轻质合金材料及其应用

一铝合金

1、铝及铝合金性能特点

纯铝具有银白色金属光泽,密度小(2.72),熔点低(660.4℃),导电、导热性能优良。耐大气腐蚀，易于加工成形.具有面心立方晶格，无同素异构转变，无磁性。铝合金制造的机翼当前第1页\共有41页\编于星期二\14点铝合金既具有高强度又保持纯铝的优良特性。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。

铝合金型材铝铸件当前第2页\共有41页\编于星期二\14点铝合金的用途铝合金在20世纪初才开始工业应用。铝合金在二战期间主要用于军用飞机。战后，铝合金开始转入民用，范围由航空扩展到建筑、包装、交通运输、机械制造等行业。知道目前，铝合金用量和范围仅次于钢铁，成为第二大金属材料。高强度、高韧性是铝合金的主要方向。当前第3页\共有41页\编于星期二\14点常用铝合金①防锈铝合金主要是Al-Mn和Al-Mg系合金。Mn和Mg主要作用是卫星天线（LF2）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。当前第4页\共有41页\编于星期二\14点汽化器(热交换管为LF21)常用的Al-Mn系合金有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。当前第5页\共有41页\编于星期二\14点②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。常用硬铝合金如用于制造冲压件、模锻件和铆接件，如螺旋桨、梁、铆钉等.

飞机翼梁(腹板为硬铝合金)当前第6页\共有41页\编于星期二\14点③超硬铝合金属Al-Zn-Mg-Cu系合金，并含有少量Cr和Mn。时效强化效果超过硬铝合金.热态塑性好，但耐蚀性差。常用合金有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.飞机主起落架当前第7页\共有41页\编于星期二\14点④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.压气机叶片Al-Cu-Mg-Fe-Ni系耐热锻铝合金用于制造150~225℃下工作的零件，如压气机叶片、超音速飞机蒙皮等。当前第8页\共有41页\编于星期二\14点美F-117隐身战斗机

(所用材料大部分是铝合金)高比强铝合金机翼当前第9页\共有41页\编于星期二\14点⑤铸造铝合金包括：Al-Si系、Al-Cu系、Al-Mg系、Al-Zn系。⑴Al-Si系铸造铝合金当前第10页\共有41页\编于星期二\14点加入其他合金元素的铝硅铸造合金。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。活塞(裙部为铝硅合金)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。当前第11页\共有41页\编于星期二\14点⑵Al-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。汽缸头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。当前第12页\共有41页\编于星期二\14点⑶Al-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。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)当前第13页\共有41页\编于星期二\14点⑷Al-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。大型空压机活塞(ZL401)主要用于制造形状复杂受力较小的汽车、飞机、仪器零件。当前第14页\共有41页\编于星期二\14点其它非铁合金二镁及其合金纯镁：ρ1.74g/cm3，Tm651℃，密排六方结构。纯镁强度不高，室温塑性较低，耐蚀性较差，易氧化。工业纯镁代号用M＋顺序号表示。纯镁主要用于配制镁合金和其它合金，还可用作化工与冶金的还原剂。镁合金：纯镁中加入Al、Zn、Mn、Zr及稀土等元素，制成镁合金。主要有Mg-Mn系、Mg-Al-Zn系、Mg-Zn-Zr系

和Mg-Re-Zr系等合金系。它们分为变形镁合金和铸造镁合金两大类。当前第15页\共有41页\编于星期二\14点其它非铁合金Ⅰ、镁及其合金当前第16页\共有41页\编于星期二\14点※手机、电脑、笔记本电脑等3C产品全镁合金手机、笔记本电脑等3C产品当前第17页\共有41页\编于星期二\14点※兵器（减重）当前第18页\共有41页\编于星期二\14点※汽车、摩托车、飞机零件（减震、节能、提高驾乘舒适度）轿车用镁合金轮毂直升机变速箱壳体当前第19页\共有41页\编于星期二\14点轿车用镁合金齿轮箱当前第20页\共有41页\编于星期二\14点

※镁合金曲轴发动机左、右箱体盖；

※镁合金曲轴发动机后盖；

※镁合金前、后轮毂；

※镁合金后扶手；

※镁合金锁扣。全镁概念摩托车，12个零部件用镁合金替代（减重6Kg）当前第21页\共有41页\编于星期二\14点Mg-Mn系合金，具有良好的耐蚀性和焊接性，使用温度不超过150℃。主要用于制作飞机蒙皮、壁板及宇航结构件。Mg-Li系合金是一种新型的镁合金，它密度小，强度高，塑性、韧性好，焊接性好，缺口敏感性低，在航空、航天工业中具有良好的应用前景。当前第22页\共有41页\编于星期二\14点Mg-Al-Zn系的ZM5和Mg-Zn-Zr系的ZM1、ZM2、ZM7、ZM8具有较高的强度，良好的塑性和铸造工艺性能，但耐热性较差，主要用于制造150℃以下温度工作的飞机、导弹、发动机中承受较高载荷的结构件或壳体。Mg-Re-Zr的ZM3、ZM4和ZM6具有良好的铸造性能，常温强度和塑性较低，但耐热性较高，主要用于制造250℃以下温度工作的高气密零件。当前第23页\共有41页\编于星期二\14点阻燃镁合金抗氧化方法(1)熔剂保护阻燃法。在镁合金整个熔炼过程中，在熔剂保护下隔绝大气进行。镁合金采用熔剂保护防燃使用最早也最广泛，具有工业应用价值。(2)气体保护阻燃法。常用气体为SF6、CO2和SO2。其中SF6为无色无味无毒气体，是最常用的镁合金保护气氛。但SF6、CO2等气体具有强烈的“温室效应”，由于它们对环境的污染需要找到一种合适的替代气体。(3)添加合金元素阻燃法。在镁合金中只需加入少量的Be、Ca，可制备出燃点很高的阻燃镁合金。Be与O2生成BeO膜致密，也有明显的阻燃作用，但Be、Ca的加入量需要严格控制，否则会强烈恶化组织，造成晶粒长大和热裂倾向加大。当前第24页\共有41页\编于星期二\14点※耐腐蚀镁合金合金元素对镁腐蚀速率的影响提高镁合金耐蚀性能的工作：◆提高镁及镁合金的纯度；◆添加新合金化元素开发新合金；◆表面保护；化学处理、阳极氧化、有机物涂层、电镀◆采用新工艺和新技术；快速凝固技术、离子注入激光表面熔覆当前第25页\共有41页\编于星期二\14点高温应用的铸造镁合金

普通Mg-Al、Mg-Zn系铸造镁合金使用温度限于150~200°C。应用于更高温度下的耐热镁合金主要是Mg-RE、Mg-Th系合金。钍是提高镁合金高温性能最有效的合金元素，但钍的低放射性限制了Mg-Th合金的应用。Mg-RE合金中加入少量的锆（Zr）、La、Ce等能够起到晶粒细化、提高抗拉强度等作用。添加钪、钇对镁合金的有益影响是又一个非常重要的发现，Drits等开发了一系列耐热高强WE型镁合金。该类合金良好的力学性能使其广泛应用于赛车及飞行器变速箱壳体上。

当前第26页\共有41页\编于星期二\14点变形镁合金与铸造镁合金相比，变形镁合金材料比铸造镁合金材料具有更高的强度，更好的延展性，更多样化的力学性能，从而满足更多样的结构件的需求。◆常用变形镁合金Mg-Al-Zn系、Mg-Zn-Zr、Mg-Mn系；

◆超轻Mg-Li系变形镁合金；

Mg-40%Li(ρ<1.0g/cm3)当前第27页\共有41页\编于星期二\14点三钛合金钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，钛合金因具有比强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于各个领域。世界上许多国家都认识到钛合金材料的重要性，相继对其进行研究开发，并得到了实际应用。第一个实用的钛合金是1954年美国研制成功的Ti-6Al-4V合金，由于它的耐热性、强度、塑性、韧性、成形性、可焊性、耐蚀性和生物相容性均较好，而成为钛合金工业中的王牌合金，该合金使用量已占全部钛合金的75％～85％。其他许多钛合金都可以看做是Ti-6Al-4V合金的改型。当前第28页\共有41页\编于星期二\14点钛合金20世纪50～60年代，主要是发展航空发动机用的高温钛合金和机体用的结构钛合金，70年代开发出一批耐蚀钛合金，80年代以来，耐蚀钛合金和高强钛合金得到进一步发展。耐热钛合金的使用温度已从50年代的400℃提高到90年代的600～650℃。当前第29页\共有41页\编于星期二\14点钛合金纯钛加入合金元素形成钛合金。钛合金几乎都含有铝。铝能提高钛合金的强度、比强度和再结晶温度.按退火组织，钛合金可分为型钛合金、型钛合金和+型钛合金三类，它们的牌号分别用TA、TB、TC加顺序号表示。如TA5、TB2、TC4等。其中TA0~TA3为工业纯钛。钛合金泵当前第30页\共有41页\编于星期二\14点钛合金（1.α型钛合金

）性能：室温强度低，高温强度高；具有良好的抗氧化性、焊接性和耐蚀性，不可热处理强化，退火态使用；牌号：TA4、TA5、TA6、TA7、TA8等，常用的有TA5、TA7等，以TA7最常用。TA7还具有优良的低温性能；用途：用于制造500℃以下温度工作的火箭、飞船的低温高压容器，航空发动机压气机叶片和管道、导弹燃料缸等。TA5主要用于制造船舰零件。当前第31页\共有41页\编于星期二\14点型钛合金主加元素为铝，还有锡、硼等。不能热处理强化，通常在退火状态下使用,组织为单相固溶体.强度低于另两类钛合金，但高温强度、低温韧性及耐蚀性优越.钛合金氢泵诱导轮钛合金氢泵壳体当前第32页\共有41页\编于星期二\14点主要用于制造500℃以下工作的零件，如飞机压气机叶片、导弹的燃料罐、超音速飞机的蜗轮机匣及飞船上的高压低温容器等。钛合金卫星框架钛合金液下泵-Ti合金组织当前第33页\共有41页\编于星期二\14点钛合金（2.β型钛合金）牌号：有TB21、TB2两个，可热处理强化，实际

应用的为TB2。性能：合金的强度高、焊接性好。热稳定性差。用途：用于制造350℃以下温度工作的飞机压气

机叶片、弹簧、紧固件等。当前第34页\共有41页\编于星期二\14点型钛合金加入的合金元素有钼、铬、钒、铝等。经淬火加时效处理后，组织为相基体上分布着细小的相粒子。这类合金强度高，但冶炼工艺复杂，难于焊接,应用受到限制。钛合金管钛合金管应用当前第35页\共有41页\编于星期二\14点主要用于350℃以下工作的结构件和紧固件,如飞机压气机叶片、轴、弹簧、轮盘等.钛合金棒β钛合金眼镜架钛离心泵当前第36页\共有41页\编于星期二\14点钛合金【3.(α＋β)型钛合金】性能：具有α型和β型钛合金的优点，但焊接性能不如α型钛合金，可通过热处理来强化。牌号：TC1~TC11，常用的有TC3、TC4、TC6、TC10等，以TC4最常用。用途：制造400℃以下工作的航空发动机压气机叶片，火箭发动机外壳，火箭和导弹的液氢燃料箱部件，船舰耐压壳体等。TC10是在TC4基础上发展起来的，具有更高的强度和耐热性。当前第37页\共有41页\编于星期二\14点+型钛合金加入的合金元素有铝、钒、钼铬等。可进行热