航空航天高強韌、耐腐蝕的鋁合金材料

隨著現(xiàn)代航空航天領域，核工業(yè)，交通運輸業(yè)的持續(xù)發(fā)展，對結構件的綜合性能提出了更高的要求，集質輕、高強、高韌、高斷裂韌性、抗應力腐蝕能力于一身的新一代超高強鋁合金無疑是首選方案。

超高強鋁合金一般指屈服強度在500MPa以上的鋁合金，常見的就是牌號為7系列的超硬鋁。該系列鋁合金最初是在航空航天的應用背景下研發(fā)的，目前已發(fā)展成為世界各國軍、民用飛機的主要結構材料，在飛機結構件中占到70-80%比重，并在很多領域替代了昂貴的鈦合金，成為不可缺少的重要輕質結構材料。

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高強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構材料使用，比鋼有更高的比強度和更優(yōu)異的加工性能。

航空航天領域主要發(fā)展高強、高韌性和耐腐蝕性強的鋁合金材料以滿足航空航天嚴苛的使用條件，應用比較多的為2000系和7000系鋁合金，在高強鋁合金的基礎上進行工藝的改良和材料配方的改進，通過粉末冶金、噴射成型等創(chuàng)新的生產工藝發(fā)展性能更優(yōu)異的輕質鋁合金材料，開展鋁基復合材料及超塑性鋁合金材料相關研究。

在輕質高強鋁合金的發(fā)展應用過程中，應力腐蝕問題是伴隨鋁合金的整個應用發(fā)展史之中的主要問題，如何削弱或延緩高強度鋁合金在使用過程中的應力腐蝕問題，成為鋁合金應用過程中的主要難題。

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度、耐熱性、加工性能上會有更好的提升，但耐腐蝕性能會降低，因為Cu元素的引入會使鋁合金內部更容易呈現(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保護膜，提高其耐腐蝕的性能。后來學者對于不同牌號鋁合金提高應力腐蝕性能的方法進行了很多研究，在一定程度上延緩了鋁合金的應力腐蝕的程度。

在航空航天領域應用較多的有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，還有一些通過加入一些特殊元素獲得的高性能(高強、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改變熔鑄條件實現(xiàn)。

鋁合金材料是確保飛機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測直接關系到飛機的安全可靠性，預測航空鋁合金材料的失效問題直接關系到生命安全，需要引起廣泛重視。

國外航空航天用鋁合金材料發(fā)展情況

20世紀60年代美國在7075鋁合金的基礎上進行改良，開發(fā)出了更強、更韌更抗應力腐蝕的7050合金，主要用到F-18的抗壓結構件中，隨后又開發(fā)出了7150合金，用于制造波音757/767及空客A301等民用大飛機的上翼結構。20世紀80年代，美國等在7150基礎上成功研制7055合金，強度比7150高約10%，具有較高的綜合性能，用于波音777客機的上翼蒙皮、機翼桁條。我國與國際先進水平的差距及發(fā)展方向

在我國，鋁合金材料雖然經過多年發(fā)展，但與國際先進水平相比仍存在不小的差距。具體表現(xiàn)為：一是產品多為仿制，全面自主知識產權的鋁合金材料還沒有，還未建立生產鋁合金材料的標準體系;二是基礎研究薄弱，開發(fā)時間短，數(shù)據積累不足;三是生產加工設備落后，產品質量管控體系不健全。

鑒于此，未來我國鋁合金材料的發(fā)展方向應為：

1)改變組成元素含量和配比;

2)開發(fā)對應不同性能需求的鋁合金材料配方，通過改變凝固外場條件，提高合金元素固溶量，改善鋁合金性能，通過添加如鋯(Zr)、鈧(Sc)、鉺(Er)等元素采用微合金化方法改善鋁合金性能;

3)進一步提純合金，減少Fe、Si等雜質，控制雜質含量，生產高韌性高強度鋁合金材料;

4)研發(fā)新的熱處理工藝技術，對不同性能要求的鋁合金建立不同的熱處理工藝卡片，建立相應的技術標準規(guī)范體系，保證不同牌號鋁合金的工藝穩(wěn)定性。