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航空航天高强度铝合金的化学成分优化
发布人：上海艾荔艾金属材料有限公司www.shailiai.com
更新时间：2014-09-01
航空航天铝合金高强度铝合金：7055-T77铝合金 7085铝合金 2324铝合金 2524铝合金 7175铝合金 7475铝合金 7050铝合金
随着飞机设计要求的提高，发展新一代高性能铝合金的任务日益迫切。其中，通过化学成分优化来提升材料的服役性能仍有很大的空间。
一．主元素含量的优化。
航空航天铝合金主要是 7XXX、2XXX系合金。对于 7XXX合金，增加合金化主元素含量可获得更高密度的 GP 区和 η' 相，提高合金的强度。该系合金 Zn 的含量，从5.5% 左右(7075) 已增至 8% 左右(7055) ，主成分之和从 9% 增至约 13%，相应的屈服强度从 500 MPa 提高至 600 MPa 以上。高强铝合金中主元素的比例也会影响合金性能，如 7055-T77 合金的良好综合性能与高 Zn/Mg 比和 Cu/Mg 比有关。主元素含量及其比例不仅影响合金基体的析出，而且也影响晶体学界面上析出的热力学与动力学过程，从而影响合金的强度、韧性和耐蚀性以及淬火敏感性。末端淬火实验表明，Mg 质量分数为 1.0%，1.4% 和2.0% 时，7085 铝合金淬透层深度分别为 100，65 和40 mm。现有合金的主元素总量增加会增加合金的淬火敏感性，Zn/Mg 比值增加可一定程度减小淬火敏感性。例如，对于 7175 合金，通过降低 Cu + Mg 含量，提高 Zn/Mg 比可降低淬火敏感性，减小该合金锻件表层与中心的强度差别。通过成分调整，虽然合金材料表层的强度略有下降，但淬透性的提高使整体性能得以提高。
二．微量元素的添加。
微量元素决定弥散相界面的性质，从而影响材料的性能。如对于 7XXX 合金，用 Zr 元素取代 Cr，Mn 可使弥散相与基体形成共格界面，提高合金的淬透性、韧性和抗腐蚀等性能。Cr，Mn，Ti，Sc，Zr 等微量元素的添加可细化铝合金的微观组织并提高其性能。如在某 Al-Zn-Mg-Cu 合金中添加 0.24Cr、0.20Mn、0.03Ti 和 0.17Zr(质量分数) 后，铸态组织被极大地细化，晶粒尺寸从 100～200μm 减小至 10～20μm; 时效强度从 530 MPa 提高至 700 MPa 左右。在 7XXX 合金中，研究发现，含 Zr 的弥散相粒子较含 Cr，Mn 的尺寸更小，分布更弥散，更有效阻碍合金热轧、固溶时的再结晶发生，有利于韧性的提高; 保留加工纤维状组织，可提高韧性和耐蚀性。由于弥散相与基体形成共格相界面，其化学能降低，界面析出难度加大，材料淬透性提高。如 B95 合金的淬火敏感性随 Cr 和 Mn 含量的减小而降低。
三．杂质含量的控制。
合金的纯化有利于性能的提高。对铝合金中杂质含量(如 Fe 和 Si)的控制越来越严格，从最初的0.5% 降至 0.05% 左右，甚至更低，由此可改善与损伤容限有关的性能，如断裂韧性、疲劳及耐蚀性。Fe，Si 杂质元素的存在往往导致硬脆粗大金属间化合物的形成，这些金属间化合物难以和基体协调一致塑性变形，容易产生微裂纹，成为宏观裂纹源或破碎形成裂纹，降低合金的塑性和断裂韧性。因此，降低合金中 Fe，Si杂质含量以减少粗大金属间化合物的数量，减小其尺寸，或将其球化，都可提高合金的断裂韧性。基于这些研究结果，已开发了 2324、2524 和 7175、7475 和7050 等系列高纯高强铝合金。
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