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航空航天高強度鋁合金的化學成分優化
發布人：上海艾荔艾金屬材料有限公司www.jshcn.cn
更新時間：2014-09-01
航空航天鋁合金高強度鋁合金：7055-T77鋁合金 7085鋁合金 2324鋁合金 2524鋁合金 7175鋁合金 7475鋁合金 7050鋁合金
隨著飛機設計要求的提高，發展新一代高性能鋁合金的任務日益迫切。其中，通過化學成分優化來提升材料的服役性能仍有很大的空間。
一．主元素含量的優化。
航空航天鋁合金主要是?7XXX、2XXX系合金。對于?7XXX合金，增加合金化主元素含量可獲得更高密度的?GP?區和?η'?相，提高合金的強度。該系合金?Zn?的含量，從5.5%?左右(7075)?已增至?8%?左右(7055)?，主成分之和從?9%?增至約?13%，相應的屈服強度從?500?MPa?提高至?600?MPa?以上。高強鋁合金中主元素的比例也會影響合金性能，如?7055-T77?合金的良好綜合性能與高?Zn/Mg?比和?Cu/Mg?比有關。主元素含量及其比例不僅影響合金基體的析出，而且也影響晶體學界面上析出的熱力學與動力學過程，從而影響合金的強度、韌性和耐蝕性以及淬火敏感性。末端淬火實驗表明，Mg?質量分數為?1.0%，1.4%?和2.0%?時，7085?鋁合金淬透層深度分別為?100，65?和40?mm。現有合金的主元素總量增加會增加合金的淬火敏感性，Zn/Mg?比值增加可一定程度減小淬火敏感性。例如，對于?7175?合金，通過降低?Cu?+?Mg?含量，提高?Zn/Mg?比可降低淬火敏感性，減小該合金鍛件表層與中心的強度差別。通過成分調整，雖然合金材料表層的強度略有下降，但淬透性的提高使整體性能得以提高。
二．微量元素的添加。
微量元素決定彌散相界面的性質，從而影響材料的性能。如對于?7XXX?合金，用?Zr?元素取代?Cr，Mn?可使彌散相與基體形成共格界面，提高合金的淬透性、韌性和抗腐蝕等性能。Cr，Mn，Ti，Sc，Zr?等微量元素的添加可細化鋁合金的微觀組織并提高其性能。如在某?Al-Zn-Mg-Cu?合金中添加?0.24Cr、0.20Mn、0.03Ti?和?0.17Zr(質量分數)?后，鑄態組織被極大地細化，晶粒尺寸從?100～200μm?減小至?10～20μm;?時效強度從?530?MPa?提高至?700?MPa?左右。在?7XXX?合金中，研究發現，含?Zr?的彌散相粒子較含?Cr，Mn?的尺寸更小，分布更彌散，更有效阻礙合金熱軋、固溶時的再結晶發生，有利于韌性的提高;?保留加工纖維狀組織，可提高韌性和耐蝕性。由于彌散相與基體形成共格相界面，其化學能降低，界面析出難度加大，材料淬透性提高。如?B95?合金的淬火敏感性隨?Cr?和?Mn?含量的減小而降低。
三．雜質含量的控制。
合金的純化有利于性能的提高。對鋁合金中雜質含量(如?Fe?和?Si)的控制越來越嚴格，從最初的0.5%?降至?0.05%?左右，甚至更低，由此可改善與損傷容限有關的性能，如斷裂韌性、疲勞及耐蝕性。Fe，Si?雜質元素的存在往往導致硬脆粗大金屬間化合物的形成，這些金屬間化合物難以和基體協調一致塑性變形，容易產生微裂紋，成為宏觀裂紋源或破碎形成裂紋，降低合金的塑性和斷裂韌性。因此，降低合金中?Fe，Si雜質含量以減少粗大金屬間化合物的數量，減小其尺寸，或將其球化，都可提高合金的斷裂韌性。基于這些研究結果，已開發了?2324、2524?和?7175、7475?和7050?等系列高純高強鋁合金。
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