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。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。摘自：[1]陈振华，铝合金在低温下的力学性能[J],2000,4:1-5.(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%和%。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)）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。三、国外研究及应用情况1、X7002一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。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。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-1Zr)和Al-Cu(2219)三种典型铝合金体系进行了研究。对搅拌摩擦加工（FSP）超细晶铝合金的低温超塑性进行了深入细致的研究，取得了一系列重要进展。张新明中南大学，航空高性能铝合金材料的基础研究（973项目）（Al-Zn-Mg-Cu系）五、铝锂合金是航空技术一种新材料锂是世界上最轻的金属元素。把锂作为合金元素加到金属铝中，就形成了铝锂合金。加入锂之后，可以降低合金的比重，增加刚度，同时仍然保持较高的强度、较好的抗腐蚀性和抗疲劳性以及适宜的延展性。因为这些特性，这种新型合金受到了航空、航天以及航海业的广泛关注。正是由于这种合金的许多优点，吸引着许多科学家对它进行研究，铝锂合金的开发事业犹如雨后春笋般迅速发展起来了。美国洛克希德导弹和空间公司(LMSC)制造的飞行器使用低密度、中等强度和高刚度的材料，因此大量采用Al-Li合金产品。从20世纪80年代中期开始，大量选用8090及普通加工方法生产各种锻件、厚板、薄板与挤压件。该公司使用AA2195合金生产的新的航天飞机“超轻型油箱”，长达47m，直径达8.4m，用于盛装低温燃料和液态氢。AA2195合金的使用使油箱减轻5%（减重近3400kg），强度提高30%，有效地增加了有效载荷，节约成本约7500万美元。麦道空间系统公司采用2090－T81板材制成直径2.44m，长3.05m的低温箱，用于三角翼火箭盛放燃料和液氧的容器，质量减轻15%。美国通用动力空间公司在阿特拉斯和半人马运载火箭上的三个部件采用2090合金，总量达70kg，质量较2024减轻8%。1997年12月的美国“奋进号”航天飞机外贮箱采用2195代替2219，运载能力提高了3.4t。新材料铝锂合金“减负”天宫10%

从设计之初，资源舱就面临“减肥”的难题。因为此次资源舱携带的推进剂比之前神舟飞船增加了50%以上，但工程主体还是希望能为舱段实施减重。这样一来，之前采用的铝合金难以满足要求，首次采用了铝锂