第二章 轻金属及超-铝合金要点

1、第二章 轻金属及超高强度钢,主要内容,铝合金：铝合金特点、分类、合金化、牌号、制造工艺及铝合金航空中的应用 钛及钛合金：钛合金分类及其主要特征，钛合金组织与性能关系，钛合金的制造工艺，钛合金在航空中的应用 镁及镁合金：镁合金的特点及合金化，镁合金的分类，镁合金的制造工艺，镁合金在航空中的应用 超高强度钢：超高强度钢的性质分类，超高强度钢在航空中的应用,重点：铝、钛、镁合金的分类、牌号及在航空中的应用 难点：铝合金强化特点；钛合金分类及其主要特征，钛 合金组织与性能关系,铝合金,一、铝合金性能特点,1.纯铝的特点及应用,（1）性能特点: 面心立方（fcc),密度小;导电及导热 性能好;抗大气腐蚀

2、性好;塑性高;强 度低;无磁性;无打击火花;加工工艺性好等。,（2）纯铝的分类及应用,高纯铝 L0104,工业纯铝 L16 铝箔、蜂窝结构、导电材 料、铝合金表面包覆材料,（2） 种类：Cu、Mg、Zn、Mn、Si等,（3）强化途径,时效强化（析出强化） 与析出相结构和特性相关,固溶强化（晶格畸变） MgCuSiMnZn,2.铝的合金化,（1）目的：提高强度、硬度,二、铝合金的分类 铝合金一般具有有限固溶型共晶相图(图2-1)。,图2-1铝合金的典型相图,相图表示了在缓冷条件下不同成分合金的组织随温度变化的规律，是制订熔炼、铸造、热加工及热处理工艺的重要依据。 根据组元数, 分为二元相图、三元

3、相图和多元相图。,铝合金 的分类,形变铝合金,铸造铝合金 （ZL）,不能热处理 强化铝合金（LF）,能热处理 强化铝合金 LY、LC、LD,三、铝合金的强化,固溶强化：常温下在铝中溶解度大的元素（溶质），以固溶体形式存在于铝合金中。溶质原子使铝晶格发生畸变，提高合金强度；,主要的起强化作用添加元素有：Cu、Zn、Mg、Si和Li(能形成金属间化合物)等。铝合金的强化机理主要有固溶强化、沉淀强化、亚结构强化、细晶强化及弥散强化等，但沉淀强化最重要，作用最大，高强度的铝合金都是沉淀强化的。,1、保持溶剂的晶格特征。 2、溶质原子溶入导致固溶体的晶格畸变而使金属强度、硬 度提高即固溶强化，同时有较好

4、的塑性和韧性。因 此常作为结构材料的基本相。 3、在物理性能方面，随溶质原子浓度的增加，固溶体的电 阻率下降，电阻升高，电阻温度系数减小。,固溶体,沉淀强化：高温下溶解度大、常温下溶解度小的元素，在常温下形成各种沉淀相，使合金强化。铝合金的热处理强化(固溶处理+时效)实际上就是利用了沉淀强化原理。,沉淀强化原理和时效处理工艺,图2.2 Al- 4% Cu二元合金相图,在高温时Cu在Al中溶解度大，常温时溶解度小。对于含Cu为4%的Al-Cu二元合金，550时，Cu可全部溶于Al中形成固溶体。,冷却到常温后，绝大多数Cu以GP区或相的形式析出。GP区或相会阻碍形变过程中的位错移动，提高了硬度和强

5、度。,GP区：Guinier和Preston发现并研究 为溶质原子（Cu）的富集区,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,并快速冷却后获得过饱 和的单相固溶体组织的处理。 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。 或：在固溶处理后的合金随时间延续而发生进一步强化的现象。,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。,在室温下进行的时效称自然时效；在加热条

6、件下进行的时效称人工时效。,含4%Cu的铝合金自然时效曲线,含4%Cu的铝合金在不同温度下的 人工时效曲线,四、铝合金的牌号,GB 3190-82中的旧牌号仍可继续使用，表示方法为:,铝合金 的分类,形变铝合金,铸造铝合金 （ZL）,不能热处理 强化铝合金（LF）,能热处理 强化铝合金 LY、LC、LD,一) 形变铝合金,1.防锈铝合金 ( LF ) : Al Mn 通过固溶强化提高铝合金的 强度和抗蚀性 ( 比纯铝好 )。 例如:LF21。 Al Mg 通过固溶强化提高铝合金的 强度和抗蚀性 ( 比纯铝轻 )。 例如:LF2、LF6等。 用途： 多用于制造要求受力小、质轻、 耐腐蚀的冲压、焊

7、接结构件， 如航空油箱、油管、铆钉、制冷装 置结构件以及日用器皿等,2）硬铝合金,牌号：用“LY+顺序号”表示，“LY”是“铝硬”二字的汉语拼音字首，顺序号表示化学成分。 硬铝合金为Al-Cu-Mg系合金, 另含有少量锰。 典型合金：YF11 硬铝合金主要是用来制造中等强度的飞机隔框、翼肋、铆钉、螺旋桨、蒙皮等结构件。,2.硬铝合金 ( LY ) : Al Cu Mg (Mn)通过时效强化提铝合金强度,但耐蚀性不高。LY1、LY11、LY12。 主要是用来制造中等强度的飞机隔框、翼肋、铆钉、螺旋桨、蒙皮等结构件。,3.超硬铝合金 ( LC ) : Al Zn Mg Cu (Cr、Mn) 通过时

8、效强化和形成的强化相,使铝合金达到最高的硬度和强度。但耐蚀性较差,易应力腐蚀，缺口敏感性高。LC4、LC9。 多用于制造受力大的重要构件，例如飞机大梁、起落架等。,飞机主起落架,4.锻铝合金 ( LD ) : Al Mg Si Cu 具有良好的热塑性,通过固溶处理和人工时效来提高铝合金的力学性能。 LD5、LD6、LD10。 制造形状复杂、比强度要求较高的受力结构件，如离心式压气机的叶轮、飞机操纵系统中的摇臂等 。,压气机叶片,二) 铸造铝合金,铸造铝 硅合金 铸造铝 铜合金 铸造铝 镁合金 铸造铝 锌合金,1.铸造铝 硅合金 ( ZL101ZL111 ) :,活塞(裙部为铝硅合金),ZL10

9、2合金铸造组织 ( 化染 ) 55,2.铸造铝 铜合金 ( ZL201ZL203 ) : 有较高的强度、塑性及耐热性,但铸 造性能和耐蚀性较差。,铝铜合金铸造组织 ( 化染 ) 210,汽缸头,3.铸造铝 镁合金 ( ZL301、ZL302 ) : 有较高的强度、韧性及耐蚀性,但铸 造性能和耐热性较差。,铝镁合金铸造组织 (化染) 150,鼓风机用密封件(ZL102)及抗空架件(ZL301),4.铸造铝 锌合金 ( ZL401、ZL402 ) : 具有良好的铸造性,经变质处理和 时效处理后,强度高,但耐蚀性差。,大型空压机活塞(ZL401),国际表示：采用4位数字标记法。第1位表示属于哪种主要

10、合金系；第2位表示合金的改型；第3、4位表示合金的编号。,表2-1 变形铝合金标记法,注意：国内第2个字符为字母（A为原合金，B、C、D等为不同次数的改性合金）；国际第2个字符为数字（0为原合金，1、2、3等为不同次数的改性合金）。,表2-2 铝合金的状态代号,铸造铝合金 制造工艺过程主要包括合金的熔炼、铸造成形、热处理及表面处理等,31,四、铝合金的制造工艺,熔炼,精炼处理,变质处理,细化处理,铸造成形,砂型铸造,金属型铸造,低压铸造,差压铸造,真空吸铸法,石膏型精密铸造法,表面处理包括机械精整、阳极氧化、镀层、化学抛光和电解抛光、化铣、修补、涂漆、喷丸和抛丸等,变形铝合金 变形铝合金的各种

11、制品是由铸坯经过塑性变形而获得，其塑性变形加工方法主要包括轧制、挤压和锻造等。变形铝制品由于有改进表面质量、增强表面抗氧化能力和表面着色等方面需要，通常也会引入表面处理环节。 1.铸坯的制备 变形铝合金铸坯的组织和性能，对其半成品和成品的组织性能存在遗传性影响，所以熔炼与铸造环节在变形铝合金生产中显得非常重要，主要包括熔体净化、熔体变质处理和铸坯成型等三个方面。,32,33,2.轧制,轧制是轧件由摩擦力拉进旋转轧辊之间，受到压缩而产生塑性变形的过程。,按板带材生产的厚度分类，可分为厚板、中厚板、薄板及铝箔。其中厚度8.0mm的称为厚板；厚度为5.08.0mm的称为中厚板；厚度为0. 25.0m

12、m的称为薄板；国内通常将厚度小于0.2mm的称为铝箔。,简单轧制过程示意图,34,3.挤压,挤压是对放在挤压筒内的金属坯料施加外力，使之从特定的模孔中流出，获得所需断面形状和尺寸的一种塑性加工方法。,常用的挤压方法,工艺特点,金属在挤压筒内处于三向压应力状态，因此可以充分发挥金属的塑性，提高变形能力； 能生产各种复杂形状的实心和空心型材（取决于芯轴形状）； 生产灵活性大； 但与轧制相比，产量低，成本高，成品率低，加工费用高。,36,4.锻造,锻造又称锻压，是利用金属塑性变形以得到一定形状的制品，同时提高金属机械性能的压力加工方法。 铝合金锻造可以在锻锤、机械压力机、液压机、顶锻机、扩孔机等各种

13、锻造设备上进行，可以自由锻、模锻、顶锻、辊锻和扩孔。,但锻造只能单件生产，生产效率低； 按照锻造所处温度不同，可以分为冷锻和热锻；,Figure 14.4 (a)拔长，(b) 滚圆 (c) 扩孔.,自由锻,五、铝合金在飞机上的应用,航空铝合金的发展大致划分为5个阶段 静强度需求阶段(1906年至50年代末) 2024、7075-T6 抗腐蚀性能需求阶段(60年代) 7075-T73(T76) 综合性能需求阶段(60年代末至70年代末) 7050-T74 强烈的减重需求和高可靠性需求阶段(80年代初至90年代初) Al-Li 7055-T77 7150-T77 2524-T3 降低制造成本的需求

14、阶段(90年代初至今)。先进加工技术,39,变形铝合金在飞机上的应用主要为2系Al-Cu合金(硬铝)和7系Al-Zn合金(超硬铝)。 2系铝合金的代表型号是2024，名义成分为Al-4.4Cu-1.5Mg-0.6Mn（重量百分比）。该合金在飞机结构上应用广泛。其特点为：强度中等，可热处理强化，T3状态下断裂韧性高；耐蚀性不好，易发生晶间腐蚀，薄板需包覆工业纯铝以提高耐蚀性，或在T8状态下使用。 另外2524作为2系合金的较新改型，已经应用于B777客机。,7系合金的代表型号是7075，名义成分为Al-5.6Zn-2.5Mg-1.6Cu-0.26Cr（重量百分比）。该型号合金的特点为：T6态强度

15、最高，但抗蚀性差、断裂韧性不好；T73态耐蚀性好，但强度相比T6态下降约15%。 7055是7系中合金化程度最高、强度最高的型号。7055-T77已经用于B777主结构。 7085是7系中一种新型的超高强度铝合金，具有各种优异性能，是下一代超高强度铝合金厚板的代表。,表2.3 2系和7系铝合金在飞机结构中的应用,铝合金应用情况,FOR TRAINING ONLY,飞机翼梁(腹板为硬铝合金),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,铝合金的新发展铝锂合金,所谓铝锂合金是指含锂（Li）元素的铝合金，其中Li并不一定作为最主要的添加元素存在于合金当中，比如2系含Li铝合金

16、，其主要添加元素是Cu而非Li。以Li为主要添加元素的合金一般归入8系其他合金系中。 Li是密度最低的金属元素，其比重仅为0.53，而且在添加Li的铝合金中，Li在时效处理时能以(Al3Li)相的形式析出，起到沉淀强化作用。所以，含Li铝合金具有密度低、强度高、模量大等优势，如每添加1%的Li，合金密度减小3%，弹性模量提高6%，加23%的Li，密度减小10%，约降低重量20%。,Al-Li合金也有缺点，其塑性和韧性差，缺口敏感性大，材料加工及产品生产困难，价格较贵，大概是硬铝价格的23倍。所以目前在飞机结构，特别是在民用飞机结构中用量还不大。但随着新型合金性能的改进、制造工艺的发展，及在海水中萃取Li的技术获得成功(Li的价格将大幅下降)，含Li合金在飞机上铝合金中的比例将会得到提高。,46,空中客车 A350,复合材料用量 37% 铝锂合金用量23% 铝合金用量11%,钛合金用量9% 钢用量14% 其它用量6%,A380已正式选用铝锂合金制造地板梁，用作机身蒙皮和下翼面的桁条。,西方国家和俄罗斯（前苏联）曾开发了众多的含Li铝合金。西方铝锂合金的型号主要有：2系的2020、2090、2091、2095、2195和2197等，和8系的8090。,几种西方国家的工业含锂铝合金的名义成分/%(余量为Al)