铸造合金称复杂（或特殊）硅铝明。

未变质处理经变质处理ZL102的铸态组织粗针状的硅晶体和

固溶体共晶体加一次

固溶体三、铝合金的性能及用途2.铸造铝合金的牌号、性能及用途：Al-Si系铸造铝合金：

Al-Si系铸造铝合金的铸造性能好，具有优良的耐蚀性、耐热性和焊接性能。用于制造飞机、仪表、电动机壳体、汽缸体、风机叶片、发动机活塞等。活塞(裙部为铝硅合金)三、铝合金的性能及用途2.铸造铝合金的牌号、性能及用途：（2）常用铸造铝合金Al-Cu系铸造铝合金：这类合金的耐热性好，强度较高；但密度大，铸造性能、耐蚀性能差，强度低于Al-Si系合金。常用代号有：ZL201

(ZAlCu5Mn)、ZL203

(ZAlCu4)等。主要用于制造在较高温度下工作的高强零件，如：内燃机汽缸头、汽车活塞等。三、铝合金的性能及用途2.铸造铝合金的牌号、性能及用途：（2）常用铸造铝合金Al-Mg系铸造铝合金：这类合金的耐蚀性好，强度高，密度小；但铸造性能差，耐热性低。常用代号为：ZL301(ZAlMg10)、ZL303(ZAlMg5Si1)等。主要用于制造外形简单、承受冲击载荷、在腐蚀性介质下工作的零件，如舰船配件、氨用泵体等。鼓风机密封件等(ZL102、301)三、铝合金的性能及用途2.铸造铝合金的牌号、性能及用途：（2）常用铸造铝合金Al-Zn系铸造铝合金：这类合金的铸造性能好，强度较高，可自然时效强化；但密度大，耐蚀性较差。常用代号为：ZL401(ZAlZn11Si7)、ZL402(ZAlZn6Mg)等。主要用于制造形状复杂受力较小的汽车、飞机、仪器零件。大型空压机活塞(ZL401)（2）常用铸造铝合金2.铸造铝合金的牌号、性能及用途：三、铝合金的性能及用途课堂练习LF21LY10LC4LD5ZL101根据铝合金的牌号判断其类型：课堂练习LF21——防锈铝合金LY10——硬铝合金LC4——超硬铝合金LD5——锻造铝合金ZL101——铸造铝合金根据铝合金的牌号判断其类型：四、铝合金在航空航天领域的应用四、铝合金在航空航天领域的应用

一、比强度高、加工和成形性好、低成本以及可维修性好等优点

二、广泛用于飞机主体结构材料，与航空武器装备的发展紧密相连

三、与钛合金，复合材料等构成航空材料界的四大金刚年代机体材料结构1903-1919木、布1920-1949铝合金、钢1950-1969铝合金、钛合金、钢1970-21世纪初铝合金、钛合金、钢、复合材料21世纪初至今复合材料、铝合金、钛合金、钢四、铝合金在航空航天领域的应用（1）第一代－时效硬化高静强度；应用：运5、轰5……（2）第二代－过时效热处理高强耐蚀；应用：运6、轰6、歼11、运8….（3）第三代－高纯为基础，高强高韧耐蚀；应用：歼10、枭龙、ARJ21….（4）第四代－以精确控制多尺度第二相为基础－超强高韧耐蚀抗疲劳铝合金；应用：ARJ21、大运机…（5）正在研发第五代－具有高淬透性的高综合性能铝合金。应用：大型运载工具等四、铝合金在航空航天领域的应用（1）飞机上不同部位应用的铝合金：四、铝合金在航空航天领域的应用（2）Boeing777客机所用先进铝合金：2024铝板具有断裂韧度高，疲劳裂纹扩展速率低，是最常用的飞机机身和机翼下蒙皮材料。四、铝合金在航空航天领域的应用（3）客机A380所用先进铝合金：飞机结构飞机型号上翼面蒙皮桁条下翼面蒙皮桁条机身蒙皮桁条A380705574497085（后梁）7040（前梁）2024HDT20266017-T785076如图2和表2所示，目前空客A380所以主要的现今铝合金为70X5、2024等。四、铝合金在航空航天领域的应用规范意识任务实施（4）ARJ21飞机各部位采用的铝合金：四、铝合金在航空航天领域的应用（5）军用飞机上铝合金材料的使用仍占有较高比重该机前机身基本结构为铝合金和复合材料结构；雷达舱隔框、座舱区、前起落架舱和F-1油箱。其中，铝合金占前机身结构重量的一半；在机身结构中，铝合金的占比达到了35%；到了后机身，除钛合金作为高温耐热材料外，其余22%为铝合金。F-22“猛禽”战机四、铝合金在航空航天领域的应用（6）“7055合金”的研发对于航空工业的发展有着重大意义C919国产大飞机航空铝材方面，我国的技术相对薄弱，而第四代新型超高强铝合金“7055合金”的研发使得国家摆脱了依赖进口的不利局面。这种合金主要应用于四代机的前机身及C919大型客机外翼上壁板。C919大量采用了常规高性能铝合金材料，比如7X49，7055，7075等，铝合金材料占比约70%。四、铝合金在航空航天领域的应用（7）飞机上常用铝合金特点、用途和状态：表3飞机上常用铝合金特点、用途和状态四、铝合金在航空航天领域的应用（7）飞机上常用铝合金特点、用途和状态：四、铝合金在航空航天领域的应用四、铝合金在航空航天领域的应用重点内容1.常用铝合金的性能、特点、分类及其牌号2.铝合金在飞机上的应用类别牌号旧牌号用途举例性能特点不能热处理强化合金防锈铝合金5A05LF5焊接油箱、油管、铆钉、焊条、中载零件及制品等。耐腐蚀性好，强度适中，塑性优良，可通过冷变形进行强化。3A21LF21焊接油箱、油管、焊条、轻载零件及制品等。能热处理强化合金硬铝合金2A11LY11中等强度结构零件，如整流罩、螺旋桨叶片、骨架、局部锻粗零件、螺栓、铆钉等。经固溶处理和时效处理后强度、硬度较高。2A12LY12高强度构件及150℃以下工作的零件，如骨架、梁、铆钉等。超硬铝合金7A04LC4主要受力构件，如飞机大梁、桥架、加强框、起落架、蒙皮接头、翼肋等。固溶时效后，抗拉强度600MPa，是强度最高的铝合金类别。锻铝合金2A50LD5形状复杂、中等强度的锻件及模锻件。力学性能与硬铝相近，热塑性较好，适于锻造。2A70LD7内燃机活塞和在高温下工作的复杂锻件、板材、风扇轮等。类别牌号旧牌号用途举例性能特点硅铝合金ZAlSi7MgZL101形状复杂的零件，如飞机仪表零件、抽水机壳体、柴油机零件等。流动性好、收缩及热裂倾向小，熔点低，有一定的强度和良好的耐腐蚀性。ZAlSi2ZL102形状复杂的仪表壳体、水泵壳体、工作温度在200℃以下的高气密性，低载零件等。ZAlSi9MgZL104在200℃以下工作的零件，如发动机机体、气缸体等。铜铝合金ZAlCu5MgZL201在300℃以下工作的内燃机缸头、活塞等。可进行时效硬化，耐热