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高端航空航天用鋁合金材料應(yīng)用和要求解讀
創(chuàng)建人：
信義通
創(chuàng)建日期：
2021-12-21
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航空鋁合金是飛機(jī)、航天飛行器制造的主干材料。伴隨著當(dāng)代飛機(jī)設(shè)計(jì)制造對(duì)飛行性能、有效載荷、燃油消耗、服役壽命及安全可靠性要求的不斷提升，對(duì)鋁合金結(jié)構(gòu)的綜合性能及減理效果也提出了越來越高的要求。采用大尺寸鋁合金材料數(shù)控銑削加工出整體式鋁合金結(jié)構(gòu)件，取代傳統(tǒng)中由多個(gè)鋁合金散件拼裝而成的組合結(jié)構(gòu)件，不僅可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)件大幅減重、提高服役過程可靠性，而且可減少飛機(jī)組裝工序、降低制造成本。這種先進(jìn)的設(shè)計(jì)制造方法，對(duì)鋁合金材料提出了十分苛刻的要求：鋁合金鍛件或預(yù)拉伸板的最大厚度往往需要達(dá)到150mm以上，不同厚度部件的綜合性能高度均勻，同時(shí)還要擁有優(yōu)良的強(qiáng)度-塑性-斷裂韌性-抗疲勞性能-抗應(yīng)力腐蝕與剝落腐蝕性能匹配。
鋁被用作航天飛機(jī)的固體火箭助推器發(fā)動(dòng)機(jī)的主要推進(jìn)劑，因?yàn)殇X具有很高的體積能量密度并且難以意外點(diǎn)燃。
鋁合金板用于大量的航空航天應(yīng)用，其復(fù)雜性和性能要求從簡(jiǎn)單的組件到飛機(jī)的主要承重結(jié)構(gòu)，例如空客A340和波音777。
飛機(jī)和航空航天工業(yè)長(zhǎng)期以來一直依賴鋁合金。如果沒有在引擎中使用鋁合金，第一架飛機(jī)就永遠(yuǎn)不可能飛行。人造衛(wèi)星是由鋁制成的，因此人造衛(wèi)星能夠在穿越我們熾熱的外部大氣并進(jìn)入太空的過程中幸存下來。即使在今天，NASA仍在先進(jìn)的Orion航天器中使用鋁-鋰混合材料。
無論是設(shè)計(jì)商用飛機(jī)還是建造精密的航天飛機(jī)，鋁合金都是至關(guān)重要的材料。鋁合金最常用于機(jī)身，機(jī)翼和支撐結(jié)構(gòu)的制造中，為飛機(jī)和太空飛行工程帶來一系列好處。
航空航天用鋁合金用于處理在太空冷凍真空中遇到的低于零溫度的條件。另一方面，用于飛機(jī)制造的鋁合金具有耐用性和抗各種腐蝕的能力。這些合金的高穩(wěn)定性使其成為用于機(jī)械部件的理想選擇，這些部件也受益于鋁的高電導(dǎo)率。
鋁合金在飛機(jī)上主要是用作結(jié)構(gòu)材料，如：蒙皮、框架、螺旋槳、油箱、壁板和起落架支柱等。鋁合金在航天航空中的應(yīng)用開發(fā)可分為幾個(gè)階段：50年代主要目標(biāo)是減重和提高合金比剛度、比強(qiáng)度；60～70年代主要目標(biāo)是提高合金耐久性和損傷容限，開發(fā)出7XXX系合金T73和T76熱處理制度、7050合金和高純合金；80年代由于燃油價(jià)格上漲而要求進(jìn)一步減輕結(jié)構(gòu)重量；90年代至今，鋁合金的發(fā)展目標(biāo)是進(jìn)一步減重，并進(jìn)一步提高合金的耐久性和損傷容限。例如開發(fā)出高強(qiáng)、高韌高抗腐蝕性能的新型鋁合金，大量采用厚板加工成復(fù)雜的整體結(jié)構(gòu)部件代替以前用很多零件裝配的部件，不但能減輕結(jié)構(gòu)重量，而且可保證性能的穩(wěn)定。要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)要開發(fā)出低內(nèi)應(yīng)力的厚板材料。
鋁材在航空的應(yīng)用
鋁材在航空器中應(yīng)用廣泛，主要作為飛機(jī)結(jié)構(gòu)件。鋁合金、由于其比強(qiáng)度高、成形和加工性能好的特點(diǎn)，是飛機(jī)的主要結(jié)構(gòu)材料，如蒙皮、框架、螺旋槳、油箱、壁板和起落架支柱等。不同機(jī)型鋁化率占比可以相差較大，如波音737鋁合金材料占比較大可達(dá)81%，而波音787由于使用了大量復(fù)合材料，鋁合金材料占比為20%。
航空用鋁主要以變形鋁材為主，鑄造材占比較低。航空器消耗鋁中，平均而言平軋材約占60%，擠壓材（管、棒、型、線）約占28%，鍛件約占7%，鑄件約占5%。
按合金成分分類，航空用鋁以2系和7系為主。當(dāng)今世界各國(guó)大飛機(jī)結(jié)構(gòu)用鋁合金主要是高強(qiáng)度的2系(2024、2224、2324、2424、2524等)和超高強(qiáng)度的7系(7075、7475、7050、7150、7055、7085等)，在民用客機(jī)鋁材占比分別達(dá)約38%、45%。
人們對(duì)航空航天用的鋁合金在成分及合成方法、軋制/擠壓/鍛造/熱處理等工藝、零件加工、材料及結(jié)構(gòu)服役性能表征等方面都開展了深入的系統(tǒng)研究，材料產(chǎn)品發(fā)展已形成系列化，在應(yīng)用方面也取得了一系列顯著成果。特別是20世紀(jì)80年代末以來，隨著飛行器損傷容限和耐久性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則逐漸形成，對(duì)材料的強(qiáng)度、斷裂韌性、耐蝕性、抗疲勞等綜合性能提出了更高要求。當(dāng)前鋁合金的發(fā)展方向是開發(fā)低內(nèi)應(yīng)力的厚板材料，且在制造工藝上大量采用厚板以實(shí)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)部件成型，來代替以前用很多零件裝配的部件（圖2）。廣泛采用大型整體壁板結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為新一代飛機(jī)提高結(jié)構(gòu)效率、減少零件數(shù)量、降低成本和縮短研制周期的重要手段。如波音B747飛機(jī)采用整體帶筋壁板后，零件數(shù)量從129個(gè)減少到7個(gè)，成本降低了25%，而裂紋擴(kuò)展壽命和殘余強(qiáng)度均提高了3倍。
一代飛機(jī)，一代材料，航空用鋁已發(fā)展到以鋁鋰合金為代表的第三代鋁合金材料。航空用鋁發(fā)展有三個(gè)階段：第一個(gè)階段是1930s-1960s，2系鋁合金使全金屬飛機(jī)成為主流，而以早期7075為代表的7系鋁合金則使客機(jī)在平流層飛行成為可能，代表機(jī)型是DC-3，B-29與70；第二個(gè)階段是1960s-1990s，7050和7055等一系列新型7系列鋁合金被開發(fā)出來，在兼顧疲勞特性的同時(shí)提高了比強(qiáng)度，代表機(jī)型是A300系列、777；第三個(gè)階段是2000年至今，在復(fù)合材料的競(jìng)爭(zhēng)下，以鋁鋰合金為代表的第三代鋁合金被越來越多的新機(jī)型采用，包括A220，我國(guó)的C919等，代表牌號(hào)是肯聯(lián)的2050、2196，以及美鋁的2099、2397。除了鋁鋰合金外，鋁基復(fù)合材料和超塑性成形鋁合金也是當(dāng)前航空用鋁重點(diǎn)研究方向。
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