航空航天高强度、高韧性、耐腐蚀铝合金材料的发展方向及工艺处理

超高强铝合金一般指屈服强度在500MPa以上的铝合金,常见的就是牌号为7系列的超硬铝。该系列铝合金最初是在航空航天的应用背景下研发的,目前已发展成为世界各国军、民用飞机的主要结构材料,在飞机结构件中占到70-80%比重,并在很多领域替代了昂贵的钛合金,成为不可缺少的重要轻质结构材料。随着现代航空航天领域,核工业,交通运输业的持续发展,对结构件的综合性能提出了更高的要求,集质轻、高强、高韧、高断裂韧性、抗应力腐蚀能力于一身的新一代超高强铝合金无疑是首选方案。

航空航天用铝合金发展背景及现状

铝合金作为一种较为成熟的轻质高强合金材料在航空航天中的使用量巨大,铝合金材料一般作为结构材料使用,比钢有更高的比强度和更优异的加工性能。

航空航天领域主要发展高强、高韧性和耐腐蚀性强的铝合金材料以满足航空航天严苛的使用条件,应用比较多的为2000系和7000系铝合金,在高强铝合金的基础上进行工艺的改良和材料配方的改进,通过粉末冶金、喷射成型等创新的生产工艺发展性能更优异的轻质铝合金材料,开展铝基复合材料及超塑性铝合金材料相关研究。

在轻质高强铝合金的发展应用过程中,应力腐蚀问题是伴随铝合金的整个应用发展史之中的主要问题,如何削弱或延缓高强度铝合金在使用过程中的应力腐蚀问题,成为铝合金应用过程中的主要难题。

在航空航天领域应用较多的有2000系铝合金的主体成分主要是铝(Al)、铜(Cu)、镁(Mg)3种元素,7000系的铝合金主要成分是Al、锌(Zn)、Mg、Cu元素,还有一些通过加入一些特殊元素获得的高性能(高强、高韧、耐腐蚀性能)铝合金材料。目前,获得高性能铝合金材料的主要方法是通过改变熔铸条件实现。

2000系铝合金主要以Cu为主要的合金元素,铝合金材料中加入适量的Cu元素制备的合金在强度、耐热性、加工性能上会有更好的提升,但耐腐蚀性能会降低,因为Cu元素的引入会使铝合金内部更容易呈现晶间腐蚀,材料组成元素直接影响着铝合金的性能。因此,对于2000系的铝合金一般都在表面做纯铝或6000系铝合金包覆处理作为本体铝合金的电化学保护膜,提高其耐腐蚀的性能。后来学者对于不同牌号铝合金提高应力腐蚀性能的方法进行了很多研究,在一定程度上延缓了铝合金的应力腐蚀的程度。

铝合金材料是确保飞机安全飞行的重要部件材料,不同部位铝合金材料的选型及性能预测直接关系到飞机的安全可靠性,预测航空铝合金材料的失效问题直接关系到生命安全,需要引起广泛重视。

性能优异的高强铝合金主要应用在航空航天及军事领域,因为航空航天及军用类产品对减重的要求极高,高比强度的材料是航空航天的优选材料,在飞机用铝材中,7000系高强高韧铝合金和2000系中强高韧铝合金起着重要作用。

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2000系铝合金的耐温性优良,主要用于航空航天耐高温部件中,优异的耐温性主要是因为2000系铝合金内部具有复杂的化学组成和相组成,能够在高温状态下保持良好的强度稳定性和工艺性能,多用于150~250℃温度范围内工作的耐热零件和耐热可焊接的结构件及锻件。

2000系合金中存在铁(Fe)和硅(Si)的杂质,这2种杂质的存在会生出粗大的杂质相,严重影响断裂韧性和短横向力学性能。因此,研究人员从调整合金元素含量和降低Fe、Si杂质相的考虑出发,提高2000系铝合金的强度和韧性并通过加入镍(Ni)元素的方法提高铝合金的耐热性能,通过调节Cu的含量来改善铝合金材料的焊接性能。对于薄壁的铝合金材料主要提高其耐损伤容限性能,对于厚壁的铝合金材料主要提高其耐应力腐蚀的性能和韧性,通过铝合金最后的应用场合的不同调节元素含量和热处理方法找到最优异的匹配材料。

7000系铝合金以Zn最为主要添加元素,通过热处理可强化铝合金的韧性,合金中加入Mg元素后可以提高它的热变形性能并扩大淬火范围,改变热处理条件可以改善强度、焊接性和耐腐蚀性,但Mg元素的引入使得铝合金的应力腐蚀倾向严重,因此,7000系铝合金属于高强可焊且应力腐蚀敏感度高的合金。而加入Cu元素的Al/Zn/Mg/Cu合金则具有更高的强度,属于超高强铝合金,屈服强度与拉伸强度十分接近,屈强比和比强度都很高,但塑性较差,且在高温下的强度较低,经常用于使用温度低于120℃的承力结构件。

7000系铝合金的加工性能优异、耐蚀性和高韧性使其成为航空航天的主要结构材料。国际上早在19世纪20年代就认识到了铝合金中加入Mg、Zn后共同热处理具有强化效果,但是出现较严重的应力腐蚀开裂问题,可通过添加微量的铬(Cr)、锰(Mn)、钼(Mo)改善应力腐蚀开裂的问题,并实现在舰载战斗机上的大量应用。尤其在1943年美国开发的7075合金首次应用到B-29型轰炸机上,给飞机结构和性能带来了革命性的变化,随后7000系铝合金如雨后春笋一样被各国效仿及开发,被大量应用于高端制造产品中。

20世纪60年代美国在7075铝合金的基础上进行改良,开发出了更强、更韧更抗应力腐蚀的7050合金,主要用到F-18的抗压结构件中,随后又开发出了7150合金,用于制造波音757/767及空客A301等民用大飞机的上翼结构。20世纪80年代,美国等在7150基础上成功研制7055合金,强度比7150高约10%,具有较高的综合性能,用于波音777客机的上翼蒙皮、机翼桁条。

为提高安全性及可靠性,飞机设计选材由追求高静强度法逐渐向高损伤容限法转变,要求铝合金材料应该具备更高的断裂韧性值和更高的抗应力腐蚀开裂值,在铝合金材料的设计和热处理工艺研究中都需要着重考虑提高断裂韧性值和抗应力腐蚀开裂值。

7系铝合金在应用过程中的主要问题是高强度与应力腐蚀敏感性的矛盾关系,学者们做出了大量研发来解决高强度铝合金应力腐蚀敏感性强的问题,通过改变元素组成、热处理工艺及形变热处理等方法不断改善7系铝合金的应力腐蚀敏感性,各国都做出了大量的研究,积累了大量的数据,也取得了一定的成果。

大体上铝合金的发展方向是从高强、低韧到高强、高韧再到高强、高韧、耐腐蚀发展的,热处理状态开发沿着T6到T73到T76到T736到T77发展,合金化程度越来越高,Fe、Si等杂质含量越来越低,微量过渡族元素添加越来越合理,最终综合提升合金整体性能。

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我国对于高强高韧铝合金的研究起步较晚,始于20世纪60年代,起初主要以仿制美国为主,主要对美国的2000系和7000系合金进行了仿制,有2014、2024、2324、2525、7075、7001、7475、7055合金等。近些年来,我国不断加大高强铝合金的研发力度,集中优势科研院所和企业形成合力,组织广西南南铝加工有限公司、东北轻合金有限责任公司、中南大学、东北大学、上海交通大学、北京航空材料研究院、有色金属院等完成了一系列国家重大课题,取得了较好的成果,基本具备了高强铝合金材料的批量生产能力,满足国家重大工程对高强铝合金材料的应用需求。

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在我国,铝合金材料虽然经过多年发展,但与国际先进水平相比仍存在不小的差距。具体表现为:一是产品多为仿制,全面自主知识产权的铝合金材料还没有,还未建立生产铝合金材料的标准体系;二是基础研究薄弱,开发时间短,数据积累不足;三是生产加工设备落后,产品质量管控体系不健全。鉴于此,未来我国铝合金材料的发展方向应为:

1)改变组成元素含量和配比;

2)开发对应不同性能需求的铝合金材料配方,通过改变凝固外场条件,提高合金元素固溶量,改善铝合金性能,通过添加如锆(Zr)、钪(Sc)、铒(Er)等元素采用微合金化方法改善铝合金性能;

3)进一步提纯合金,减少Fe、Si等杂质,控制杂质含量,生产高韧性高强度铝合金材料;

4)研发新的热处理工艺技术,对不同性能要求的铝合金建立不同的热处理工艺卡片,建立相应的技术标准规范体系,保证不同牌号铝合金的工艺稳定性。

高强铝合金在航空航天领域应用情况

铝合金因其优异的性能,成为航空航天装备的主要结构材料,铝合金的发展过程主要经历了5代。

第1代铝合金,通过时效硬化处理得到高静强度的铝合金,主要应用在运—5和轰—5中;第2代铝合金,通过过时效处理工艺得到的高强耐蚀的铝合金,主要应用在运—6、轰—6、歼—11、运—8等军机中;第3代铝合金,以高纯为基础,生产高纯度的铝合金,具有高强高韧耐蚀的优异性能,主要应用到歼—10、枭龙、ARJ21中;第4代铝合金,通过精确控制多尺度第2相为基础的工艺得到超强高韧耐腐蚀抗疲劳的铝合金,主要用在ARJ21和大运机中;第5代铝合金在研产品,研制具有高淬透性的高综合性能铝合金,主要应用在大型航空航天运载工具中。

随着材料技术的不断攻关,高性能材料在航空航天工艺的发展中不断迭代,新材料的涌现不断倒逼传统材料技术前进,铝材在性能、规格方面面临着极大的挑战,要求铝合金材料更高强、更轻质、更可靠和更长寿,具备极端环境下的服役性能、高强高韧耐腐蚀耐疲劳,加工后低残余应力的大规格高性能材料。通过控制热处理工艺、精确调控材料微观组织等方法来提高铝合金的综合性能,满足航空航天工业发展对材料的苛刻要求。这就需要我们应用最新的国际国内的科研成果,加工高精密的铝合金材料(薄板连铸连轧、电磁铸造、快速凝固、流变铸造、喷射沉积、深冷加工等工艺)满足高端应用场景对高强铝合金的需求。

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在航空装备中,不同部位对于铝合金材料的选材具有精确的选型要求。飞机上不同部位应用的铝合金主要有2X24,7X75,7X5X等,随着铝合金材料工艺的不断改进,在飞机不同部位的应用牌号也在不断调整(见表1)。

表1 飞机不同部位铝合金牌号应用发展历程

高强铝合金材料在波音747客机上的应用主要是采用7075T6和2024T3材料较多。在波音777客机上采用的主要铝合金牌号为7055T77、7150T77和2X24T3;在空客A380上用的先进铝合金为7055/7449/7085/2024/6013/5076等合金,下机身壁板及上机身壁板都采用了铝合金材料,其他大部分则是采用碳纤维复合材料进行减重。国产大飞机ARJ21中主要应用的铝合金材料牌号主要为2X24、7050、7175、7075等。不管在在民机还是军机中用材结构比例仍然主要以铝合金材料为主,铝合金在材料成本、工艺稳定性、综合力学性能等方面仍具有不可替代的优势。

航空领域飞机的铝合金应用牌号及热处理状态汇总见表2。

表2 飞机常用铝合金一览表

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铝合金在航空航天领域的运载火箭上应用较多,主要牌号是7075、20X4、2219等,发动机装置、主体部件、旋转台、遥控部分等主要是铝合金7075,如液氧槽主要为2219,20X4主要用于卫星流线型外罩和控温阀部件等。此外,载人飞行器的骨架是用2024和7075铝合金制作而成,因为这两种铝合金强度高,质量轻,厚度薄。铝合金板材在这些物体上也屡被运用,比如防护板、安全装置、推进器等。

航空铝合金材料工艺技术

铝合金最后的终端使用场景与整个生产工艺过程直接相关,不同的应用场景取决于生产工艺即加工工艺的过程控制。

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铝合金材料的综合性能提升出材料成分配比,很大程度上取决于生产过程中的工艺技术参数控制,适宜的热处理方式可以很大程度上影响铝合金材料的综合性能,因此对于不同性能要求的铝合金应研发适宜的热处理技术以提高铝合金材料的综合性能。

采用高温均匀化退火工艺处理铝合金,可以使时效强化相和残留的非平衡相最大程度固溶到基体中,并使其均匀分布,提高固溶后的固溶体浓度,达到提高时效强化的效果,同时针对大型铝合金锻件的组合热处理工艺即热变形与中间高温均匀化及高温固溶处理工艺进行整个热处理过程的参数设计,可以在提高强度的同时提高应力腐蚀性能。

一般铝合金的固溶处理工艺分为2种:常规固溶处理和复合固溶处理,其中,复合固溶处理是指强化固溶及高温预析出的处理。在前期的铸锭阶段采用常温处理+低温处理的均匀化退火工艺,可控制过渡族元素的析出,而过渡族元素对再结晶有明显的抑制作用,可一定程度上提高合金亚结构强化效果,进而提高合金的断裂韧性及抗应力腐蚀性能并能够有效减弱材料的各向异性。

高强铝合金的热处理中的时效处理对铝合金的性能也有着至关重要的作用,时效处理主要有3种形式,峰值时效、双极时效和回归再时效。研制时效处理方式的目标也是使铝合金更高强、更高韧、更高的耐腐蚀和抗疲劳等高综合性能,热处理状态开发则沿着T6到T73到T76到T736到T77的方向发展,时效处理方式则是从峰值时效发展到过时效再到回归再时效处理进行顺序发展。

时效温度和时间对时效强化的效果都有影响,不同的时效处理工艺可以直接影响铝合金的抗拉强度、屈服强度、延伸率及晶间腐蚀等级。早在1989年,美国Alcoa公司用T77的热处理状态命名注册并申报了第一个RRA处理工艺规范,这也是首个可工业应用的热处理工艺规范,此工艺规范可用作7150铝合金的热处理工艺操作指导,此种工艺生产的7150铝合金厚板和挤压件被大量应用到C—17军用运输机上,在我国,采用T77热处理技术的高性能铝合金关键技术还在研制过程中,尚未产业化应用。

热处理过程中还包括形变热处理,形变热处理是通过热塑性变形和热处理相结合的工艺过程,采用形变热处理可用于改善过渡沉淀相的分布状态及合金内部的精细结构,合理的形变热处理可以使铝合金获得较高的强韧性及耐腐蚀性。形变热处理工艺早在1981年即被提出出来,主要应用于宇航结构合金,性变热处理对于改善7050、7475合金力学性能具有明显的效果。

在我国,铝合金的热处理工艺仅有100余种,距离国外的370余种还有很大的距离,应加大开发热处理工艺的力度,缩短铝合金基础热处理技术于发达国家的距离。

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高强铝合金在应用过程中有多种形式,主要有铝型材、铝板、3D打印粉末等形式。其中,铝合金型材具有质轻高强、焊接工艺成熟等优异特点,铝型材可作为大型的结构承载件在航空航天和轨道交通领域大量应用。铝型材的生产工艺主要采用连续拉挤成型工艺以提高生产效率并进行一定的预应力取向,提高型材的力学性能。在铝型材的挤压过程中,多挤压周期的连续挤压方式中,相邻2根挤压坯料间会形成界面,使得该界面在型材中的延伸长度增加,因为横向焊缝会大大影响铝型材的使用寿命,导致疲劳寿命急剧下降。

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低成本、高效率及自动化高强铝合金工艺技术的发展得到航空航天的重视,大型铝合金或钛合金3D打印技术为目前航空航天关注的重点。3D打印技术作为我国的一个前瞻战略性技术,对工程应用领域的发展有至关重要的作用。

在航空航天领域,铝合金虽然已经有大量的应用,但实际应用过程中相比钛合金和复合材料还有一定的弊端,如铝合金暴露在高于160℃的应用中力学性能及耐蚀、疲劳性能会下降,且随使用时间的延长会软化和老化,因此提升铝合金在极端工况的综合性能仍需开展大量工作。

通过3D打印技术的不断成熟,对高强铝合金粉体的开发也不断进行,新型的铝合金材料不断涌现,持续刷新性能新高。如由Amaero和澳大利亚莫纳什大学共同研发的Amaero HOT Al这种新型的铝合金在3D打印后再继续进行热处理和时效硬化后,可以实现在260℃下长时间的稳定,开发商业化的高强度铝合金新型材料适应3D打印工艺以实现铝合金的智能制造性能可控及高复杂形状成为未来发展的主要趋势。铝合金的3D打印发展前景可期,主要应用于航空航天及军工领域。

结语

随着高强轻质铝合金材料成型技术和加工技术不断发展进步,本体材料性能不断得到提升,加工成型工艺不断提升,在高端制造业发挥了轻质金属的典型优势,但是仍然存在一系列的问题,需要在现有基础上进一步开展如下工作:

一是不断加大高强铝合金材料科学基础技术的研发,从材料成分组成、热处理工艺、加工工艺等诸多方面进行高强铝合金材料性能的提升;

二是加强对高强铝合金生产设备的开发研制,使铝合金的传统工艺向智能制造工艺快速转变;

三是加强国际技术合作,借鉴国外先进的技术开发经验及研发理念。

责任编辑:乔欣

审核人:朱光明

来源:前沿材料、中国腐蚀与防护网、铝精深加工

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