高强高韧铝合金及挤压材的发展概况

　　高性能铝合金中，最具代表性的是为适应航空航天器高机动性、高载荷、高抗压和高耐疲劳及高速与高可靠性的要求而研制的高强高韧铝合金，主要包括2×××系和7×××系的IM 传统熔铸铝合金，以及在此基础上发展起来的PM 粉末冶金铝合金、SF喷射成型铝合金、铝基复合材料、超塑性铝合金等。主要的新合金有: 2×××系的2124、2224、2324、2048、2419、Д16Ч、1161、1163 等; 7×××系的7149、7249、7175、7475、7075、7150、7055、7155、7010、7068、7090、7091、7064、CW67、B93пч、B95оч、B96ц-1、B96ц-3、01975、01970 等铝合金。典型的航空航天工业用铝合金挤压材主要有:无粗晶的棒材、高质量无缝管材、复杂断面实心型材和异形无缝空心型材，变断面型材和管材; 大型整体壁板、大梁型材; 现代交通运输用的大、中、小特殊高性能复杂断面的空心与实心型材等。要求在不断提高强度指标的同时，具有良好的韧性、抗应力腐蚀性、抗疲劳性和断裂韧性等综合性能。对高性能铝合金的主要研究方法和成果有:

    (1) 改善传统Al-Cu-Mg 系和Al-Zn-Mg-Cu 系合金的研发及挤压新材料的开发调整合金中的主要合金元素含量及各组元的比值，添加微量过渡元素及稀土元素，减少合金中的Fe、Si 等杂质和氢、氧等气体含量。提高合金的纯净度，从而改变合金中各种化合物的性能和成分，采用特殊的加工工艺和热处理工艺生产的T351、T7451、T851、T651、T7651、T7351、T7451、T77、T775、T791 等不同状态的高性能铝合金型材、管材和棒材。

    (2) 采用新合金元素的新合金及挤压材

    ①Al-Li 合金

    Al-Li 合金的特性是具有低的密度、高的弹性模量和高的强度。现在开发成熟的Al-Li 合金主要是Al-Li-Sc-Zr 系和Al-Li-Mg-Zr 系合金。能够替代7 ××× 系超高强合金的均为Al-Li-Sc-Cu-Zr 系合金。最典型的铝合金有2090 和8091 合金等。研制的目标是达到7075-T6 铝合金的强度和7075-T73 铝合金的抗蚀性能。1996 年美国在直升机中应用的Al-Li 合金已达到机体重量的20% 左右; 2010 年以后，在大型客机上预计有20% 以上的结构采用Al-Li 合金制作

    ②Al-Sc 合金

    Sc 属于稀土类金属元素，密度小，熔点高，因为它能显着提高铝合金的再结晶温度和力学性能，因而引起高度重视。近年来，俄罗斯和德国在Al-Sc 合金的研究方面取得了很大进展，并研究出Al-Zn-Mg-Sc-Zr 系和Al-Mg-Sc 系合金。前者的特点是强度高，塑性、疲劳性能和焊接性能好，是一种新的高强、高韧性可焊铝合金。它的应用领域也主要是航空和航天，此外也可以应用在高速舰艇和高速列车上。

    ③Al-Be 合金

    Be 也属于高熔点的稀有金属，Al-(7.0～30) Be-(3～8) Mg合金都处于Al-Be-Mg 三元相图的两相区，其组织由初晶Be和固溶Mg 的α( Al) 相组成，使合金有很好的综合性能。如Al-7.0Be-3Mg合金的抗拉强度达到650 N/mm2，伸长率大于10%，可以应用在航空工业。但由于制造工艺复杂且Be有毒，使其应用受到限制。

    ( 3) 用新制备技术研发新型超高强铝合金材料

    ①目前采用PM法制造的超高强铝合金虽然成本较高，产品尺寸小，但可以生产IM法无法生产的高综合性能合金。国外已开发的PM 超高强铝合金有7090、7091和CW67铝合金等，它们的强度均达到了700 N/mm2 以上，其强度和抗SCC 性能均比IM合金的好，特别是CW67 合金的断裂韧性最好。现在美国可生产重达650kg的坯锭，加工出来的挤压件和模锻件已应用到飞机、导弹以及航天器具上。

    ②SD喷射沉积法( 喷射成型法)是一种新型的快速凝固技术，其特点介于DC 铸造和PM 粉末冶金之间。SD法与PM 法相比，生产工艺简单，成本低，金属含氧化物少( 仅是PM法的1/3～1/7) ，制锭重量大( 可达1000 kg以上)，可批量生产。与IM法相比,最大的优点是可以制备IM法无法生产的高合金化铝合金，而且还可以生产颗粒复合材料。即使是生产普通合金，也具有铸锭晶粒极其细微、加工材综合性能好等特点。所以采用此方法开发制造具有高性能的超高强铝合金，有着非常好的发展前景。

    ③铝基复合材料的研究方兴未艾，它是金属基复合材料中研究得最多和最主要的复合材料。目前开发的铝基复合材料主要有B /Al、BC /Al、SiC /Al、Al2O3 /Al 等。添加的增强剂可分为颗粒、晶须、短纤维和长纤维，其中SiC /Al 复合材料是最有发展前途的，因为它不需要用扩散层包覆纤维，成本低。铝基复合材料的特点是密度小、比强度和比刚度高、比弹性模量大、导电导热性好、抗腐蚀、耐高温、抗蠕变和耐疲劳等。美国用其制造的10 m 多长的型材和管材已经用在了各种航天器上，并且已经成为铝合金、甚至Al-Li 合金的重要竞争对手。此外，铝-钢、铝-钛等层压式铝基超高强复合材料在近年来也得到了发展。

    ( 4) 研究开发和应用各种先进的和特殊的变形加工与热处理新工艺，如超塑挤压、半固态挤压、等温挤压、复合挤压、反向挤压、无润滑穿孔挤压、扁挤压、变断面挤压、静液挤压等先进挤压技术和新型的形变热处理工艺等，来提高合金材料的综合性能和特殊性能。如在研发大断面挤压型材和棒材时，对2024、2124、2324、2424、7175、7475 及7055、7155 等铝合金逐步加强合金中的杂质控制，从最初牌号中Fe 和Si 的质量分数0． 5%下降到最新牌号的0． 1%以下，大大减少了近代断裂力学理论认为的可成为裂纹源的内部缺陷数量和尺寸，改进了析出相的分布及形态，同时采用先进的工艺生产优质大铸锭，用大变形进行挤压加工，淬火后进行预拉伸，充分消除内部残余应力，然后进行单级或多级人工时效，研发出在航空航天、兵器、舰船等领域得到广泛应用的适合于不同用途的T351、T7451、T851、T651、T7651、T7351、T7451、T77、T7751、T79 等不同状态的大型挤压型材和棒材。