中园氏航大学 《航空材料与腐蚀防护》讲义 Civil Aviation University of China中国民航大学理学院材料化学教研室苏景新 钢铁等都先熔化了。所以要将它溶解在一种合适的溶剂中,形成一种特殊的溶液。使用的溶 剂就是冰晶石,六氟合铝酸钠。这样就可以将电解铝的工作温度降低到1000℃以下(一般 是950~970℃) 三、铝合金的特点 铝合金作为航空器结构材料的最突出的特点是:密度小、延展性好、耐腐蚀、易加工 价格低 铝合金的密度为小27g/cm3,远小于铁合金或铜合金。 铝虽然是一种非常活泼的化学元素(其电位序仅排在钾钙钠镁之后的第五位),但正由 于它非常活泼,在空气中极易发生氧化,而生成的氧化无以一薄层非常致密的、化学性质稳 定的钝态膜的形式存在,能有效地隔绝侵蚀性介质。所以铝合金的耐腐蚀性很好 正因为铝合金具有这些特点,所以在当前在役的民用飞机中,铝合金在总结构用量上占 70~80%的比例。尽管先进复合材料和钛合金在新型号飞机上应用比例日益提高,但铝合金 由于成本和工艺上的优势,在可预见的将来,仍是航空器,特别是民用飞机的主要结构材料 四、铝合金分类 铝合金按零件的制造方法可分为 变形铝合金:具有较好的塑性,可使用锻造、冲压等塑性变形加工工艺成形的铝合 铸造铝合金:仅适合采用铸造工艺成形,或铸造性能相对变形加工性能更为突出的 铝合金 ●粉末冶金合金:使用粉末冶金技术成形的铝合金 按能否通过热处理强化分为: 可热处理强化铝合金 ●不可热处理强化铝合金。 五、铝的合金化 纯铝的强度很低,不适合作为结构材料使用。所以必须通过添加合金元素将铝制成合金 主要的起强化作用添加元素有:Cu、Zn、Mg、S和L等。 这些合金元素的强化机理不尽相同,具体地有两种强化机理
《航空材料与腐蚀防护》讲义 中国民航大学理学院材料化学教研室 苏景新 11 / 58 钢铁等都先熔化了。所以要将它溶解在一种合适的溶剂中，形成一种特殊的溶液。使用的溶 剂就是冰晶石，六氟合铝酸钠。这样就可以将电解铝的工作温度降低到 1000℃以下（一般 是 950~970℃）。 三、铝合金的特点 铝合金作为航空器结构材料的最突出的特点是：密度小、延展性好、耐腐蚀、易加工、 价格低。 铝合金的密度为小 2.7g/cm3，远小于铁合金或铜合金。 铝虽然是一种非常活泼的化学元素（其电位序仅排在钾钙钠镁之后的第五位），但正由 于它非常活泼，在空气中极易发生氧化，而生成的氧化无以一薄层非常致密的、化学性质稳 定的钝态膜的形式存在，能有效地隔绝侵蚀性介质。所以铝合金的耐腐蚀性很好。 正因为铝合金具有这些特点，所以在当前在役的民用飞机中，铝合金在总结构用量上占 70~80%的比例。尽管先进复合材料和钛合金在新型号飞机上应用比例日益提高，但铝合金 由于成本和工艺上的优势，在可预见的将来，仍是航空器，特别是民用飞机的主要结构材料 之一。 四、铝合金分类 铝合金按零件的制造方法可分为： ⚫ 变形铝合金：具有较好的塑性，可使用锻造、冲压等塑性变形加工工艺成形的铝合 金； ⚫ 铸造铝合金：仅适合采用铸造工艺成形，或铸造性能相对变形加工性能更为突出的 铝合金； ⚫ 粉末冶金合金：使用粉末冶金技术成形的铝合金。 按能否通过热处理强化分为： ⚫ 可热处理强化铝合金； ⚫ 不可热处理强化铝合金。 五、铝的合金化 纯铝的强度很低，不适合作为结构材料使用。所以必须通过添加合金元素将铝制成合金。 主要的起强化作用添加元素有：Cu、Zn、Mg、Si 和 Li 等。 这些合金元素的强化机理不尽相同，具体地有两种强化机理：
中园氏航大学 《航空材料与腐蚀防护》讲义 Civil Aviation University of China中国民航大学理学院材料化学教研室苏景新 固溶强化:温下在铝中溶解度大的元素(溶质),以固溶体形式存在于铝合金中 溶质原子使铝晶格发生畸变,提高合金强度 沉淀强化:高温下溶解度大、堂温下溶解度小的元素,在常温下形成各利沉淀相, 使合金强化。铝合金的热处理强化实际上就是利用了沉淀强化原理。可沉淀强化是 热处理强化铝合金的重要特点 除这些强化元素外,铝合金中有时还包含其他一些元素: ●cr、Mn、T、Zr等过渡元素在铝合金中的溶解度小,没有多少强化作用。但可以与 A形成金属间化合物,对控制晶粒结构作用很大; Fe、K、Na等元素属于应控制含量的杂质,这些元素的存在会极大地损害铝合金的 断裂韧性 六、铝合金的沉淀强化原理和时效处理工艺 这里以ACu(4%)二元合金为例介绍铝合金的沉淀强化原理(图2.2 液体 600-----+--“-+-- L a固溶体 00-1-区固溶 Cu%重量) 图22Acu二元合金相图 在高温时αu在A中溶解度大,常温时溶解度小。对于含Cu为4%的A-Cu二元合金, 500℃时,Cu可全部溶于A中形成α固溶体。 冷却到常温后,绝大多数cu以GP区或θ相的形式析出。GP区或θ相会阻碍形变过程
《航空材料与腐蚀防护》讲义 中国民航大学理学院材料化学教研室 苏景新 12 / 58 ⚫ 固溶强化：常温下在铝中溶解度大的元素（溶质），以固溶体形式存在于铝合金中。 溶质原子使铝晶格发生畸变，提高合金强度； ⚫ 沉淀强化：高温下溶解度大、常温下溶解度小的元素，在常温下形成各种沉淀相， 使合金强化。铝合金的热处理强化实际上就是利用了沉淀强化原理。可沉淀强化是 热处理强化铝合金的重要特点。 除这些强化元素外，铝合金中有时还包含其他一些元素： ⚫ Cr、Mn、Ti、Zr 等过渡元素在铝合金中的溶解度小，没有多少强化作用。但可以与 Al 形成金属间化合物，对控制晶粒结构作用很大； ⚫ Fe、K、Na 等元素属于应控制含量的杂质，这些元素的存在会极大地损害铝合金的 断裂韧性。 六、铝合金的沉淀强化原理和时效处理工艺 这里以 Al-Cu（4%）二元合金为例介绍铝合金的沉淀强化原理（图 2.2）。 图 2.2 Al-Cu 二元合金相图 在高温时 Cu 在 Al 中溶解度大，常温时溶解度小。对于含 Cu 为 4%的 Al-Cu 二元合金， 500℃时，Cu 可全部溶于 Al 中形成 α 固溶体。 冷却到常温后，绝大多数 Cu 以 GP 区或 θ 相的形式析出。GP 区或 θ 相会阻碍形变过程
中园氏航大学 《航空材料与腐蚀防护》讲义 I Aviation University of ch中国民航大学理学院材料化学教研室苏景新 中的位错移动,提高了硬度和强度 应用沉淀强化原理,可以对铝合金进行时效处理,以改善铝合金的力学性能和抗腐蚀性 所谓时效处理是指,把铝合金在一定温度下保持一段时间,加速合金元素从固溶体中沉 淀析出的处理工艺。 时效处理过程中,铝合金的硬度(强度)会随时效时间变化。描述这种变化规律的曲线 称为时效曲线(图23)。 130 130 =------4----- ---------|-- 90℃ 0.01 时效时间庆 图23A4%cu合金的时效曲线 从图中可以看到,时效温度、时间铝合金的时效硬化效果有很大影响。随时效时间,硬 度并不是始终增大的,而是存在一个峰值。把硬度达到时效曲线上峰值的时效状态称为峰时 效。相应地,在峰时效之前停止保温,得到的时效状态成为欠时效,在峰时效之后停止保温, 得到的是过时效状态的铝合金。 尽管过时效相对于峰时效在硬度和强度上有损失,但由于沉淀相的过量析出,特别是在 合金组织的晶粒内部也析出了沉淀相,减小了晶粒内部与晶粒边界(晶界)的电化学性质的 差异,可以减少晶间腐蚀,以及沿晶间发生的应力腐蚀断裂的可能性,提高铝合金的耐腐蚀 能力 时效处理是控制性能的重要手段。同一种成分的铝合金,采用不同的热处理时效,可以 得到差异很大的性能:一种新的时效制度的研究成功,就相当于开发出一种新的铝合金。 七、铝合金的标记 由于制造飞机结构的铝合金主要是变形铝合金,而铸造铝合金应用较少。所以在此仅介
《航空材料与腐蚀防护》讲义 中国民航大学理学院材料化学教研室 苏景新 13 / 58 中的位错移动，提高了硬度和强度。 应用沉淀强化原理，可以对铝合金进行时效处理，以改善铝合金的力学性能和抗腐蚀性 能。 所谓时效处理是指，把铝合金在一定温度下保持一段时间，加速合金元素从固溶体中沉 淀析出的处理工艺。 时效处理过程中，铝合金的硬度（强度）会随时效时间变化。描述这种变化规律的曲线 称为时效曲线（图 2.3）。 图 2.3 Al-4%Cu 合金的时效曲线 从图中可以看到，时效温度、时间铝合金的时效硬化效果有很大影响。随时效时间，硬 度并不是始终增大的，而是存在一个峰值。把硬度达到时效曲线上峰值的时效状态称为峰时 效。相应地，在峰时效之前停止保温，得到的时效状态成为欠时效，在峰时效之后停止保温， 得到的是过时效状态的铝合金。 尽管过时效相对于峰时效在硬度和强度上有损失，但由于沉淀相的过量析出，特别是在 合金组织的晶粒内部也析出了沉淀相，减小了晶粒内部与晶粒边界（晶界）的电化学性质的 差异，可以减少晶间腐蚀，以及沿晶间发生的应力腐蚀断裂的可能性，提高铝合金的耐腐蚀 能力。 时效处理是控制性能的重要手段。同一种成分的铝合金，采用不同的热处理时效，可以 得到差异很大的性能；一种新的时效制度的研究成功，就相当于开发出一种新的铝合金。 七、铝合金的标记 由于制造飞机结构的铝合金主要是变形铝合金，而铸造铝合金应用较少。所以在此仅介
中园氏航大学 《航空材料与腐蚀防护》讲义 CAed中国民航大学理学院材料化学教研室苏景新 绍前者的标记。铝合金的标记分为型号标记和状态代号标记 铝合金的型号:采用4位数字标记法。第1位表示属于哪种主要合金系;第2位表示合 金的改型;第3、4位表示合金的编号(表2.1)。 表21国际变形铝合金标记法 合金系 四位数字标记 合金系 四位数字标记 >99.00% 铝 X 铝镁硅 铝铜 2xXX 铝锌 7xXX 铝锰 3xXX 其他 8x0 铝硅 X 备用 9xXx 铝镁 5xXX 铝合金的状态以TX、TXX、TXXX等代号标记(表22) 表22铝合金的状态代号 代号名称 状态代号热处理状态 F 自由加工状态 T3 固溶、冷作、自然时效 退火状态 T4 固溶、自然时效 H 加工硬化状态 T6 固溶、人工时效 固溶热处理状态 T7 固溶、过时效 热处理状态 固溶、冷作、人工时效 状态代号说明与应用 TZ 固溶及时效达到规定的力学性能和抗应力腐蚀性能 与T73状态定义相同,但抗拉强度大于T73,小于T76 T76 与T73状态定义相同,但抗拉强度大于T73、T74,抗应力腐蚀性能低于T73、 T74,但其抗剥落腐蚀性能仍较好 八、铝合金在飞机上的应用
《航空材料与腐蚀防护》讲义 中国民航大学理学院材料化学教研室 苏景新 14 / 58 绍前者的标记。铝合金的标记分为型号标记和状态代号标记 铝合金的型号：采用 4 位数字标记法。第 1 位表示属于哪种主要合金系；第 2 位表示合 金的改型；第 3、4 位表示合金的编号（表 2.1）。 表 2.1 国际变形铝合金标记法 合金系 四位数字标记 合金系 四位数字标记 >99.00%铝 1xxx 铝镁硅 6xxx 铝铜 2xxx 铝锌 7xxx 铝锰 3xxx 其他 8xxx 铝硅 4xxx 备用 9xxx 铝镁 5xxx 铝合金的状态以 TX、TXX、TXXX 等代号标记（表 2.2）。 表 2.2 铝合金的状态代号 代号 名称 状态代号 热处理状态 F 自由加工状态 T3 固溶、冷作、自然时效 O 退火状态 T4 固溶、自然时效 H 加工硬化状态 T6 固溶、人工时效 W 固溶热处理状态 T7 固溶、过时效 T 热处理状态 T8 固溶、冷作、人工时效 状态代号 说明与应用 T73 固溶及时效达到规定的力学性能和抗应力腐蚀性能 T74 与 T73 状态定义相同，但抗拉强度大于 T73，小于 T76 T76 与 T73 状态定义相同，但抗拉强度大于 T73、T74，抗应力腐蚀性能低于 T73、 T74，但其抗剥落腐蚀性能仍较好 八、铝合金在飞机上的应用
中园氏航大学 《航空材料与腐蚀防护》讲义 I Aviation University of ch中国民航大学理学院材料化学教研室苏景新 变形铝合金在飞机上的应用主要为2系ACu合金和7系AZn合金 2系铝合金的代表型号是2024,名义成分为A-44Cu-15Mg06Mn(重量百分比)。该 合金在飞机结构上应用广泛。其特点为:强度中等,可热处理强化,T3状态下断裂韧性高 耐蚀性不好,易发生晶间腐蚀,薄板需包覆工业纯铝以提高耐蚀性,或在T8状态下使用。 另外2524作为2系合金的较新改型,已经应用于B777客机。 7系合金的代表型号是7075,名义成分为A5.6Zn-25Mg16Cu0.26cr(重量百分比)。 该型号合金的特点为:T6态强度最高,但抗蚀性差、断裂韧性不好;T73态耐蚀性好,但强 度相比T6态下降约15% 7055是7系中合金化程度最高、强度最高的型号。7055-T77已经用于B777主结构 另外表23中详细列举了2系和7系合金在飞机结构中的应用情况。 表232系和7系铝合金在飞机结构中的应用 应用部位 应用的铝合金 机身蒙皮 2024T3,7075T6,7475T6 机身桁条 70756,707573,747576,7150-77 机身框架/隔框 2024T3,7075T6,7050T6 机翼上部蒙皮 7075T6,7150-T6,7055-T77 机翼下部蒙皮 2024T3,7475T73 机翼下部桁条 2024-T3,7075-T6,224-T39 机翼下壁板 202413,70756,7175T73 奚肋和翼梁 2024-T3,7010-T76,7150-777 尾翼 2024T3,7075T6,7050T76 九、铝合金的新发展—铝锂合金 其实所谓铝锂合金是指含锂(Li)元素的铝合金,其中L并不一定作为最主要的添加元 素存在于合金当中,比如2系含山铝合金,其主要添加元素是Cu而非L。以为主要添加 元素的合金一般归入8系一一其他合金系中。 L是密度最低的金属元素,其比重仅为053,而且在添加u的铝合金中,山在时效处理 时能以δ’相的形式析出,起到沉淀强化作用。所以,含Li铝合金具有密度低、强度高、模 量大等优势。但因价格较贵,目前在飞机结构,特别是在民用飞机结构中用量还不大。但随 着新型合金性能的改进、制造工艺的发展,含L合金在飞机上铝合金中的比例将会得到提
《航空材料与腐蚀防护》讲义 中国民航大学理学院材料化学教研室 苏景新 15 / 58 变形铝合金在飞机上的应用主要为 2 系 Al-Cu 合金和 7 系 Al-Zn 合金。 2 系铝合金的代表型号是 2024，名义成分为 Al-4.4Cu-1.5Mg-0.6Mn（重量百分比）。该 合金在飞机结构上应用广泛。其特点为：强度中等，可热处理强化，T3 状态下断裂韧性高； 耐蚀性不好，易发生晶间腐蚀，薄板需包覆工业纯铝以提高耐蚀性，或在 T8 状态下使用。 另外 2524 作为 2 系合金的较新改型，已经应用于 B777 客机。 7 系合金的代表型号是 7075，名义成分为 Al-5.6Zn-2.5Mg-1.6Cu-0.26Cr（重量百分比）。 该型号合金的特点为：T6 态强度最高，但抗蚀性差、断裂韧性不好；T73 态耐蚀性好，但强 度相比 T6 态下降约 15%。 7055 是 7 系中合金化程度最高、强度最高的型号。7055-T77 已经用于 B777 主结构。 另外表 2.3 中详细列举了 2 系和 7 系合金在飞机结构中的应用情况。 表 2.3 2 系和 7 系铝合金在飞机结构中的应用 应用部位 应用的铝合金 机身蒙皮 2024-T3, 7075-T6, 7475-T6 机身桁条 7075-T6, 7075-T73, 7475-T76, 7150-T77 机身框架/隔框 2024-T3, 7075-T6, 7050-T6 机翼上部蒙皮 7075-T6, 7150-T6, 7055-T77 机翼下部蒙皮 2024-T3, 7475-T73 机翼下部桁条 2024-T3, 7075-T6, 224-T39 机翼下壁板 2024-T3, 7075-T6, 7175-T73 翼肋和翼梁 2024-T3, 7010-T76, 7150-T77 尾翼 2024-T3, 7075-T6, 7050-T76 九、铝合金的新发展——铝锂合金 其实所谓铝锂合金是指含锂（Li）元素的铝合金，其中 Li 并不一定作为最主要的添加元 素存在于合金当中，比如 2 系含 Li 铝合金，其主要添加元素是 Cu 而非 Li。以 Li 为主要添加 元素的合金一般归入 8 系——其他合金系中。 Li 是密度最低的金属元素，其比重仅为 0.53，而且在添加 Li 的铝合金中，Li 在时效处理 时能以 δ’相的形式析出，起到沉淀强化作用。所以，含 Li 铝合金具有密度低、强度高、模 量大等优势。但因价格较贵，目前在飞机结构，特别是在民用飞机结构中用量还不大。但随 着新型合金性能的改进、制造工艺的发展，含 Li 合金在飞机上铝合金中的比例将会得到提