航空铝合金的应用与发展

​铝合金具有密度小、比强度高、耐蚀性和成型性好、成本低等一系列优点，在航空、航天、船舶、核工业及兵器工业都有着广泛的应用前景及不可替代的地位。在航空方面，铝合金是飞机机体结构的主要用材。

虽说铝合金密度低，但其强度比较高，接近或超过优质钢，塑性好，可加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性和抗蚀性，工业上广泛使用，使用量仅次于钢。

铝合金按加工方法可以分为变形铝合金和铸造铝合金。铸造铝合金，在铸态下使用；变形铝合金，能承受压力加工，力学性能高于铸态。可加工成各种形态、规格的铝合金材。主要用于制造航空器材、日常生活用品、建筑用门窗。 

铝合金可以采用热处理获得良好的机械性能，物理性能和抗腐蚀性能。铸造铝合金按化学成分可分为铝硅合金，铝铜合金，铝镁合金和铝锌合金。

铝合金的发展与航空事业的发展是密不可分的。20世纪初在莱特兄弟制造的飞机上就采用了A1-Cu-Mn铸造的飞机发动机的曲柄箱体。1906年A. Wilm在AI-Cu-Mg系合金中发现时效硬化现象，使铝合金作为飞机主体结构材料成为可能，此后，铝合金作为飞机机体的主要结构材料登上历史舞台。

总结铝合金的发展大致可分为下列五个阶段，在不同时期由于不同的需求，科学家们对航空铝合金一直不停地研究，一步一步地使航空铝合金真正地应用于飞行器的发展。

静强度阶段需求阶段

这一阶段的时间段大概是20世纪初到50年代中期，那个时候飞机的性能都比较简单落后，对飞机材料性能的需求仅仅是要求其具有高的静强度。这样就可以减轻飞机的结构重量同时增大飞机的载重量和航程，从这些方面来提高飞机的性能。用我们今天得思想来看这显得很单纯、很简单，但是在当时的那种环境中确实也只能这样了。就是在这种需求的刺激下，科学家们研制出了2014和2017铝合金。

2014铝合金

2014铝合金从成分看即属于硬铝合金又属于锻铝合金，因含铜量较高，故强度较高，热强性较好，但在热态下的塑性比较差，2014铝合金具有良好的可切削性，接触焊、点焊和滚焊性能良好，电弧焊和气焊性能差；可进行热处理强化，有挤压效应。

随后又研制了2024-T3合金，至30年代，2024合金在飞机上得到了广泛的应用。二战期间，为获得更高的机体材料强度，研制了高强A1-Zn-Mg-Cu系合金7075-T6，随后又研制了更高强度的7178-T6合金。这些合金在60年代以前广泛应用于民用及军用飞机上。

抗腐蚀性能需求阶段

这一需求阶段开始的时间是60年代，那个时候飞机上开始使用厚大截面结构，这样就出现了机体机构的应力的腐蚀问题。新的铝合金材料不但要满足静强度需求还要能够满足机体的腐蚀应力需求。后来研制出了一种能够满足腐蚀应力强度需求的7XXX系列的铝合金，但是同时牺牲了15%的静强度。60年代,7075-T73、7075-T76合金在飞机上获得广泛应用。

综合性能需求阶段

等到了60年代末到70年代初的这段时间，铝合金的发展受失效-安全设计的影响，对材料的高断裂韧度的要求便慢慢提高。美国首先研制了7475合金。为进一步满足厚大截面结构强度和应力腐蚀性能的要求,Alcoa公司研制了705小T74合金。70年代后期,飞机设计提出了机体结构材料在具有高强度的同时应具有高的断裂韧度和优良的抗疲劳性能。

强烈的减重需求和高可靠性需求阶段

到了80年代初，由于能源危机及为提高军机战斗力,对飞机设计提出了强烈的减重要求,另外,钦合金、树脂基复合材料逐渐兴起,铝合金面临极大的挑战,这些都大大激发了非传统铝合金的研制及传统铝合金的挖潜工作。那么对铝合金的研制工作来讲就比较困难，要满足飞机性能的需求，需要从比强度这一方面入手，着重研究。

Alcoa首先研制成功了7150合金的T77热处理状态,该状态第一次在铝合金中实现了在满足腐蚀性能的同时不牺牲合金强度的目标。随后Alcoa又研制成功了超高强度的7055-T77合金及具有优良疲劳性能的2524一T3合金。这些高性能铝合金的出现极大地推动了航空铝合金的应用与发展。

降低制造成本的需求阶段

从90年代初到现在，因为冷战结束了，无论是军用飞机还是民用飞机都需要降低成本。最初始的目标是在不改变现有飞机结构设计的基础上,减少结构成本25%,为达到这个目标,西方国家开展的主要工作有:以整体机加工件代替锻件或多零件装配而成的结构部件、开展机翼的高温时效成形和高强铝合金的快速超塑成形、开展可焊接铝合金和铝合金焊接技术的研究、用优质铸件制造复杂构件以减轻结构重量和降低制造成本、开展低成本高性能铝锉合金研究以及开展铝基复合材料的研究等。

回过头来看看我国的航空铝合金研制明显是比国外落后很多的，我们再50年代到70年代，开始对结构静强度进行研究；70年代末至80年代中期，开始对抗腐蚀性能进行研究；80年底中期至90年代中期，我们开始追求铝合金的综合性能并寻求与国外之间的差距；90年代中期到现在，我们一直在研究高纯铝合金。

落后是有原因的，总结一下原理是：

（1）起步比较晚

（2）材料研究的基础,合金研制缺乏创新

（3）从研究到应用的转型比较缓慢

（4）航空铝合金的材料体系不完备,材料标准不完善

不过未来还是要发展的，我们不能老是止步于我们落后的状态。飞机的发展趋势是高速、长寿、安全可靠、低的结构重量系数、低成本和综合隐身。飞机速度的提高必然使飞机的气动加热问题和过载问题变得突出。F/A一22在马赫数2.O飞行时的驻点温度达到121摄氏度,而当飞机俯冲、机动时可达M2.5,那时驻点温度超过150摄氏度,这个温度对目前使用的铝合金蒙皮来说是极限温度,存在不安全隐患。在铝合金低成本制造技术方面,目前开展的主要工作有: 首先铝合金的时效成形和超塑成形。时效成形,又称蠕变成形或蠕变时效成形,是为大幅度降低飞机的制造成本而开发的技术。其次合金的连接，铝合金的焊接性能总体说来不佳,因此在飞机上大量采用铆接结构。最后开发新型焊接方法,如搅动摩擦焊技术等。