上海铝工业展|航空铝合金研究进展与发展趋势
今天上海铝工业展小编就来聊一聊航空铝合金研究进展与发展趋势。
1、上海铝工业展浅谈航空铝合金发展历程
国内外航空铝合金的代次划分主要以变形铝合金为主。在航空上应用的变形铝合金主要以 2XXX 系( Al-CuMg 系) 和 7XXX 系( Al-Zn-Mg-Cu 系) 为主，其它如 6XXX系( Al-Mg-Si 系) 和 Al-Li 合金虽然也有一定的应用，但总体用量较少，下文将以 2XXX 系和 7XXX 系铝合金的发展介绍航空铝合金发展历程，表 1 总结了各代次铝合金的关键技术、代表性合金等。
第一代是静强度铝合金，发展于 1906 年至 20 世纪50 年代末，主要是为了满足飞机静强度设计需求，是伴随着铝合金沉淀硬化技术的发明而研发，在峰时效状态下使用， 典型合金为 2024-T3、 7075-T6、 2A12-T4、7A09-T6 等。铝合金应力腐蚀失效引起的飞机失事促使飞机设计对高强铝合金提出了耐腐蚀的需求，此时伴随着 T73、T76 等过时效热处理技术的发明，材料科技人员研发了第二代耐腐蚀铝合金，典型合金为 7075-T73、7075-T76、7A09-T73、7A09-T76 等。美国在 20 世纪 70 年代初期研发了第三代高纯铝合金，典型合金为在 7075 基础上降低 Fe 和 Si、添加Zr 研发的 7050、7475 合金，在 2024 合金基础上研发的2124、2224、2324 等，此时欧洲也同步发展了 7010、7040 等合金，俄罗斯也通过合金纯化手段研发了 Д16Ч、B93ПЧ、AK4-1Ч、B95ЛЧ 等高纯合金，国内同时发展了2D70、2D12、2B06、2124、7050 等合金。
材料研究人员研发了第四代高性能铝合金，主要包括超高强铝合金、耐损伤铝合金、高强韧低淬火敏感性铝合金等。典型合金包括超高强铝合金 7150-T77 和 7055-T77，其中 7055-T77铝合金是美国 20 世纪 90 年代研发的“王牌合金”，强度达到 600 MPa 级，是目前实现批量应用的强度最高的航空铝合金; 低淬火敏感性铝合金有美国铝业公司的7085、德国爱励铝业 7081 等; 耐损伤铝合金有 2524-T3、2026-T3511 等。国内则同步发展了超高强铝合金 7A55、7B50，结合 T77 精密热处理技术，其强度达到了 600 MPa级; 还研发了典型耐损伤铝合金 2E12，在强度水平与2024 相当的情况下，疲劳裂纹扩展速率降低了一个数量级，断裂韧性明显提高; 此外还研发了高强低淬火敏感性铝合金 7A85，最大淬透深度达 300 mm，满足了飞机厚大截面零部件的选材要求。随着航空工业的蓬勃发展，在航空装备发展需求的牵引下，国内先进铝合金生产装备的配套建设及材料制备关键技术取得突破，国内第四代先进航空铝合金已经实现工业化稳定制备并装机应用，如长度达到 20 m 的 7B50、7A55 轧制厚板，厚度300 mm的 7A85 锻件均已实现批量装机应用。这些成果表明国内航空铝合金的研制与生产应用已经达到国际先进水平。
2、上海铝工业展浅谈航空铝合金研究热点
2. 1 合金成分设计
Zn，Mg，Cu 等主合金元素是影响航空铝合金综合性能最主要的因素，国内外的航空铝合金都是通过调整主合金元素的含量，达到不同的 Zn /Mg 及 Cu /Mg 含量比，形成了不同的主干合金，在主干合金的基础上形成合金的系列化发展。提高 7XXX 系合金中 Zn，Mg 含量可以促进主要强化相 η 相( MgZn2 ) 的析出，而 Cu 元素可以提高熔体的流动性以改善铸造性能，提高熔铸质量，同时影响 Zn，Mg 元素的固溶、析出以及晶界晶内电位差等，进而影响材料剥落腐蚀、应力腐蚀性能和淬透性等性能。综合国内外航空铝合金的成分特征可以看出，主合金元素成分变化趋势为: 高合金化元素总量、高Zn、低 Cu、高 Zn /Mg 含量比、低 Cu /Mg 含量比。除主合金元素外，微合金化元素也是影响航空铝合金性能的一个重要因素。
第三代铝合金 7050 中，首次选择 Zr 作为微合金化元素，细化铝合金铸态晶粒，经过热处理后生成大量细小球形共格亚稳定 L12 型 Al3Zr 弥散相，起到细晶强化和弥散强化的双重作用，显著提高了铝合金的综合性能。至此，微合金化元素种类及添加量的选择逐渐进入了铝合金研究者的视野。稀土元素 Sc 由于对铝合金组织有强烈的细化作用，对晶粒的细化效果居于其他元素之首。
近年来，高强 7XXX 系铝合金添加Sc 一直是研究热点，复合添加 Sc 和 Zr，可生成 Al3 Sc、Al3Zr 和 Al3( Sc，Zr) 强化相，进一步细化铝合金组织，并形成核-壳结构提高材料热稳定性。由于 Sc 的成本较高，研究者们同时致力于铝合金低成本的微合金化研究，如添加 Er等低成本稀土元素，通过纳米级 Al3Er 析出相钉扎位错和亚晶界，提高铝合金的强度和再结晶温度，改善合金的综合性能。在其他元素微合金化方面，研究了 Mn，Ti，Cr，Er，Zr，Pr 元素的单独或复合添加对材料性能的影响，如添加适量Mn 可有效消除各向异性，Fang 等发现( Al，Zn，Mg，Cu，Cr) 3( Zr，Pr) 析出相产生钉扎作用，强化材料的同时抑制了再结晶。
2. 2 熔铸技术
目前，航空铝合金熔铸技术研究主要围绕以下 3 个方面开展。
( 1) 铝合金铸锭成型技术
铸锭裂纹产生的直接原因是铸锭的强度与塑性无法承受铸造产生的内应力，而铸造应力主要是在熔体结晶和铸锭冷却过程中径向和轴向温度差造成的不同步收缩而引起的。因此，改善冷却条件将有利于减小铸锭应力，从而降低铸锭开裂倾向。
( 2) 铝合金铸锭冶金质量控制技术
目前研究主要集中在炉内精炼、在线除气、在线过滤等方面。其中，炉内精炼主要使用透气砖精炼来替代传统的六氯乙烷精炼，可在降低环境污染的同时提高净化效率; 在线除气主要通过箱式除气装置，如 Alpur、SNIF ( spinningnozzle inert flotation) 、LAＲS( liquid aluminum refining system) 等，和流槽除气装置，如 ACD( aluminium compactdegasser) 等，通过惰性气体或氯氩混合气体对浇铸前的熔体进行进一步除气处理; 在线过滤则主要使用不同目数、层数搭配的陶瓷过滤装置来控制熔体中的杂质含量。
( 3) 铝合金铸锭显微组织控制技术
电磁铸造是将中频、低频电磁场与传统直冷式结晶器进行耦合，所制备铸锭的表面较为光滑，同时具有比较均匀的内部组织，几乎无粗晶层。
但该技术对整个铸造过程和各项参数需要控制得非常严格，目前在国外只有肯联铝业、美国铝业公司等少数铝加工企业实现了工业化应用，国内目前处于研究阶段，未实现工业化应用。除新型的铸造技术外，晶粒细化剂的选择及作用机理也是一个研究热点，通过添加晶种合金，引入高效精准的晶种作为异质形核衬底来实现晶粒细化是重要的研究方向。近年来，TiCx 被认为是一种有效的铝合金形核剂，Yang 等对 TiCx 促进 α-Al 形核的科学机理进行了深入研究。
2. 3 热变形技术
国内发展了强变形轧制工艺，实现了在较小总变形量( 60%左右) 的情况下制备出性能稳定、均匀的厚板，目前已实现厚度 155 mm、宽度 2000 mm 的超宽超厚板材稳定生产，达到国际先进水平; 通过对反向挤压技术的参数精确控制，实现长度 17 000 mm 的大规格型材批量生产; 发展了单次大变形锻造技术等，实现投影面积达5 m2的大规格模锻件的制备，满足了航空应用需求。在基础研究方面，高性能航空铝合金热变形过程的组织与性能演变预测是一个研究热点，特别是描述热变形过程中的显微组织和力学性能相互关系的物理模型的构建。航空铝合金在挤压、轧制、锻造等热加工过程中，合金产品因变形诱导使微观组织中位错密度、大小角度晶界、晶粒尺寸等发生变化，并可能发生动态回复、动态再结晶、第二相析出、原子偏析等动态组织演变，演变过程受温度、变形量、应变状态、应变速率等工艺参数的影响。材料研究者在铝合金热加工过程中的物理模型和软化机理研究方面不断深入，对于深入认知铝合金静态软化机理及合金成分与工艺优化设计，以及高性能铝合金的工程化应用具有重要意义。研究人员在定性、定量显微组织表征基础上，分别建立了析出、回复和再结晶等静态软化的定量物理模型，如图 4 所示。通过建立热力耦合有限元仿真模型，结合位错密度模型、统一本构模型、粘塑性自洽模型和晶体塑性模型等跨尺度模型，可以预测热变形后材料的微观组织和力学性能演变规律。在通过理论模型进一步揭示力学性能影响机制和微观组织演变规律的同时，通过宏微观性能的定量分析，可不断加快铝合金成分、组织设计与热变形工艺参数优化。
2. 4 热处理技术
回 归 再 时 效 ( retrogression and reageing，ＲＲA) 技术［60－63］综合了单级时效和双级时效的优点，T77 是第一个申请专利的回归再时效工艺，可分为 3 个阶段( 如图 5 和图 6 所示) : 低温预时效，析出大量的 GP 区和小尺寸的 η'相; 高温回归，晶界析出相回溶; 低温长时时效，晶内、晶界析出相缓慢长大。这一过程中，通过高温回归提升抗应力腐蚀性能，利用再时效提升材料强度，实现 7XXX 系合金力学性能和耐蚀性能协同提升。然而，T77 技术高温回归阶段时间很短，只有几分钟 ～ 几十分钟，因此，T77 技术在 7XXX 系厚板的实际应用中受到极大的限制，目前，实现工业化生产应用的厚板最大厚度仅为 80 mm。
为进一步提高航空铝合金的综合性能，国内在 2000年左右率先开展了非等温时效工艺研究，并取得了一系列研究成果。如针对厚大截面 ( 截面厚度达 300 mm)7A85 铝合金，在非等温时效过程中通过升温和降温速率的适当匹配可以使 7A85 合金获得类似或优于双级过时效处理后的综合性能，且使时效效率提高 1 倍; 针对高合金化铝合金，如 7055 合金，通过非等温时效工艺获得了与 T77 相同的效果，但工艺流程更加简单，有效节约了成本。但在工业化条件下如何准确控制升/降温速率尚未解决，因此非等温时效工艺尚未实现工业化应用。基于非等温时效工艺，结合工业化大生产条件开展积分时效工艺研究，是针对高合金化厚大截面铝合金的时效工艺的一个研究重点。
3、上海铝工业展浅谈发展趋势与展望
3. 1 研发新一代高性能航空铝合金
第三代 7050 铝合金是目前国内外航空应用最为成熟、最为广泛的铝合金，用于国内外多种飞机型号的主承力结构，其强度水平在 500 MPa 级，厚板最大使用厚度可达 200 mm。第四代超高强铝合金 7B50、7A55 强度达 600 MPa 级，但韧性相比 7050 厚板有所下降，且使用厚度仅为 80 mm，限制了其在厚大截面零部件中的应用。航空装备强烈的减重需求迫切需要高强高韧的高综合性能铝合金: 材料厚度达到 7050 厚板规格的同时，强度提升 10% ～20%，断裂韧度、疲劳性能等不下降，以进一步完善 第四代航空铝合金材料体系。国内在 7050、7B50、7A55 等合金研究的基础上，已经基本探究出铝合金具有高强高韧高综合性能的特征微结构，目前正在开展第四代高强高韧航空铝合金的研究工作。
相关研究发现，为了降低应力腐蚀开裂敏感性，一方面要控制腐蚀的起源，即晶界析出相和其他粗大析出相的尺寸和数量等; 另一方面也要控制腐蚀的速率，即晶界和晶内的电位差和 PFZ 的宽度等。理想的组织特征是: 尺寸适中且断续分布的 GBPs，晶界 η 相含有较高的 Cu 含量，较窄的 PFZ 宽度以及较少的粗大析出相等。此外，也有研究尝试通过加入微合金化元素来定向诱导Cu 元素的析出，降低晶界和晶内电位差来提高铝合金抗应力腐蚀性能。如何平衡 Cu 含量，实现特征微结构的精确控制，是开发高强耐蚀铝合金的研究重点。随着航空装备向更快、更高、更远的方向发展，对机体结构材料耐热性和减重的要求更加突出，迫切需要发展耐热铝合金。
目前，大型结构件用耐热铝合金选材空间有限，仅有 2618、2219、2014 等经典铝合金，耐热温度均在 200 ℃以下，持续推进高性能耐热铝合金的自主研发，特别是使用温度在 250 ～ 350 ℃ 的耐热铝合金，具有重要的意义。近年来，针对耐热铝合金的研发，研究者提出微观组织稳定化为核心的材料设计思路，从热稳定强化相的选择及第二相颗粒的高温热稳定化两方面开展了大量的研究，Al-Cu-Mg-Ag 系、Al-Zn-Mg 系合金是很有潜力的耐热铝合金体系。通过引入耐热型析出相或弥散相( 如 Al3X，X = Sc，Zr 等) ，引导单一序列析出的同时构建更为稳定的析出相内部及界面结构，进而提升合金耐高温性能。
3. 2 大规格航空铝合金及构件整体成形
随着飞机对低成本、高可靠性的需求日益迫切，大型构件的整体制造已经成为飞机制造的一个重要发展方向，这就需要超大规格铝合金材料以及适用于先进整体制造工艺的铝合金材料来保证。2010 年起，国内陆续建设了航空用大规格高性能铝合金材料生产装备，如 50 t 级熔铸炉、板宽 4300 mm 级的轧机、80 000 t锻压机、12 000 t 预拉伸机等装备，国内具备生产超大规格铝合金材料的装备条件。随着航空装备尺寸的进一步增大，需要超长、超宽、超厚等超大规格厚板。尺寸放大后，要着重解决超大规格铸锭制备、热加工过程组织性能均匀性控制、热处理工艺精确调控等问题，实现工程化稳定生产及应用。随着蠕变时效成形、搅拌摩擦焊、激光束焊接等大规格铝合金构件成形技术的进步，发展超大规格铝合金构件整体成形是一个研究热点。目前时效成形技术在欧美等国家正成为机翼翼面等重要部件的新型制造技术，空客公司对 7449-T7951 厚板采用时效成形技术成功制备出空客 A380 整体机翼壁板，并使制造周期大幅缩短。针对超大规格铝合金构件整体成形技术的研究也是未来航空铝合金发展的一个重要方向。
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文章来源：材料成型及模拟分析