航空鋁材路在何方
專欄:行業資訊
發布日期:2014-10-29
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作者:佚名
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中國鋁合金航空材料的發展歷程,今天咱們接著航空鋁合金材料這個話題來談談航空鋁合金的發展趨勢:飛機的發展趨勢是高速、長服役期、安全可靠、低的結構重量系數、低成本和低維護工作量和綜合隱身。鋁工業必須為飛機的更新換代提供新的材料,而且要超前一些。當前航空鋁合金的發展總體來說,主要是圍繞強度、剛度、耐熱性、耐蝕性、長使用期限、低成本制造成形技術等而展開的。1強度與剛度 目前材..........

       中國鋁合金航空材料的發展歷程,今天咱們接著航空鋁合金材料這個話題來談談航空鋁合金的發展趨勢:

飛機的發展趨勢是高速、長服役期、安全可靠、低的結構重量系數、低成本和低維護工作量和綜合隱身。鋁工業必須為飛機的更新換代提供新的材料,而且要超前一些。當前航空鋁合金的發展總體來說,主要是圍繞強度、剛度、耐熱性、耐蝕性、長使用期限、低成本制造成形技術等而展開的。

1強度與剛度

       目前材料工作者采取的主要措施:提高合金化元素含量,不過增加合金元素含量會給合金的熔煉、鑄造、加工、成形等帶來一系列困難,對合金的抗腐蝕性能、斷裂韌度、疲勞性能等都可能有不利的影響。

對合金進行微合金化,此舉被認為是最可取的有效措施之一,例如向Al-Mg系及Al-Zn-Mg-Cu系合金添加質量分數小于0.5%的Zr和或Sc等元素,向Al-Li合金添加Zr、Sc、Zn、Ag等。

熱處理主要是開展多級、分步固溶、時效處理,在滿足抗腐蝕性等要求前提下,盡量提高合金的強度性能。

采的新的制造技術--噴射沉積技術和粉末冶金法制備合金錠坯。后一工藝可以獲得強度很高的合金,但是成本高,不易制備大構件;而噴射沉積法被認為是發展下一代高強鋁合金較好的技術,能以相對低的制備成本生產大型錠坯,可使7xxx系合金的w( Zn+Mg)含量超過14%限度,以達到提高強度目的。目前可以穩定生產抗拉強度超過700N/mm2的7xxx系航空鋁合金,中國有些研究院已制成這種材料并取得多項專利。

2耐熱性

       飛行速度的提高必然使飛機的氣動加熱問題和過載問題變得突出,F/A-22在M2.0飛行時的駐點溫度達到121℃。而當飛機俯沖,機動飛行時可達M2.5,那時駐點溫度可超過150℃,這是鋁合金蒙皮可耐受的極限溫度,達此溫度安全隱患便顯得突出,因此必須提高鋁合金的耐熱性能。當今在這方面的研究工作主要集中在:

向低合金化的2xxx系合金添加少量的Fe和Ni,如新近研發的2650鋁合金,是一種耐熱合金,可用于制造超音速飛機的蒙皮。

向傳統2xxx合金添加微量特殊合金化元素例如Ag,美國的C415鋁合金是美國鋁業公司研發的此種合金。

采用粉末冶金法、噴射沉積法制備耐熱合金,取得了較大進展,有可能成為未來制備高溫鋁合金的主要工藝。美國用這些工藝制備成功的8019鋁合金,1990年注冊,是一種w(Fe)=7.3%~9.3%的高溫鋁合金;還制成了一種牌號為8009的耐熱鋁合金。中國也自行制備出可在 350℃使用的噴射沉積鋁合金。
3可靠性與長期服役性

       為了飛機有高的可靠性與盡可能長的使用期限,要求材料具有高的斷裂韌度、抗疲勞強度與抗腐蝕性能,采取的主要措施:

       提高合金的純凈度,即降低鋁中固有雜質Fe、Si的含量,現在幾乎所有的航空鋁合金都有對應的高純型合金。

       嚴格控制合金成分,減少難熔相、過剩相數量,如2524鋁合金的成分范圍比2024鋁合金的窄得多,它們的強度水平相同,但前者的斷裂韌度、疲勞性能卻比后者的高得多。

       改變現行熱處理制度參數與開發新的熱處理工藝成為研究重點之一,例如為提高7xxx鋁合金的抗腐蝕性能與斷裂韌度開發出T73、T74、T76 狀態以及最近研發的三級時效T77狀態。這些狀態的材料在強度、斷裂韌度、抗腐蝕、疲勞性能四方面都能滿足最新軍、民用飛機設計的要求。

       為提高鋁合金的抗腐蝕性采取的措施有:除對傳統的2xxx、7xxx系鋁合金板材進行包鋁以外,國外研制成功抗蝕性高的6013、6056鋁合金,中國研制成功7A33合金;除對7xxx系鋁合金進過時效處理外,現在也開始研究6013、6056等鋁合金的過時效處理,如T78熱處理技術,以及一些 2xxx系鋁合金的過時效制度和特性,如俄羅斯對AK4-1鋁合金進行T2處理。看來,多級時效是提高鋁合金抗腐蝕性能、強度、韌度、疲勞性能等綜合性能的有效措施。除以上的方法外,還可以采用陽極氧化處理、涂漆、噴粉、貼膜等技術進行表面防護,提高鋁合金的抗腐蝕性能。

4減重

       鋁合金對飛機減重有兩方面意義: 一是減輕鋁合金本身的絕對質量;二是提高鋁合金的比強度。常用的減重措施:

       提高合金的比強度,開發高強度合金,如美國的7055鋁合金,蘇聯的B96鋁合金,以及用噴射沉積法生產的一些高成分鋁合金。

       開發Al-Li合金,目前已研制成功一系列2xxx系的、5xxx系的、8xxx系的Al-Li合金,并在航空航天器制造中獲得應用。中國天宮一號資源艙艙段的結構部分用Al-Li合金材料代替傳統材料,為艙段成功減重10%以上;C919 大客機機身等直段部件是用Al-Li合金制造的。蘇聯研發的 1420系列Al-Li合金的強度雖然不高,但是密度低,在制造承力件及非承力件方面獲得廣泛應用。采用粉末冶金法可以制備密度很低的Al-Li 合金,如Al905XL等。今后Al-Li合金的發展趨勢是提高其比強度,降低生產成本,加強廢料回收與利用。

       蜂窩鋁結構及泡沫鋁構件。蜂窩鋁結構在航空器制造中已獲得成功應用,是用鋁箔制備的,生產成本較高,目前正在開發用泡沫鋁取代蜂窩結構的研究工作。

5 適應新成形技術的新合金

       在航空器鋁合金低成本制造技術方面,目前開展的主要工作有:

       時效成形和超塑成形,前者又被稱為蠕變成形   或蠕變時效成形,是為大幅度降低飛機零件的制造成本而開發的新成形技術,美國正在研究新型鋁合金以適應用此法制造機翼的上下翼面。采用此法成形的鋁合金機翼的強度、抗腐蝕性與耐熱性都得到全面提高,不過合金的損傷容限卻有所下降。因此,蠕變成形鋁合金成為研究課題。鋁合金的超塑成形已得到廣泛應用,但不足之處是成形速率低,還需要研究成形速率高的而各項性能又能全面滿足設計要求的新型超塑鋁合金。

       鋁合金零部件的連接在飛機制造中起著重要作用,鉚接法仍是主要工藝。一般地說鋁合金的可焊性并不令人滿意,在飛機零部件與結構的連接中焊接用得不多。而焊接效率比鉚接的高得多,連接成本低。因此,應大力研發可焊性好的鋁合金;采用新的焊接工藝,如摩擦攪拌焊(FSW)等。


本文關鍵字:航空鋁合金鋁合金板材

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