轻合金技术新进展

轻合金技术新进展

铝、镁、钛等金属的密度小，分别为2.7g/cm3、1.7g/cm3、和4.5g/cm3、，因此，这几种金属通常被称为轻金属，其相应的铝合金、镁合金、钛合金则称为轻合金[1,2]。铝合金具有比重小、导热性好、易于成形、价格低廉等优点，已广泛应用于航空航天、交通运输、轻工建材等部门，是轻合金中应用最广、用量最多的合金[3~5]。镁合金具有比重小，比强度、比刚度高，阻尼性、切削加工性、导热性好，电磁屏蔽能力强，尺寸稳定，资源丰富，易回收，无污染等优点，因此，在汽车工业、通信电子工业和航空航天工业等领域正得到日益广泛的应用，近年来全世界镁合金产量的年增长率高达20％，显示出了极为广泛的应用前景[1,15]。钛合金比重小、耐蚀性好、耐热性高、比刚度和比强度高，是航天航空、石油化工、生物医学等领域的理想材料；同时，钛的无磁性、钛铌合金的超导性、钛铁合金的储氢能力等特性，使得钛合金在尖端科学和高技术方面发挥着重要作用[1,32]。

本文简要综述目前国内外在轻合金方面的研究开发、应用现状及最新进展，分析了我国在轻合金材料发展及其应用方面存在的问题，提出了今后一段时间我国在轻合金材料研究、开发与应用方面的对策。

－、铝合金

1.铝合金的发展

铝合金是一种较年轻的金属材料，在20世纪初才开始工业应用。第二次世界大战期间，铝材主要用于制造军用飞机。战后，由于军事工业对铝材的需求量骤减，铝工业界便着手开发民用铝合金，使其应用范围由航空工业扩展到建筑业、容器包装业、交通运输业、电力和电子工业、机械制造业和石油化工等国民经济各部门，应用到人们的日常生活当中。现在，铝材的用量之多，范围之广，仅次于钢铁，成为第二大金属材料。铝材应用的迅速发展是世界铝工业界不断开发新的铝合金材料的结果[3~5]。表1列出了铝合金的特性及主要应用领域[2]。

铝合金的发展可追溯到1906年时效强化现象在柏林被Alfred Wilm偶然发现，硬铝

Duralumin、随之研制成功并用于飞机结构件上[7]。在此基础上随后开发出的Al-Cu-Mg系合金，如2014和2024，其抗拉强度为350~480MPa'，至今仍在使用。第二次世界大战期间，由于军用航空材料的需要，抗拉强度超过500ＭＰ'的Al-Zn_Mg_Cu.合金发展起来，其中最

著名的合金是7075[6]。第二次世界大战后，－系列新合金（尤其是7000系），如7050、7010、7475和7055等研制成功。这些铝合金的研制，在不断提高强度的同时，更加注重改善其抗应力腐蚀性能和断裂韧性，以提高构件的工作可靠性[1]。目前，高强、高韧是铝合金发展的主要方向。

2.铝合金的新进展

（1）Al-Cu-Mg合金系（2000）。

为提高2024的断裂韧性，通过控制合金中的Fe、Si杂质量并调整溶质元素的量，美国研制出了2124、2048和2524等合金[1,10]。其中新合金2524已广泛用于B777机身，在强度相当的条件下，其断裂韧性和抗疲劳能力明显优于2024[7]。

2000系合金的高温蠕变强度很高，典型合金有2618和2219。其中2219合金是一种焊接性、耐热性、韧性都很好的合金，主要用作航空油箱材料。进一步降低2219合金中的Fe、Si杂质量，提高Cu含量使之超过固溶极限以上，开发了韧性更高的2419、2021及2004合金，而且2004合金超塑性能良好[10]。研究发现，微量Ag(~0.1at.%)可促进所有含Mg 铝合金的时效强化。由此开发出的典型合金有Al-4Cu-0.3Mg-0.4Ag和

Al-6.3Cu-0.4Mg-0.4Ag-0.3Mn-0.2Zr。与其他2000系合金相比，前者具有优良的蠕变性能；后者既具有较高的室温强度，又提高了高温和蠕变性能[1]。最近，法国也发明了一种高蠕变强度的含Ag铝合金（芙国专利No.5738735）[12]。

（2）Al-Zn-Mg-(Cu)合金系（7000）。

对于7000系合金，长期困扰的问题是7079-T6和7075-T6等合金抗应力腐蚀开裂性差，为此开发了T73热处理工艺。T73热处理对防止应力腐蚀很有效，但与T6处理相比，材料强度降低了15％[1]。因此，很多研究都围绕着如何既获得T6的强度又具有T73的抗应力腐蚀性能。通过调整成分和工艺，出现了7049、7050、7150和7033等合金；添加Zr 代替Cr，开发了7010和7012合金；在T73之前对合金进行热变形；采用T77处理工艺的合金，如7055-T7751，用于B-777客机以承受压缩载荷为主的上机翼翼面，使其重量减少了635kg[1,6,10]；英国开发、1999年6月在美国注册的7034合金，则具有优秀的损伤容限

[13]。

（3）Al-Li合金系。

铝锂合金作为一种低密度、高弹性模量、高比强度和高比刚度的铝合金，在航空航天领域显示出了广阔的应用前景。例如，美国1998年用2195铝锂合金代替2219合金，制造奋进号航天飞机的液氢液氧外推进剂贮箱，减轻重量约3500ｋｇ，获得巨大效益[6~8]。

按时间顺序和性能特点可将铝锤合金划分为三代。第一代以1957年美国Alcoa公司研究成功的2020合金为代表，但其塑韧性水乎太低。第二代为20世纪70~80年代发展起来的铝锂合金，其中具有代表性的合金有.苏联的1420，美国的2090，英国的8090和8091，法国的2091等，这些合金具有密度低、弹性模量高等优点，都已获得了一定的应用，其中1420是目前最为成熟的铝锂合金[8,11]。进入20世纪90年代以后，人们针对第二代铝锂合金本身存在的各向异性、不可焊、塑韧性及强度水平较低等问题，开发出了一些具有特殊优势的第三代新型铝锂合金。如高强可焊的1460和Weldalite系列合金，低各向异性的AF/C489和AF/C458台金，高韧的2097和2197合金，高抗疲劳裂纹的C-155合金，及经特殊真空的XT系列合金，超轻的8024Al-Li_zr合金（1999年注册）等[10,13]。其中对高强可焊合金和低各向异性合金的研究最多，是第三代铝锂合金的发展方向。表2为第三代主要铝锂合金的典型性能[8,13]。

（４）铸造铝合金。

开发能够替代部分变形铝合金的高强韧铸造铝合金可以缩短制造周期，降低成本。国外