航空航天高強(qiáng)韌、耐腐蝕的鋁合金材料

隨著現(xiàn)代航空航天領(lǐng)域，核工業(yè)，交通運(yùn)輸業(yè)的持續(xù)發(fā)展，對(duì)結(jié)構(gòu)件的綜合性能提出了更高的要求，集質(zhì)輕、高強(qiáng)、高韌、高斷裂韌性、抗應(yīng)力腐蝕能力于一身的新一代超高強(qiáng)鋁合金無(wú)疑是首選方案。

超高強(qiáng)鋁合金一般指屈服強(qiáng)度在500MPa以上的鋁合金，常見(jiàn)的就是牌號(hào)為7系列的超硬鋁。該系列鋁合金最初是在航空航天的應(yīng)用背景下研發(fā)的，目前已發(fā)展成為世界各國(guó)軍、民用飛機(jī)的主要結(jié)構(gòu)材料，在飛機(jī)結(jié)構(gòu)件中占到70-80%比重，并在很多領(lǐng)域替代了昂貴的鈦合金，成為不可缺少的重要輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。

航空航天用鋁合金發(fā)展背景及現(xiàn)狀

鋁合金作為一種較為成熟的輕質(zhì)高強(qiáng)合金材料在航空航天中的使用量巨大，鋁合金材料一般作為結(jié)構(gòu)材料使用，比鋼有更高的比強(qiáng)度和更優(yōu)異的加工性能。

航空航天領(lǐng)域主要發(fā)展高強(qiáng)、高韌性和耐腐蝕性強(qiáng)的鋁合金材料以滿足航空航天嚴(yán)苛的使用條件，應(yīng)用比較多的為2000系和7000系鋁合金，在高強(qiáng)鋁合金的基礎(chǔ)上進(jìn)行工藝的改良和材料配方的改進(jìn)，通過(guò)粉末冶金、噴射成型等創(chuàng)新的生產(chǎn)工藝發(fā)展性能更優(yōu)異的輕質(zhì)鋁合金材料，開(kāi)展鋁基復(fù)合材料及超塑性鋁合金材料相關(guān)研究。

在輕質(zhì)高強(qiáng)鋁合金的發(fā)展應(yīng)用過(guò)程中，應(yīng)力腐蝕問(wèn)題是伴隨鋁合金的整個(gè)應(yīng)用發(fā)展史之中的主要問(wèn)題，如何削弱或延緩高強(qiáng)度鋁合金在使用過(guò)程中的應(yīng)力腐蝕問(wèn)題，成為鋁合金應(yīng)用過(guò)程中的主要難題。

2000系鋁合金主要以Cu為主要的合金元素，鋁合金材料中加入適量的Cu元素制備的合金在強(qiáng)度、耐熱性、加工性能上會(huì)有更好的提升，但耐腐蝕性能會(huì)降低，因?yàn)镃u元素的引入會(huì)使鋁合金內(nèi)部更容易呈現(xiàn)晶間腐蝕，材料組成元素直接影響著鋁合金的性能。因此，對(duì)于2000系的鋁合金一般都在表面做純鋁或6000系鋁合金包覆處理作為本體鋁合金的電化學(xué)保護(hù)膜，提高其耐腐蝕的性能。后來(lái)學(xué)者對(duì)于不同牌號(hào)鋁合金提高應(yīng)力腐蝕性能的方法進(jìn)行了很多研究，在一定程度上延緩了鋁合金的應(yīng)力腐蝕的程度。

在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用較多的有2000系鋁合金的主體成分主要是鋁(Al)、銅(Cu)、鎂(Mg)3種元素，7000系的鋁合金主要成分是Al、鋅(Zn)、Mg、Cu元素，還有一些通過(guò)加入一些特殊元素獲得的高性能(高強(qiáng)、高韌、耐腐蝕性能)鋁合金材料。目前，獲得高性能鋁合金材料的主要方法是通過(guò)改變?nèi)坭T條件實(shí)現(xiàn)。

鋁合金材料是確保飛機(jī)安全飛行的重要部件材料，不同部位鋁合金材料的選型及性能預(yù)測(cè)直接關(guān)系到飛機(jī)的安全可靠性，預(yù)測(cè)航空鋁合金材料的失效問(wèn)題直接關(guān)系到生命安全，需要引起廣泛重視。

國(guó)外航空航天用鋁合金材料發(fā)展情況

20世紀(jì)60年代美國(guó)在7075鋁合金的基礎(chǔ)上進(jìn)行改良，開(kāi)發(fā)出了更強(qiáng)、更韌更抗應(yīng)力腐蝕的7050合金，主要用到F-18的抗壓結(jié)構(gòu)件中，隨后又開(kāi)發(fā)出了7150合金，用于制造波音757/767及空客A301等民用大飛機(jī)的上翼結(jié)構(gòu)。20世紀(jì)80年代，美國(guó)等在7150基礎(chǔ)上成功研制7055合金，強(qiáng)度比7150高約10%，具有較高的綜合性能，用于波音777客機(jī)的上翼蒙皮、機(jī)翼桁條。我國(guó)與國(guó)際先進(jìn)水平的差距及發(fā)展方向

在我國(guó)，鋁合金材料雖然經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，但與國(guó)際先進(jìn)水平相比仍存在不小的差距。具體表現(xiàn)為：一是產(chǎn)品多為仿制，全面自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的鋁合金材料還沒(méi)有，還未建立生產(chǎn)鋁合金材料的標(biāo)準(zhǔn)體系;二是基礎(chǔ)研究薄弱，開(kāi)發(fā)時(shí)間短，數(shù)據(jù)積累不足;三是生產(chǎn)加工設(shè)備落后，產(chǎn)品質(zhì)量管控體系不健全。

鑒于此，未來(lái)我國(guó)鋁合金材料的發(fā)展方向應(yīng)為：

1)改變組成元素含量和配比;

2)開(kāi)發(fā)對(duì)應(yīng)不同性能需求的鋁合金材料配方，通過(guò)改變凝固外場(chǎng)條件，提高合金元素固溶量，改善鋁合金性能，通過(guò)添加如鋯(Zr)、鈧(Sc)、鉺(Er)等元素采用微合金化方法改善鋁合金性能;

3)進(jìn)一步提純合金，減少Fe、Si等雜質(zhì)，控制雜質(zhì)含量，生產(chǎn)高韌性高強(qiáng)度鋁合金材料;

4)研發(fā)新的熱處理工藝技術(shù)，對(duì)不同性能要求的鋁合金建立不同的熱處理工藝卡片，建立相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，保證不同牌號(hào)鋁合金的工藝穩(wěn)定性。