第二章轻金属及超铝合金

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L01～04工业纯铝L1～6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）MgCuSi≈MnZn2.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、三元相图和多元相图。Fe-C二元相图三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2.2Al-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α固溶体。冷却到常温后，绝大多数Cu以GP区或θ相的形式析出。GP区或θ相会阻碍形变过程中的位错移动，提高了硬度和强度。GP区：Guinier和Preston发现并研究为溶质原子（Cu）的富集区加热固溶淬火过饱和时效析出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•GB3190-82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。飞机翼梁(腹板为硬铝合金)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(ZL101～ZL111):活塞(裙部为铝硅合金)ZL102合金铸造组织(化染)55×2.铸造铝–铜合金(ZL201～ZL203):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合金系；第2位表示合金的改型；第3、4位表示合金的编号。合金系四位数字标记合金系四位数字标记99.00%铝1xxx铝镁硅6xxx铝铜2xxx铝锌7xxx铝锰3xxx其他8xxx铝硅4xxx备用9xxx铝镁5xxx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）。代号名称状态代号热处理状态F自由加工状态T3固溶、冷作、自然时效O退火状态T4固溶、自然时效H加工硬化状态T6固溶、人工时效W固溶热处理状态T7固溶、过时效T热处理状态T8固溶、冷作、人工时效状态代号说明与应用T73固溶及时效达到规定的力学性能和抗应力腐蚀性能T74与T73状态定义相同，但抗拉强度大于T73，小于T76T76与T73状态定义相同，但抗拉强度大于T73、T74，抗应力腐蚀性能低于T73、T74，但其抗剥落腐蚀性能仍较好表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。32332.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5.0~8.0mm的称为中厚板；厚度为0.2~5.0mm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343.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。364.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；Figure14.4(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-Li7055-T777150-T772524-T3降低制造成本的需求阶段(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。应用部位应用的铝合金机身蒙皮2024-T3,7075-T6,7475-T6机身桁条7075-T6,7075-T73,7475-T76,7150-T77机身框架/隔框2024-T3,7075-T6,7050-T6机翼上部蒙皮7075-T6,7150-T6,7055-T77机翼下部蒙皮2024-T3,7475-T73机翼下部桁条2024-T3,7075-T6,224-T39机翼下壁板2024-T3,7075-T6,7175-T73翼肋和翼梁2024-T3,7010-T76,7150-T77尾翼2024-T3,7075-T6,7050-T76表2.32系和7系铝合金在飞机结构中的应用铝合金应用情况FORTRAININGONLY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，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δ’(Al3Li)相的形式析出，起到沉淀强化作用。所以，含Li铝合金