机械工程材料论文

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题目：先进铝合金在航空航天中应用

学生姓名：靖子果 学号：140103231 专业班级：机电一体化二班 指导老师：李蒙

2015年12月26日

目 录

题目：先进铝合金在航空航天中应用 ........................................................................................... 1

1.1铝合金的定义............................................................................................................................. 3

1.2铝合金的命名............................................................................................................................. 3

1.3铝的性质 .................................................................................................................................... 3

2.1飞机结构选材对铝合金的技术要求 ......................................................................................... 4

2.2航空用2000系与7000系铝台金的应用与发展 ..................................................................... 5

3.1结语 ............................................................................................................................................ 9

参考文献......................................................................................................................................... 10

1.1铝合金的定义

铝合金是纯铝参加一些合金元素制成的，如铝—锰合金、铝—铜合金、铝—铜—镁系硬铝合金、铝—锌—镁—铜系超硬铝合金。

1.2铝合金的命名

1970年12月制定的变形铝及铝合金国际牌号命名体系推荐方法命名的牌号如下； 航空、航天和军事工业主要使用的铝材代表牌号是7075、7050，2024、2124。

7×××系列硬度最高，锌Zn在这个系列是主要的合金元素。以7075-T651铝合金位代表制品，其机械性能超过低碳钢。

2×××系列综合性能最好，铜Cu在这个系列是主要的合金元素，在热处理后其机械性能会相等或超过低碳钢。

以上这两个系列的生产水平是代表一个国家的军事实际力量。 1×××系列为纯铝。

3×××系列，锰Mn在这个系列是主要的合金元素。 4×××系列，硅Si在这个系列是主要的合金元素。

5×××系列，镁Mg在这个系列是主要的合金元素。 6×××系列，硅Si和镁Mg在这个系列是主要的合金元素。

1.3铝的性质

物质的用途决定于物质的性质。由于铝有多种优良性能，因而铝有着极为广泛的用途。

(1)铝的密度很小，仅为2.7 g/cm3，虽然它比较软，但可制成各种铝合金，如硬铝、超硬铝；防锈铝、铸铝等。这些铝合金广泛应用于飞机、汽车、火车、船舶等制造工业。此外，宇宙火箭、航天飞机、人造卫星也使用大量的铝及其合金。例如，一架超音速飞机约由70%的铝及其合金构成。船舶建造中也大量使用铝，一艘大型客船的用铝量常达几千吨。

(2)铝的导电性仅次于银、铜，虽然它的导电率只有铜的2/3，但密度只有铜的1/3，所以输送同量的电，铝线的质量只有铜线的一半。铝表面的氧化膜不仅有耐腐蚀的能力，而且有一定的绝缘性，所以铝在电器制造工业、电线电缆工业和无线电工业中有广泛的用途。

(3)铝是热的良导体，它的导热能力比铁大3倍，工业上可用铝制造各种热交换器、散热材料和炊具等。

(4)铝有较好的延展性（它的延展性仅次于金和银），在100 ℃～150 ℃时可制成薄于0.01 mm的铝箔，这些铝箔广泛用于包装香烟、糖果等，还可制成铝丝、铝条，并能轧制各种铝制品。

(5)铝的表面因有致密的氧化物保护膜，不易受到腐蚀，常被用来制造化学反应器，医疗器械，冷冻装置，石油和天然气管道等。

(6)铝粉具有银白色光泽（一般金属在粉末状时的颜色多为黑色），常用来做涂料，俗称银粉、银漆，以保护铁制品不被腐蚀，而且美观。

2.1飞机结构选材对铝合金的技术要求

铝合金是飞机机体中最主要的结构材料。对于民航飞机来说，铝台金的用量一般要占到80％以上；在现代战斗机中，铝台金的用量也在60％左右。20世纪90年代以来，从亚音速民用飞机的选材情况来看，虽然铝台金的用量有所减少，但高纯、高强、高韧、耐腐蚀等先进铝合金的用量增长较侠，在2000年之后的增长幅度将更大。

表1所示是飞机结构设计准则变化而引起的对铝合金性能需求发展历程。可以看出，现代飞机结构选材对铝台金最主要的要求是高比强度、高比刚度、高断裂韧性、低裂纹扩展速率、抗疲劳、耐腐蚀和低成本等。

表1航空工业发展对铝合金的性能需求

飞机上的不同部位对材料的要求差别较大，表2给出了现代民航飞机不同结构部位对铝舍金性能r的关键要求。以新一代美国渡音公司的B一777客机为例，其不同结构部位选用了不同的新型先进铝台金，其杰出代表是在机身蒙皮等部位选用了高损伤容限、抗疲劳、耐腐蚀的2524一T3，T4，T36铝合金，在上机翼翼面、机翼梁、框、肋等部位采用了7150一T77和7055—117等超高强度铝合金。

变形铝合金在飞机各部位的典型应用见表3

2.2航空用2000系与7000系铝台金的应用与发展

2000系(A1．Cu系)和7000系(AI—Zn系)铝合金在航空铝合金中的用量最大也是最重要的，往往作为承力结构件而被广泛采用。铝合金在航空上的应用最早可以追溯到20世纪初莱特兄弟用AI—Cu—Mn铸造铝台金制备飞机发动机的曲柄箱体。早在1903年德国人Wilm就对 AI—Cu Mg系合金进行了研究，并于1906年发现了铝合金的沉淀硬化现象，由此开发出第一个可热处理强化的铝合金，从此，揭开了铝合金飞速发展的序幕。

1920年德国率先开发出了2017一T4合金，并应用于Junker F13机身结构上。20世纪30

年

代，美国AIcoa公司开发出了2014一T6、2024一T4以及2024一T3包铝合金，并将这些台金应用到DC一3飞机中。由于当时的飞机设计中对材料追求高强度，因此，为满足航空铝合金静强度的需求，促使人们开展了对A1一Zn—Mg系台金的研究。该系台金可在空气中淬火，强化效果也高于2000系铝合金，但是由于该系台金存在着严重的应力腐蚀现象而未得到广泛应用。20世纪40年代初发现：Cu可大大提高A1 Zn—Mg系合金的强度，而且在一定程度上可改善该系台金的耐蚀性；Mn，Cr等元素可显著改善Al—zn—Mg系台金的抗应力腐蚀和抗剥落腐蚀性能。这样，在第二次世界大战期间就发展了属于A1一Zn— Mg—Cu系的高强铝台金7075一T65l，并应用于B一29大型轰炸机上。随后又发展了强度更高的7178—1"651台金，并应用于波音707上，但该合金未得到进一步应用和发展。 1954年因3架用7075合金制造机体的喷气式飞机坠毁，从而促使航空界认识到材料的损伤容限应该作为飞机机体选材的一个准则。20世纪60年代，由于航空工业的飞速发展，飞机越来越大型化，在飞机上开始使用厚大截面结构，因此出现了机体结构的应力腐蚀问题。2024一T3，7075一T6在短横向上均有应力腐蚀开裂倾向。为解决7000系铝合金的应力腐蚀等问题，研究成功了7075一n3工艺，该工艺虽然解决了7075台金的抗应力腐蚀问

题，但却使合金的静强度损失了15％左右。随后，又研制了牺牲较小强度而抗应力腐蚀性能满足要求的7075一T76工艺，从而使7075台金广泛应用于DCl0，L1011等飞机上。在2000系铝台金方面，20世纪50年代开发出了2219合金，该合金易于焊接，高、低温性能良好，可在一269～300℃温度范围内使用。20世纪60年代，英国和法国为适应发

展超音速客机的需求，共同开发出了2618合金，该台金具有优秀的高温蠕变抗力，因此被广泛用于制造飞机发动机中的高温工作零件。在20世纪70年代以前，航空铝合金的主力军 是2024和7075台金，这些合金至今仍然是许多现役机种的主要机体用材。近30多年来，航空铝台金取得了许多重大进展。为满足飞机失效安全设计的要求，研究成功了7475合金，该合金在具有高强度的同时具有优异的断裂韧性，主要用于生产T61和T761状态的薄板，以及T65l，T7651和T7351状态的厚板，该台金很快在F16战斗机及一些民用飞机上获得应用。在美国海军和空军的支持下，1971年舢coa公司开发出了7050一T74合金，该合金是美国开发的第一个含zr的7000系铝台金，其静强度和抗应力腐蚀性能均优于7075台金，主要用来生产耵651和T7451状态的厚板，T7651l和173511状态的挤压件，T7452状态的自由锻件，T74状态的模锻件和T73状态的线材，以及包铝的7050一T76薄板等，该台金在F18舰载机等机种上获得了应用。同一时期，欧洲开发出了7010合金，该合金披空客等大型客机和许多欧洲的军机大量采用。20世纪70年代后期，为满足波音757／767飞机的设计要求，Alcoa公司又研制出了7150一T6台金，随后为满足腐蚀性能的要求，开发出了T6l热处理工艺，已用于渡音757／767，空客A310、麦道MD一11等机型中：2000系铝台金在此期间也获得了较快发展，1970年Alcoa公司研制成功2124一T351，2124．T851厚板，1978年研制成功2224合金，主要用来生产T351 1挤压型材，用于制造波音767等 飞机的部分结构件。后来Alcoa和t13,eing联台开发出了2324．7"39合金．主要用来制造厚板和薄板，该合金也在波音767飞机上获得了应用¨“„。进入20世纪80年代后，虽然出现了铝锂台金、快速凝固铝合金、复合材料等新材料的竞争，但是传统的2000系和7000系铝合金仍显示出了强大的生命力。首先是7150一T77热处理工艺的成功，它第一次在铝合金中实现了既满足腐蚀性能的要求，而同时又不牺牲舍金的强度。后来又通过调整合金成分、降低Fe，si等杂质元素含量、改进生产工艺等手段，Alcoa公司发展出了7055一”7超高强铝台金板材和2524．T3超高疲劳强度板材。7055—1]7台金的强度比7075一T65l商25％，比7150—T77高8％～12％，而断裂韧性和抗应力腐蚀性能与7150．T61相当；2524一T3包铝板的断裂韧性、抗疲劳性能均高于2024，T3包铝板30％以上，被认为是

目前最理想的飞机蒙皮用材料。这两种台金首先在波音777客机上获得应用。最新的2524，

7055铝合金的主要性能指标如表4所示，其在飞机上的应用部位及性能改进情况如图1。 2000系和7000系航空铝合金在欧美等国的发展簖史可用图2表示。

20世纪90年代以来，无论是军用飞机还是民用飞机，降低成本已成为突出的问题。由于飞机的机体结构总成本的95％左右，因而降低制造成本成为飞机机体材料的主攻目标。目前欧美等国开展的主要工作有：1)大力开展7050一T74厚板的应用研究，拟通过切削加工来制备复杂零件，替代机加工的锻件或多零件装配而成的结构部件；2)研制含Sc的超塑成型7000系铝合金，据报导，新研制的含Sc台金具有高的超塑成型速率，强度与7475一T6合金相当；3)开展7055．1v77板材的应用研究，采用高速切削工艺制备飞机机体结构件，代替部分复合材料以降低成本；4)开展7055一O薄板的应用研究，7055—0薄板具有优异的抗应力腐蚀性能和成型性能，但合金的热处理工序简单。俄罗斯航空铝合金主要为皿16，且19，AK4．1舢．Cu—Mg系)和B95，B95ⅡH，B950q(AI—Zn．Mg—Cu系)等，这些合金在20世纪60年代就已基本成熟。虽然俄罗斯首先在7000系铝合金中添加少量的zr元素来替代易引起淬火敏感性的Mn和cr，并率先发展出了世界上第一个超高强铝合金B96U，但该台金却一直耒在飞机上大量应用。俄罗斯航空工业中较多地采用了铝锂合金来达到飞机 减量效果，而高强铝合金中仍大量采用B95Hq，B950q等台金„J。俄罗斯先进航空铝合金的发展水平与美国相当，在某些领域还处于领先地位。如俄罗斯的1163，1933，B96IJ,3等台金都具有优异的性能，在飞机上的应用前景广阔，这几个台金的典型半成品性能如表5。俄罗斯在含Sc铝合金的研究和开发中也处于世界领先水平。

20世纪80年代以前，我国航空2000系，7000系铝合金主要是2A12(原LYl2)合金和7A04(原L“)合金，热处理状态也仅有T3和T6两种，这两种台金广泛应用于歼5，歼6，歼7等飞机上，作为主要的承力结构件。20世纪80年代中期，我国开发了7A09(原LC9)合金，其工艺性能、抗应力腐蚀性能及综合力学性能均优于7A04合金。为进一步改善7000系铝合金的抗应力腐蚀性能，又先后研制成功了T73和1r74热处理工艺。7A09台金在歼7，歼8系列飞机中得到了大量应用。20世纪80年代后期，为满足新一代战机对机体结构材料的要 求，我国全面启动了7050一T74(锻件、厚板)，2024一T351，聪51(厚板)，T3，T36，T62，T72，T81，T86(薄板)，T3510，T8510(带板)，7075一T76(薄板)，T7351(厚板)，T73510(带板)，2124一T851(厚板)以及7475一T7351，T7651，T65l(厚板)，T6，T76(薄板)等合金和热处理状态的研究工作。目前这些合金已广泛应用于歼7系列和歼8系列飞机上。进入20世纪90年代后，我国开展了对美、俄等国一些高性能铝合金的跟踪研究工作，并进行了相应的应用研究，先后开展的项目有2224一T3510(型材)，2324一T39(厚板)，7175一T74(锻件)，7055． T77(锻件)等合金。总之，2000系和7000系铝合金是飞机机体的主要结拘材料，往往占到机体结构重量的60％以上。我国自行设计的第二代战机中铝台金占80％以上，在第三代战机中仍占N60％～70％，我国下一代战斗机的结构用材仍将以铝合金为主，并形成钢用量有所减少、钛合金用量有所增加、复合材料在主结构上全面应用的格局。

3.1结语

在航空航天工业中，铝合金是在与树脂基复合材料的激烈竞争中发展的，铝合金具有工艺性好和成本相对低廉的优势，而树脂基复合材料在比强度、比模量等关键性能方面具有更大的优势，迄今在航空航天工业中，先进铝台金和先进复合材料可以说是各有千秋。今后，先进铝合金在航空航天工业中的应用与发展方向是高纯、高强、高韧、耐蚀、低密度和低成本。结合我国的国情来说，首先要进～步稳定和提高常用铝合金的质量，满足军用航空航天工业的急需以及民用航空工业的适航要求；其次要改进现有铝合金的性能和研制新合金，以适应航空航天工业进一步发展的需求；其三是要进一步促进铝锂台金的研制，并逐步扩大其在航空航天工业上的应用。

参考文献

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2.曾汉民，李成功，等．高技术新材料要览[M]．北京：科学出版杜．1993

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