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 晑 西方国家和俄罗斯(前苏联)曾开发了众多的含Li铝合金。西方铝锂合金的型号主要 有:2系的2020、2090、2091、2095、2195和2197等,和8系的8090。前苏联在50~60 年代开发了1420合金,具有焊接性好的优点,但强度较低,后来在1420中加入Sc(钪), 开发了1421合金,其强度明显提高。含L铝合金目前在俄罗斯的航空工业应用非常广泛 22钛合金 纯钛的性质 钛(T)的蕴藏量仅次于铝、铁、镁,居金属元素中的第四位 钛的熔点高,为1667℃,比铁的熔点还要高 钛的密度45g/cm3,比铁和铜都轻得多 纯钛随温度变化存在固态同素异构转变(固态相变),即在882.5℃这个温度上,会发生 晶格结构的转变: 低于882.5℃时钛为密排六方晶格,称为a-Ti 高于8825℃C为钛为体心立方晶格,称为β-Ti 这种固态相变使钛合金可以具有α、β或α+β双相混合显微组织,使得钛合金可以通过 热处理在较大范围内控制显微组织,从而控制合金性能。 、钛及钛合金的主要特性 钛合金相对于铝合金等其他结构材料,具有以下突出的优点: 比强度高 工业纯钛强度为350~700Mpa,钛合金强度可达1200MPa,和调质结构钢相近,而钛合 金的密度比钢低得多,所以具有高的比强度 2.热强度高 钛的熔点高,再结晶温度也高,因而钛及其合金具有较高的热强度。目前钛合金使用温 度可达到500℃,并向600℃发展 3.抗蚀性高 钛表面能形成一层致密、稳定的,由氧化物和氮化物组成的保护膜,具有很好的抗蚀性 能。钛及其合金在潮湿大气、海水、氧化性酸(硝酸、铬酸等)和大多数有机酸中,抗蚀性 与不锈钢相当,甚至超过了不锈钢
《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 16 / 58 高。 西方国家和俄罗斯（前苏联）曾开发了众多的含 Li 铝合金。西方铝锂合金的型号主要 有：2 系的 2020、2090、2091、2095、2195 和 2197 等，和 8 系的 8090。前苏联在 50~60 年代开发了 1420 合金，具有焊接性好的优点，但强度较低，后来在 1420 中加入 Sc（钪）， 开发了 1421 合金，其强度明显提高。含 Li 铝合金目前在俄罗斯的航空工业应用非常广泛。 2.2 钛合金 一、纯钛的性质 钛（Ti）的蕴藏量仅次于铝、铁、镁，居金属元素中的第四位。 钛的熔点高，为 1667℃，比铁的熔点还要高。 钛的密度 4.5g/cm3，比铁和铜都轻得多。 纯钛随温度变化存在固态同素异构转变（固态相变），即在 882.5℃这个温度上，会发生 晶格结构的转变： 低于 882.5℃时钛为密排六方晶格，称为 α-Ti； 高于 882.5℃为钛为体心立方晶格，称为 β-Ti。 这种固态相变使钛合金可以具有 α、β 或 α+β 双相混合显微组织，使得钛合金可以通过 热处理在较大范围内控制显微组织，从而控制合金性能。 二、钛及钛合金的主要特性 钛合金相对于铝合金等其他结构材料，具有以下突出的优点： 1. 比强度高 工业纯钛强度为 350~700Mpa，钛合金强度可达 1200MPa，和调质结构钢相近，而钛合 金的密度比钢低得多，所以具有高的比强度。 2. 热强度高 钛的熔点高，再结晶温度也高，因而钛及其合金具有较高的热强度。目前钛合金使用温 度可达到 500℃，并向 600℃发展。 3. 抗蚀性高 钛表面能形成一层致密、稳定的，由氧化物和氮化物组成的保护膜，具有很好的抗蚀性 能。钛及其合金在潮湿大气、海水、氧化性酸（硝酸、铬酸等）和大多数有机酸中，抗蚀性 与不锈钢相当，甚至超过了不锈钢
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 同时,钛合金的缺点也是十分突出的: 切削加工性差 钛的导热性差(仅为铁的1/5,铝的1/3),摩擦系数大,切削时容易升温,也容易粘刀, 导致切削速度低,降低刀具寿命,影响零件表面光洁度。 2.热加工工艺性差 在加热到600℃以上时,钛及钛合金极易吸收氢、氮、氧等气体而使其性能变脆,使得 铸造、锻压、焊接和热处理等工艺都存在一定的困难。钛合金的热加工工艺过程只能在真空 或保护气氛中进行,这提高了钛合金件的制造成本。 冷加工性差 钛及其合金的2/比值较高,表明应力接近断裂强度时才发生塑性变形,因此塑性 变形困难,也容易导致开裂 4.硬度低、抗磨性差 钛合金一般不宜用来制造要求耐磨性高的零件。 钛的合金化 钛是将氧化钛与氯气反应得到氯化钛后,再用金属Mg作还原剂还原得到的。初生态的 钛因大量吸收空气中的氧和氮,是海绵状的,必须经真空二次熔炼后才能得到密实的金属组 由于钛的化学性质非常活泼,二次熔炼得到的工业纯钛中仍残存了大量的氧,所以实际 使用的工业纯钛实际上是Ti与O元素构成的低合金。工业纯钛的力学性能与低碳钢相似, 具有较高的强度,可直接用于航空产品,常用来制造使用温度在350℃以下的飞机构件,如 超音速飞机的蒙皮、构架等。 除工业纯钛外,还可加入其他元素形成具有不同结构和不同性能的钛合金以满足不同工 业部门和具体应用的需要。 钛合金的组织,取决于加入的合金元素是稳定α相(即使钛合金的常温组织主要包含α 相)的,还是稳定β相(即使钛合金的常温组织主要包含β相)的 ●键合电子数原子<4的合金元素能够稳定α相,如A和o。所以工业纯钛的常温组 织为a相 键合电子数/原子4的合金元素能够稳定β相,如Mo、V和W等 键合电子数/原子=4的合金元素的作用为中性,如zr、Sn和Si等。 通过控制添加元素的种类和相对含量,即可控制钛合金的常温组织,进而得到性能特点
《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 17 / 58 同时，钛合金的缺点也是十分突出的： 1. 切削加工性差 钛的导热性差（仅为铁的 1/5，铝的 1/3），摩擦系数大，切削时容易升温，也容易粘刀， 导致切削速度低，降低刀具寿命，影响零件表面光洁度。 2. 热加工工艺性差 在加热到 600℃以上时，钛及钛合金极易吸收氢、氮、氧等气体而使其性能变脆，使得 铸造、锻压、焊接和热处理等工艺都存在一定的困难。钛合金的热加工工艺过程只能在真空 或保护气氛中进行，这提高了钛合金件的制造成本。 3. 冷加工性差 钛及其合金的 σ0.2/σb 比值较高，表明应力接近断裂强度时才发生塑性变形，因此塑性 变形困难，也容易导致开裂。 4. 硬度低、抗磨性差 钛合金一般不宜用来制造要求耐磨性高的零件。 三、钛的合金化 钛是将氧化钛与氯气反应得到氯化钛后，再用金属 Mg 作还原剂还原得到的。初生态的 钛因大量吸收空气中的氧和氮，是海绵状的，必须经真空二次熔炼后才能得到密实的金属组 织。 由于钛的化学性质非常活泼，二次熔炼得到的工业纯钛中仍残存了大量的氧，所以实际 使用的工业纯钛实际上是 Ti 与 O 元素构成的低合金。工业纯钛的力学性能与低碳钢相似， 具有较高的强度，可直接用于航空产品，常用来制造使用温度在 350℃以下的飞机构件，如 超音速飞机的蒙皮、构架等。 除工业纯钛外，还可加入其他元素形成具有不同结构和不同性能的钛合金以满足不同工 业部门和具体应用的需要。 钛合金的组织，取决于加入的合金元素是稳定 α 相（即使钛合金的常温组织主要包含 α 相）的，还是稳定 β 相（即使钛合金的常温组织主要包含 β 相）的。 ⚫ 键合电子数/原子<4 的合金元素能够稳定 α 相，如 Al 和 O。所以工业纯钛的常温组 织为 α 相； ⚫ 键合电子数/原子>4 的合金元素能够稳定 β 相，如 Mo、V 和 W 等； ⚫ 键合电子数/原子=4 的合金元素的作用为中性，如 Zr、Sn 和 Si 等。 通过控制添加元素的种类和相对含量，即可控制钛合金的常温组织，进而得到性能特点
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 相差很大的钛合金 按常温组织的不同,钛合金可分为三种 a型钛合金 组织为a固溶体,牌号以TA加序号表示。主要合金元素是A,还有中性元素Sn和Z 均产生固溶强化作用,间隙元素O、N起间隙强化作用。合金组织稳定,耐热性高于其他钛 合金,但不能进行热处理强化,室温强度不高,压力加工性较差,多采用热压加工成形 2.β型钛合金 组织主要为β固溶体,合金元素含量较高,牌号以TB加序号表示。性能优点是室温强 度高,压力加工性能较好,成形容易,可通过热处理强化。缺点是密度较大,冶炼工艺复杂, 热稳定性差,所以应用较少 3.(a+B)型钛合金 含有α稳定元素和4%~6%的β稳定元素,组织为(a+B)两相固溶体,牌号以TC加序 号表示。该类型钛合金兼有α型及β型钛合金的优点。力学性能方面,既有较高的室温性 能,又有好的高温强度,塑性也较好,应用最广泛。既可以在退火状态下使用,又可以在淬 火、时效状态下使用。其中典型型号为TC4合金(Ti6A-4V),它具有综合的机械性能,组 织稳定性高,典型拉伸强度为90oMPa,最高工作温度为400℃。在航空航天、造船工业中 应用广泛 这三种钛合金及其典型牌号的性能特点见图24 T834 Ti-6AL-2Sn-4Zr- 2Mo-0 8Si Ti-2Al-2Sn-4Zr-2Mo TASE IMI685 Ti-6A-4Y β转变点 成形能力 流变应力 应变速率敏感性 可焊性 热处琿能力 高温强度 室温强度 合金 近a合金 +B合盒 近B合金 β合金
《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 18 / 58 相差很大的钛合金。 按常温组织的不同，钛合金可分为三种： 1. α 型钛合金 组织为 α 固溶体，牌号以 TA 加序号表示。主要合金元素是 Al，还有中性元素 Sn 和 Zr， 均产生固溶强化作用，间隙元素 O、N 起间隙强化作用。合金组织稳定，耐热性高于其他钛 合金，但不能进行热处理强化，室温强度不高，压力加工性较差，多采用热压加工成形。 2. β 型钛合金 组织主要为 β 固溶体，合金元素含量较高，牌号以 TB 加序号表示。性能优点是室温强 度高，压力加工性能较好，成形容易，可通过热处理强化。缺点是密度较大，冶炼工艺复杂， 热稳定性差，所以应用较少。 3. （α+β）型钛合金 含有 α 稳定元素和 4%~6%的 β 稳定元素，组织为（α+β）两相固溶体，牌号以 TC 加序 号表示。该类型钛合金兼有 α 型及 β 型钛合金的优点。力学性能方面，既有较高的室温性 能，又有好的高温强度，塑性也较好，应用最广泛。既可以在退火状态下使用，又可以在淬 火、时效状态下使用。其中典型型号为 TC4 合金（Ti-6Al-4V），它具有综合的机械性能，组 织稳定性高，典型拉伸强度为 900MPa，最高工作温度为 400℃。在航空航天、造船工业中 应用广泛。 这三种钛合金及其典型牌号的性能特点见图 2.4
《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 图24钛合金的性能特点 四、钛合金在航空航天中的应用 1950年,美国首次在F84战斗轰炸机上采用工业纯钛制造后机身隔热板、导风罩等非 承力构件。 1954年,α+β型钛合金T-6A-4V用于制造J57涡轮喷气发动机压气机转子盘和叶片。 60年代中期,美国研制成功“全钛飞机”SR71(图25),是钛合金制造工艺技术发展 的一次重大突破,试制成功了钛合金隔框和起落架梁等大型复杂锻件,用钛量达到飞机结构 重量的93% 图25美国SR71高空高速战略侦察机 70年代,钛合金在军用飞机和发动机中的用量迅速增加。在F14和F15飞机上的用量 占结构重量的25%,在F100和TF39发动机上的用量分别达到25%和33% 民用飞机方面,T6A-4V合金制造的波音747主起落架支承梁模锻件,每件长6096mm 宽914mm,重1724kg,至今仍是世界上最大的钛合金模锻件。 80年代,出现了断裂韧性更高的超低间隙元素级的新型合金,超塑成形和扩散连接工 艺。钛合金在B1B超音速轰炸机和航天飞机上得到了更广泛的应用。一架B1B飞机需要90 余吨钛材。美国的航天飞机上采用了T-6A4V合金制造的重达3000kg的传力结构件 19/58
《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 19 / 58 图 2.4 钛合金的性能特点 四、钛合金在航空航天中的应用 1950 年，美国首次在 F84 战斗轰炸机上采用工业纯钛制造后机身隔热板、导风罩等非 承力构件。 1954 年，α+β 型钛合金 Ti-6Al-4V 用于制造 J57 涡轮喷气发动机压气机转子盘和叶片。 60 年代中期，美国研制成功“全钛飞机”SR71（图 2.5），是钛合金制造工艺技术发展 的一次重大突破，试制成功了钛合金隔框和起落架梁等大型复杂锻件，用钛量达到飞机结构 重量的 93%。 图 2.5 美国 SR71 高空高速战略侦察机 70 年代，钛合金在军用飞机和发动机中的用量迅速增加。在 F14 和 F15 飞机上的用量 占结构重量的 25%，在 F100 和 TF39 发动机上的用量分别达到 25%和 33%。 民用飞机方面，Ti-6Al-4V 合金制造的波音 747 主起落架支承梁模锻件，每件长 6096mm， 宽 914mm，重 1724kg，至今仍是世界上最大的钛合金模锻件。 80 年代，出现了断裂韧性更高的超低间隙元素级的新型合金，超塑成形和扩散连接工 艺。钛合金在 B1B 超音速轰炸机和航天飞机上得到了更广泛的应用。一架 B1B 飞机需要 90 余吨钛材。美国的航天飞机上采用了 Ti-6Al-4V 合金制造的重达 3000kg 的传力结构件
中园氏航大学 《航空材料与腐蚀防护》讲义 Civil Aviation University of Ch中国民航大学理学院材料化学教研室苏景新 现有航空航天用钛合金中,应用最广泛的是多用途α+B型T-6A4V合金和 Ti-6A-4zr-2Mo(T6242)高温钛合金。Ti6A4V合金用于制造工作温度不超过400°C的各种 飞机结构和发动机零件,T6242合金用于制造工作温度在500℃以下的高压压气机零部件。 未来航空航天飞行器及其推力系统,需要不断提高钛合金的工作温度,增大航空发动机 的推重比。普通钛合金的最高工作温度是600℃,进一步提高工作温度受到蠕变强度和抗氧 化能力的限制。80年代发展的钛铝化合物基的高温钛合金,具有高温性能好,抗氧化能力 强,耐腐蚀和重量轻的优点,是制造压气机和低压涡轮零部件的理想材料。其中TA|为基 的高温钛合金,最高工作温度可达815℃;TA为基的高温钛合金,最高工作温度可达1040℃。 23镁合金 纯镁的性能 镁(Mg)的密度低,仅为174g/cm3,约相当于铝的2/3,是最轻的结构金属 镁的电极电位很低,在潮湿大气、淡水、海水及绝大多数酸、盐溶液中易受腐蚀。镁的 化学活性强,在空气中也容易氧化,形成的氧化膜疏松多孔,无明显保护作用,所以镁的抗 蚀性很差。用镁制造结构件时,需针对使用环境采取适当的防护措施 力学性能方面,镁的强度低,且由于组织为密排六方晶格,滑移系少,导致塑性极低, 加工成形困难,所以镁很少用作主要结构材料 、镁的合金化 镁经过合金化及热处理后,强度可以达到300~350Mpa 主要合金元素是铝、锌和锰。这些元素在镁中都有溶解度变化,可以利用热处理方法(淬 火加时效)来强化 加入镁合金中的铝、锌,当含量不超过溶解度时起固溶强化作用。超过溶解度后分别与 镁形成金属间化合物Mg1A12和MgZn,在淬火、时效时能起到沉淀强化作用 加入锰可以改善抗热性及抗蚀性。 加入锆(Zr)可以使镁合金的晶粒细化。 三、镁合金的分类与编号 20/58
《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 20 / 58 现有航空航天用 钛合金中， 应用最广泛 的是多用 途 α+β 型 Ti-6Al-4V 合金和 Ti-6Al-4Zr-2Mo（Ti6242）高温钛合金。Ti-6Al-4V 合金用于制造工作温度不超过 400℃的各种 飞机结构和发动机零件，Ti6242 合金用于制造工作温度在 500℃以下的高压压气机零部件。 Ti-6Al-4V 合金具有优良的综合性能，用量达到各种钛合金总用量的一半以上。 美国 F22 战斗机中钛合金用量已超过了铝合金，达到整机结构重量的 41%。B777 飞机 中钛合金的用量已达到 7%。 未来航空航天飞行器及其推力系统，需要不断提高钛合金的工作温度，增大航空发动机 的推重比。普通钛合金的最高工作温度是 600℃，进一步提高工作温度受到蠕变强度和抗氧 化能力的限制。80 年代发展的钛铝化合物基的高温钛合金，具有高温性能好，抗氧化能力 强，耐腐蚀和重量轻的优点，是制造压气机和低压涡轮零部件的理想材料。其中 Ti3Al 为基 的高温钛合金，最高工作温度可达815℃；TiAl为基的高温钛合金，最高工作温度可达1040℃。 2.3 镁合金 一、纯镁的性能 镁（Mg）的密度低，仅为 1.74g/cm3，约相当于铝的 2/3，是最轻的结构金属。 镁的电极电位很低，在潮湿大气、淡水、海水及绝大多数酸、盐溶液中易受腐蚀。镁的 化学活性强，在空气中也容易氧化，形成的氧化膜疏松多孔，无明显保护作用，所以镁的抗 蚀性很差。用镁制造结构件时，需针对使用环境采取适当的防护措施。 力学性能方面，镁的强度低，且由于组织为密排六方晶格，滑移系少，导致塑性极低， 加工成形困难，所以镁很少用作主要结构材料。 二、镁的合金化 镁经过合金化及热处理后，强度可以达到 300~350Mpa。 主要合金元素是铝、锌和锰。这些元素在镁中都有溶解度变化，可以利用热处理方法（淬 火加时效）来强化。 加入镁合金中的铝、锌，当含量不超过溶解度时起固溶强化作用。超过溶解度后分别与 镁形成金属间化合物 Mg17Al12 和 MgZn，在淬火、时效时能起到沉淀强化作用。 加入锰可以改善抗热性及抗蚀性。 加入锆（Zr）可以使镁合金的晶粒细化。 三、镁合金的分类与编号