先进的结构材料-高强度铝合金

先进的结构材料-高强度铝合金先进的结构材料——超高强铝合金的研究材料科学与工程学院 070201班摘要超高强铝合金具有很高的强度和韧性，是航空航天领域极具应用前景的结构材料。

评述了超高强铝合金的国内外发展情况，论述了铝合金的强化技术和方法，并就今后的研究开发提出了建议。

关键词超高强铝台金强韧化热处理Present Research and Developing Trends of Ultra High Strength Aluminum AlloysAbstract Possessing high strength and toughness(ultra high strength aluminum alloyis a kind of structural material，which can be applied widely in the aviation andaerospace fields，Based on a tremendous amount of literature，this paper introduces the development and applications of ultra high strength aluminum alloys，as well as key mechanism of strengthening aluminumalloy(Additionally，some suggestions for the future exploration of the high strength aluminum alloys are made(Key words ultra high strength aluminum alloy，strengthening and toughening。

heat treatment超高强铝合金是2O世纪6o年代以航空航天用材为背景研制并发展起来的一类高性能铝合金材料[1-3]。

若以超高强度钢的比强度为标准，可将屈服强度500MPa以上的铝合金称为超高强铝合金[4,5]。

目前工业铝合金中符合此标准的大部分为7000系铝合金。

这些材料既具有很高的抗拉强度，叉能保持较高的韧性和耐腐蚀性，在很多领域取代了价格昂贵的钛合金。

近些年来，优化合金成分没计[6 ]、超细化合金组织结构[7] 、采用新型的制坯方法[8,9]、发展新的成形加工及热处理制度[10,12]成为发展高性能铝合金的重要方向[13,15]。

1 超高强铝合金的发展情况1(1 国外超高强合金的发展早在2o世纪2o年代，人们就开始研究AI-Zn-Mg系合金，美国Alcoa公司在此期间发展了锻件用X70S(1931)和薄板用X71S(1932)以及它们的改进型合金[16] 。

但由于该系合金存在严重应力腐蚀现象而未付渚使用。

1932年I (J威贝尔提出了一种新合金(10%Zn-2%Mg-2%Cu一1%Mn)，这是第一种以Al-Zn-Mg-Cu为基的高强铝合金。

1939年日本研制了著名的ESD(超优硬铝)合金，最先在飞机制造业中得到应用。

与此同时，英国研制了RR77(稍后叉研制了铜含息较高的RR88并用于航空业。

1941年J(A(诺克通过往Al-Zn-Mg-Cu合金中添加少量的Cr，提高了合金的抗蚀性。

1944年美国以诺克合金的最后方案为基础研制了75S合金，即7075合金的原，并得到了广泛的应用。

同年苏联研制了B95合金，稍后叉提出B93、B94和B96 等多种合金。

法国于1952年研制了兹克拉合金。

在7O年代末8o年代初先后在7075合金的基础上，为满足菜些特殊性能的要求，通过调整合金元素的含量，又发展了几种新型合金。

如为了提高强度，增加了合金中Zn、Mg元素的含量，出现了7178合金;为了获得良好的综合性能，采用了以Zr代替Cr的方法，并同时提高了合金元素Cu的含量及Zn,Mg比，研制了7050合金。

对于7050合金本身，为了寻求AI-Zn-Mg-Cu合金薄板的最佳强度和韧性，通过降低Fe、Si杂质的含量，发展了7175铝合金，进而开发了纯度更高的7475铝合金。

近年来，美同正在人力开发研究强度更高、韧性及耐蚀性更好的新一代7A55高强铝合金。

2O世纪9O年代，美国、英国、日本等工业发达国家，利用先进的喷射成形技术开发了含Zn8% 以上的新一代超高强铝合金，用于制造交通运输领域强度高、抗腐蚀性能好的高应力结构件[17,18]。

目前全世界已开发了数十种不同成分标准牌号的7000系铝合金产品，相应的合金热处理标准工岂更达数百种之多。

1(2 国内超高强铝合金的发展国内超高强铝合金的研究开发起步较晚。

2o世纪8O年代初，东北轻合金加工工厂和北京航空材料研究所开始研制A1-Zn-Mg-Cu系铝合金。

日前，我国在普通7000系铝合金的生产和应用方面已进入实际应用阶段，主要包括7075、7050、7175等，用丁航空器的某些结构件的制造。

90年代中期，北京航空材料研究所采用常规半连续铸造法试制成功r 7A55超高强铝合金，近年来叉开发了强度更高的7A60合金。

“九五”期间，北京有色金属研究总院和东北轻合会加工厂开展了采用喷射成形工艺研发含Zn 量更高的超高强铝合金。

他们采用喷射沉积和半连续铸造丁艺，制成了各种尺寸的锻件、挤压棒材及无缝挤压管材等。

合金的屈服强度已分别达到750,780MPa、延伸率分别达到8%, lO%和4%,7%。

“九五”期间，东北大学等采用低频电磁半连续铸造高合金化超高强度铝合金的研究，目前已开发出了低频电磁半连续铸造技术。

该技术不仅可以得到国外高频、中频或工频电磁铸造时所获得的晶粒细化、表面质量改进和抑制开裂的效果，同时还可以使溶质元素的固溶度大大提高。

为高合金化超高强铝合金的制备创造r 基本条件[19]2 铝合金的强韧化技术为了扩大高强铝合金的应用，在提高其强度的同时，必须提高其韧性和抗应力腐蚀性能等。

目前国内外均投入了大量的人力、物力开展研究，主要涉及成分设计、熔铸技术、细晶化技术及热处理工艺研究等，以下叙述主要几方面的研究情况。

2(1 铝熔体净化技术对除气、除渣工艺进行改进，使铸锭质量提高。

传统熔体净化方法有两种，一是采用高纯度的工业原料，减少Fe、Si金属间化合物含量，以提高合金的断裂韧性和疲劳强度。

该方法有效但成本高。

二是先将杂质转变为复相化合物，然后再将化合物分离、去除，但往往带来铝液的大量消耗。

目前的研究重点主要是在铝合金熔体中形成杂质的金属间化合物和碱土金属氧化物，然后采用卤化工艺分离。

铝熔体的净化对于提高铝合金的性能，特别是断裂韧性十分有利。

目前，经先进的净化-6处理后，熔体中的氢含量可低于0.1ml,100gA1，氧含量低于6×10 ，钠含量低于2×-6 10[20,21]。

2(2 合金化强化超高强Al-Zn Mg-Cu系的合金元素包括主合金元素Zn、Mg、Cu和微量元素Zr 以及杂质元素Fe和Si。

Fe和Si是有害杂质，在合金中主要以不溶或难溶的A1FeSi等脆性相的形式存在。

热加工变形后，容易形成沿变形方向断续排列的带状组织。

塑性变形过程中，由于基体与脆性相变形不协调，容易在相界面上形成孔隙，产生微细裂纹，成为宏观裂纹的发源地，显著降低合金的断裂韧性[22] 。

所以，超高强AI-Zn-Mg-Cu系合金中应尽量降低Fe和Si的含量。

目前， Fe和Si 等杂质的含量一般控制在0.1% 以下。

超高强铝合金中Zn和Mg含量较高。

Zn和Mg在合金中形成主要强化相MgZn,MgZn相在合22金中的溶解度随温度的降低而急剧下降，具有很强的时效硬化能力。

在固溶极限范围内，提高Zn、Mg含量可以大大提高合金强度，但会导致合金的韧性和抗SCC性能降低在Zn含量较高的合金中加入2%,3%的Cu，能同时提高强度、塑性、耐蚀性和重复加载抗力。

王祝堂[23]认为，高Zn合金中，Cu原子溶人GP区，可以提高GP 区的稳定温度范围，延缓时效析出。

Cu原子还可溶入?和?相中，降低晶界和晶内的电位差，提高合金的抗应力腐蚀能力。

超高强铝合金一般添加0.05%,0.15% 的Zr。

Zr和Al结合形成AI3Zr金属间化合物。

在时效过程中，次生的Al3Zr粒子可加速? (MgZn2)相的析出。

此外，含Cr 合金的淬火敏感性不强，合金的淬透性提高。

总的来说，微量元素可提高合金的强度、断裂韧性和抗应力腐蚀性能。

2(3 铝合金的各种强化机制从理论上讲，用工艺手段提高金属的强度有两条途径:第一，完全消除金属内部的位错和其它缺陷，使它的强度接近其理论强度，但目前这样做还相当困难;第二，在晶体中引入大量的缺陷。

以阻碍位错的运动，提高金属的强度。

例如采用固溶强化、第二相强化、细品强化、复合强化和应变强化等。

值得注意的是有效地综合利用这些强化手段，也可以从另一方面接近于金属的理论强度(1)固溶强化固溶强化是一种形成点缺陷的强化，溶质原子溶入金属基体后使基体金属的位错密度增大，晶格发牛畸变。

畸变所产生的应力场与位错周围的弹性应力场交互作用，构成位错滑移的障碍，使位错运动阻力增大，从而使材料得到强化。

但址?i溶强化受固溶度和过饱和度的限制，该强化方式对铝合金的强化作用有限(2)第二相强化第二相强化的本质是基体金属巾细小坚硬而弥散分布的第二相粒子对位错运动构成障碍，且其障碍作用比单个溶质原子要强，位错要运动必须绕过或切过这些障碍，这样就使材料的屈服强度提高了。

向基体金属中引入第二相的常用方法有两种:一种是利用过饱和固溶体的脱溶沉淀进行时效热处理的沉淀强化;另一种是通过机械或化学的方法从体系外引入第二相物质的弥散强化。

沉淀强化是超高强铝合金的一种最重要的强化段，其效果取决于合金的成分和淬火后固溶体的过饱和度。

一般讲来，沉淀相(强化相)的体积含量越大，弥散度越大，强度越高，其强化效果就越好。

(3)细晶强化细晶强化的本质是晶界有效地阻碍了位错的运动。

因为晶界处的原子排列错乱，杂质缺陷众多，且晶界两侧的晶粒位向不同，这就阻碍了位错从一个晶粒向另一个晶粒的运动。

晶粒越细，单位体积内的晶界体积就越大，对位错的阻力也越大，材料的强度就越高。

目前，细化晶粒的方法主要有两种:一种是熔炼浇注时细化，如采用变质处理、电磁搅拌和增加过冷度等。

另一种是形变再结晶细化，即通过控制变形程度和再结晶温度与时间来细化晶粒。

由于细晶强化在提高材料强度的同时也改善了塑性和韧性，所以是实际生产中的一种重要的强化方法(4)复合强化复合强化是近年来发展的新方法。

其强化机理与上述3种方法的不同之处是，它不是靠阻碍位错的运动，而是靠增强体材料和基体材料间良好的浸润性紧密粘结获得良好的结合强度，充分发挥各组元材料的优势，使整个复合材料具有较高的强度和韧性。