航空铝材的应用

发表时间:2021-05-10 10:34

航空铝合金概念及定义

航空航天铝材是一种超高强度变形铝合金,目前广泛应用于航空工业。飞机用的铝合金和普通铝合金相比,对强度、硬度、韧性、抗疲劳性、塑性有较高的要求。航空铝合金具有较好的力学和加工性能,固溶处理后塑性好,热处理强化效果好,一般在150℃(甚至更高)以下有高的强度,韧性好,是理想的航空结构材料。

纯铝的性能在大多数场合不能满足使用要求,为此,人们在纯铝中添加各种合金元素,以生产出满足各种性能和用途的铝合金。铝合金导热性好,易于成形,价格较低,已经在航空航天、交通运输、轻工建材、通讯、电子等部门获得广泛的应用。当今世界各国航空飞机结构用铝合金主要是高强度的2(202420172A12)和超高强度的7(7075747570507A04),另外还有部分5(5A0650525086)6(60616082)以及少量的其他系列铝材。



航空铝合金基本特点

航空航天用铝合金的主要特点有:大型化和整体化、薄壁化和轻量化、断面尺寸和形位公差精密化、组织性能的均匀化与优质化。根据飞机不同的使用条件和部位,航空航天用铝合金主要为高强铝合金、耐热铝合金、耐蚀铝合金。高强铝合金主要用于飞机机身部件、发动机舱、座椅、操纵系统等,使用最为广泛。

航空铝合金最大的特点是可以通过变形热处理提高强度。变形热处理是将塑性变形的形变强化和热处理时的相变强化相结合,使成形工艺与成形性能相统一的一种综合工艺。航空铝合金在塑性变形过程中,晶体内部的缺陷密度增加,这些晶体缺陷会引发材料内部微观组织的变化。在航空铝合金塑性变形的过程中,会发生动态回复,动态再结晶,亚动态在结晶,静态再结晶,静态回复等晶体结构的变化。这些晶体结构的变化,如控制得当,会显著提高材料的力学性能,增强材料的使用寿命。

航空铝合金一般会在过饱和固溶体中通过析出弥散相的方式进行强化。一般的析出序列为:偏聚区(或称GP)~过渡相(亚稳相)~平衡相。变形热处理的过程中,变形诱导析出,析出影响变形,变形和析出相互影响,动态影响材料的性能。

变形热处理的析出强化过程受温度影响较大。变形热处理可以分为高温变形热处理和低温变形热处理。低温变形热处理的基本工艺是:航空铝合金淬火、室温冷变形、时效热处理。经过该处理,航空铝合金强度得到较大的提高,但是塑性有所降低。高温变形热处理工艺是:淬火、高温变形、时效。高温变形热处理后,材料强度较高,塑性和韧性得到提高,合金的耐热强度也会达到提高。

航空铝合金的另一个特点是难于焊接。焊接过程中,航空铝合金存在以下难题:

1)极易氧化。在空气中,铝容易和氧化合,生成致密的三氧化二铝薄膜。氧化铝薄膜的表面易吸附水分,焊接时,它阻碍基本金属的熔合,极易形成气孔、夹渣、未熔合等缺陷,引起焊缝性能下降。

2)易产生气孔。铝和铝合金焊接时产生气孔的主要原因是氢,由于液态铝可溶解大量的氢,而固态铝几乎不溶解氢,因此当熔池温度快速冷却与凝固时,氢来不及逸出,容易在焊缝中聚集形成气孔。

3)焊缝变形和形成裂纹倾向大。铝的线膨胀系数和结晶收缩率约是钢的两倍,易产生较大的焊接变形内应力,对刚性较大的结构将促使热裂纹的产生。

4)铝的导热系数大。约为钢的4倍,因此,焊接铝和铝合金时,比焊钢要消耗更多的热量。

5)合金元素的蒸发烧损。铝合金中含有低沸点的元素(如镁、锌、锰等),在高温电弧作用下,极易蒸发烧损,从而改变焊缝金属的化学成分,使焊缝性能下降。

航空铝合金应用


据介绍,进入空中的航天运载器,每减轻1kg,其发射费用将节省约2万美元,因此结构减重在航天领域可谓克克计较。战斗机重量若减轻15%,则可缩短飞机滑跑距离15%,增加航程20%,提高有效载荷30%。因此,世界各国十分重视研制和开发航空航天用轻质结构材料。

航空铝合金凭借密度小、强度适中、易加工成形、耐腐蚀性强,资源丰富、可回收性强等独特的优势,广泛应用于航空航天领域。飞机上的蒙皮、梁、肋、桁条、隔框和起落架都可以用铝合金制造,航天飞机的乘员舱、前机身、中机身、后机身、垂尾、襟翼、升降副翼和水平尾翼都是用铝合金。飞机依用途的不同,铝的用量也不一样。着重于经济效益的民用机因铝合金价格便宜而大量采用,如波音767客机采用的铝合金约占机体结构重量81%。有些航空铝合金有良好的低温性能,可在液氢和液氧环境下工作,因而是制造液体火箭的好材料。发射阿波罗号飞船的土星” 5号运载火箭各级的燃料箱、氧化剂箱、箱间段、级间段、尾段和仪器舱都用航空铝合金制造。

目前,应用在航空民机的铝合金材料主要有:铝合金铸件、铝合金锻件、大断面铝合金挤压型材、铝合金厚板和铝锂合金等。

2024航空铝合金用于飞机结构件。2048航空铝合金主要用于制造航空航天器结构件与兵器结构零件。2218主要用于飞机发动机和柴油发动机活塞,飞机发动机汽缸头,喷气发动机叶轮和压缩机环。2219用于航天火箭焊接氧化剂槽,超音速飞机蒙皮与结构零件。

7049用于飞机与导弹零件,如起落架液压缸和挤压件。7050航空铝合金用于飞机结构件的中厚板、挤压件、自由锻件与模锻件。7178航空铝合金供制造航空航天器的要求抗压屈服强度高的零部件。7475 用于机身用板材,机翼骨架、桁条等。7A04用于飞机蒙皮、螺钉、以及受力构件如大梁桁条、隔框、翼肋、起落架。

航空铝合金所处产业链简介

在我国,大飞机的制造需求,正在强劲拉动铝合金材料尤其是航空铝合金材料需求。C919大型客机已经获得国内外20多家航空公司500多架的订单,ARJ21-700也有200多架订单。根据计划,到2018年,ARJ21支线客机、C919大飞机所用30%以上的铝合金材料将采用国产铝材。中国大飞机对铝合金材料的需求增加了中国航空铝合金研发和规模化产业链的发展。


铝的产业链主要由铝土矿开采、氧化铝提炼、原铝生产和铝材加工四个环节组成。首先是铝土矿开采,再通过对铝土矿溶解、过滤、酸化和灼烧等工序提炼出氧化铝,然后通过电解熔融的方式制备电解铝。电解铝经过重熔提纯后可进一步加工成各种铝材、铝合金以及铝粉等。

就国内而言,大部分公司集中在中下游,涉及铝土矿及氧化铝生产的仅有中国铝业和南山铝业,原铝生产和铝材加工上市公司较多。




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