航空航天铝合金材的热处理工艺

航空航天铝合金材的热处理工艺中色科技苏州分公司李鹏辉2011.41前言2铝合金在航空航天领域的应用3热处理工艺在航空航天铝合金上的应用4结束语主要内容一、前言航空航天铝合金主要指：军用飞机民用飞机航天器运载火箭导弹武器一、前言典型的航空航天用铝合金产品预拉伸板7075蒙皮板模锻件锻件、大型整体壁板、大梁型材等。飞机用材中，铝材用量占80%以上一、前言铝合金是航天装备的主要结构材料，一代铝合金一代高新技术装备，历经5代发展，推动了航空航天技术的发展（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：大型运载工具等一、前言随着航空航天工业的发展和其他材料技术的发展，铝材在性能、规格方面面临历史上最严峻的挑战。铝合金的发展以结构的减重、高可靠和长寿命为目标，主攻高强高韧耐蚀抗疲劳高综合性能、极端环境的服役性能以及性能均匀、残余应力小的大规格高性能材料。这就需要通过热处理工艺精确调控材料围观组织提高铝合金综合性能，满足航空航天工业发展对材料的苛刻要求，其作用至观重要、不可或缺。二、铝合金在航空航天领域的应用2.1铝合金在航空领域的应用（1）飞机上不同部位应用的铝合金表120世纪欧美国家铝合金在飞机不同部位的应用情况飞机上不同部位应用的铝合金主要有2X24，7X75，7X5X等，其合金牌号及热处理状态随年代的变化，如表1所示。二、铝合金在航空航天领域的应用2.1铝合金在航空领域的应用（2）Boeing777客机所用先进铝合金目前Boeing777客机所用的主要先进铝合金主要有7055-T77，7150-T77，2X24-T3等，如图1所示。图1Boeing777采用的先进铝合金二、铝合金在航空航天领域的应用2.1铝合金在航空领域的应用（3）客机A380所用先进铝合金目前空客A380所用的主要先进铝合金主要有70x5、2024等，见图2及表2所示。图2空中客机A380所用主要材料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）2024HDT20266013_T785076表2铝合金在空中客机A380上的应用二、铝合金在航空航天领域的应用2.1铝合金在航空领域的应用（4）ARJ21飞机各部位采用的铝合金图3ARJ21支线客机主要铝合金分布示意图我国的ARJ21飞机各部位采用的铝合金主要包括7050-T74，7150-T77，7055-T77，2XXX-T3等，如图3所示。二、铝合金在航空航天领域的应用2.1铝合金在航空领域的应用（5）飞机上常用铝合金的特点、用途及状态合金牌号主要特点主要用途主要状态1420密度小、抗蚀性好机身蒙皮和纵梁、座舱、油箱、舱口盖、地板、翼肋、管道附件2024强度高，有一定耐蚀性，综合性能较好飞机蒙皮、骨架、肋梁、螺旋桨元件等飞机结构件T351、T4、T8512219具有较高的室温强度和高温持久强度，热塑性好，无挤压效应，可焊接，抗腐蚀性差飞机蒙皮与结构件T31、T37、T87、T851、T35112324高强、高韧飞机结构件T392524高强、高韧、抗疲劳强度高机身蒙皮T33003良好的抗腐蚀性能和延展性、密度小发动机过滤网H225052中等强度、良好的耐蚀性和焊接性、易于加工成形风扇叶片、储油箱H32、H34、H112表3飞机用主要铝合金的特点、用途及状态合金牌号主要特点主要用途主要状态7050高强、良好的断裂韧性和抗腐蚀性能、淬火敏感性低飞机机身框架、机翼蒙皮、舱壁、桁条、加强筋、肋、托架、起落架支承部件、座椅导轨T7651、T7451、T73511、T76511、T74527150高强、优良的抗腐蚀性能、优良的断裂韧性和抗疲劳性能飞机的上翼结构、机体板梁凸缘、上面外板主翼纵梁、机身加强件、龙骨梁、座椅导轨T651、T7751、T6511、T77511、T777175高强、良好的抗腐蚀性、优良的断裂韧性飞机外翼梁、主起落架、前起落架动作筒、垂尾接头T74、T7452、T765117475高强、高韧、好的抗疲劳性能和抗腐蚀性能，具有良好的综合性能飞机机身、机翼蒙皮、中央翼结构件、翼梁、舱壁、隔板、直升机舱板、起落架舱门T61、T761、T651、T7651、T73517085高强度锻造铝合金，综合性能高，适合于大截面产品桁条T7651B93пц铸造和压力加工状态各向异性小、良好的成形性、具有最低的临界冷速率形状复杂的大锻件、飞机主起落架闸门的连杆操纵装置、机体构件、直升机悬翼夹头、起落撬、弹射座椅导轨T1(T6)、T3(T73)续表3飞机用主要铝合金的特点、用途及状态二、铝合金在航空航天领域的应用2.2铝合金在航天领域的应用图4运载火箭主要铝材分布示意图铝合金在航天领域运载火箭上的应用，主要有7075、20x4、2219等，如图4所示。三、热处理工艺在航空航天铝合金上的应用航空航天领域主要应用高强高韧2xxx系和7xxx系铝合金。为了满足飞机、运载火箭等对铝合金材料高强、高韧、耐腐蚀、抗疲劳的要求，除了提高熔炼铸造技术，从源头上保证铸锭质量，以及精密的加工技术外，还需要对铝合金进行必要、精确的热处理。高强高韧铝合金热处理工艺均匀化处理固溶处理时效处理形变热处理下面仅以高强高韧7xxx系铝合金为例，以点代面，对航空航天铝合金的热处理工艺进行简要描述。三、热处理工艺在航空航天铝合金上的应用3.1均匀化处理均匀化处理单级均匀化二级均匀化连续均匀化强化均匀化三、热处理工艺在航空航天铝合金上的应用3.1均匀化处理图57x50AA铸造态组织（SEM）图67x50AA单级均化组织（SEM）465℃x24h三、热处理工艺在航空航天铝合金上的应用3.1均匀化处理图87x50AA双级均匀化组织（SEM）465℃x24h+475℃x4h图77x50AA双级均化组织（SEM）465℃x24h+475℃x2h三、热处理工艺在航空航天铝合金上的应用3.1均匀化处理表4均匀化处理对合金性能的影响三、热处理工艺在航空航天铝合金上的应用3.2固溶处理固溶处理强化固溶高温预析出常规固溶处理复合固溶处理三、热处理工艺在航空航天铝合金上的应用3.2固溶处理图107x50AA常规固溶组织（OM）470℃图117x50AA强化固溶组织（OM）450℃x1.5h+480℃x45min图9常规固溶和强化固溶原理示意图三、热处理工艺在航空航天铝合金上的应用3.2固溶处理时间TsTs′TcTd温度图12高温预析出原理示意图图137x50AA强化固溶组织（OM）450℃x1.5h+480℃x45min+440℃x30min三、热处理工艺在航空航天铝合金上的应用3.2固溶处理图14高温预析出处理影响晶界析出相的模型三、热处理工艺在航空航天铝合金上的应用3.3时效处理时效处理峰值时效双级时效回归再时效高强铝合金的研制基本上沿着高强度→高强度、高韧性→高强度、高韧性、耐腐蚀→高强度、高韧性、耐腐蚀、抗疲劳、高综合性能的路线发展。随之热处理状态开发则是沿着T6→T73→T76→T736(T74)→T77方向进展，也即沿着峰值时效→过时效→回归再时效处理的顺序发展。三、热处理工艺在航空航天铝合金上的应用3.3时效处理3.3.1时效温度和时间对时效强化效果的影响强度时效温度强化过时效图15温度对时效强化效果的影响（示意图）t7t1t2t3t4t5t6时效时间强度图16在不同温度下时效时合金的强度与时效时间的关系（t7＞t6＞t5＞t4＞t3＞t2＞t1）三、热处理工艺在航空航天铝合金上的应用3.3时效处理3.3.2峰值时效图17高强铝合金T6态微观组织示意图(a)Al3Zr(b)三、热处理工艺在航空航天铝合金上的应用3.3时效处理3.3.3双级时效图18高强铝合金双级时效态微观组织示意图三、热处理工艺在航空航天铝合金上的应用3.3时效处理3.3.4回归在时效处理（RRA）固溶处理预时效回归处理再时效时间/h温度/℃图19RRA处理工艺示意图三、热处理工艺在航空航天铝合金上的应用3.3时效处理3.3.4回归在时效处理（RRA）回归时间强度、硬度RRAR图20在回归和回归再时效过程中强度和硬度变化示意图三、热处理工艺在航空航天铝合金上的应用3.3时效处理3.3.4回归在时效处理（RRA）图217075铝合金在RRA处理过程中的显微组织变化示意图(a)峰值时效（120℃/24h）；(b)回归处理（200～270℃）；(c)二次峰值时效（120℃/24h）(h)(i)热处理状态抗拉强度（MPa）屈服强度（MPa）延伸率(％)晶间腐蚀等级T6(120℃/20h)57253718.94RRA-(190℃/60min)59357110.53T73-（120℃/20h+165℃/12h）5214859.33三、热处理工艺在航空航天铝合金上的应用3.3时效处理表57x5xAA不同时效处理后性能比较表三、热处理工艺在航空航天铝合金上的应用3.3时效处理3.3.4回归在时效处理（RRA）1989年美国的Alcoa公司以T77热处理状态为名注册了第一个可工业应用的RRA处理工艺规范，并将这种工艺用于7150铝合金的热处理，并首次将经过T77处理的7150铝合金厚板和挤压件用于C－17军用运输机。第四代高性能铝合金最关键的T77热处理技术我国尚未工业应用。三、热处理工艺在航空航天铝合金上的应用3.3时效处理3.3.5形变热处理形变热处理是通过塑性变形和热处理相结合的工艺，用于改善过渡沉淀相的分布及合金的精细结构，以获得较高的强韧性及抗蚀性。最早的工艺是由Wert等人在1981提出．该工艺主要适用宇航结构的合金。实践表明，形变热处理改善7050、7475合金力学性能具有明显的效果。四、结束语综上，本人认为，为了满足航空航天工业的发展，必须继续大力发展铝合金热处理工艺技术，保证其竞争力。目前，铝合金热处理工艺技术国外已经发展到370余种，我国仅有100余种。第四代高性能铝合金最关键的T77热处理技术我国尚未工业应用。世界铝合金热处理工艺技术在发展的同时，我国应该以生产“大飞机”为契机，开发先进的热处理工艺技术，提高铝材的综合性能，满足国内航空航天工业对铝合金性能的要求。谢谢！说明：课件中数据、图、表均来自公开发表的论文、或网络。