航空航天铝合金材的热处理工艺

2024 2219
强度高，有一定耐蚀性，综合性能较 好 具有较高的室温强度和高温持久强度 ，热塑性好，无挤压效应，可焊 接，抗腐蚀性差 高强、高韧 高强、高韧、抗疲劳强度高 良好的抗腐蚀性能和延展性、密度小 中等强度、良好的耐蚀性和焊接性、 易于加工成形
2324 2524 3003 5052
飞机结构件 机身蒙皮 发动机过滤网 风扇叶片、储油箱
飞机外翼梁、主起落架、前起落架动作筒、垂尾 接头
飞机机身、机翼蒙皮、中央翼结构件、翼梁、舱 壁、隔板、直升机舱板、起落架舱门 桁条 形状复杂的大锻件、飞机主起落架闸门的连杆操 纵装置、机体构件、直升机悬翼夹头、起落 撬、弹射座椅导轨
T74、T7452、T76511
T61、T761、T651、T7651 、T7351 T7651 T1(T6)、T3(T73)
图6 7x50AA单级均化组织（SEM）
465℃x24h
三、热处理工艺在航空航天铝合金上的应用
3.1 均匀化处理
图7 7x50AA双级均化组织（SEM） 465℃x24h+475 ℃x2h
图8 7x50AA双级均匀化组织 （SEM） 465℃x24h+475 ℃x4h
三、热处理工艺在航空航天铝合金上的应用
二、铝合金在航空航天领域的应用
2.1 铝合金在航空领域的应用 （1）飞机上不同部位应用的铝合金
表1 20世纪欧美国家铝合金在飞机不同部位的应用情况
飞机上不 同部位应 用的铝合 金主要有 2X24， 7X75， 7X5X等， 其合金牌源自文库号及热处 理状态随 年代的变 化，如表 1所示。
二、铝合金在航空航天领域的应用
（5）正在研发第五代－具有高淬透性 的高综合性能铝合金。应用：大型运载 工具等
一、前言
随着航空航天工业的发展和其他材料技术的发展，铝材在性能、规格 方面面临历史上最严峻的挑战。铝合金的发展以结构的减重、高可靠 和长寿命为目标，主攻高强高韧耐蚀抗疲劳高综合性能、极端环境的 服役性能以及性能均匀、残余应力小的大规格高性能材料。这就需要 通过热处理工艺精确调控材料围观组织提高铝合金综合性能，满足航 空航天工业发展对材料的苛刻要求，其作用至观重要、不可或缺。
3.3.4 回归在时效处理（RRA）
固溶处理 温度 /℃ 回归处理 预时效 再时效
时间/h
图19 RRA处理工艺示意图
三、热处理工艺在航空航天铝合金上的应用
3.3 时效处理
3.3.4 回归在时效处理（RRA）
强度、 硬度 RRA
R
回归时间
图20 在回归和回归再时效过程中强度和硬度变化示意图
三、热处理工艺在航空航天铝合金上的应用
3.3 时效处理 3.3.4 回归在时效处理（RRA）
1989年美国的Alcoa公司以T77热处理状态为名注册了第一个可 工业应用的RRA处理工艺规范，并将这种工艺用于7150铝合金的热
处理，并首次将经过 T77 处理的 7150 铝合金厚板和挤压件用于 C －
17军用运输机。第四代高性能铝合金最关键的 T77热处理技术我国 尚未工业应用。
模
锻
件
预拉伸板7075 蒙皮板 锻件、大型整体壁板、大梁型材等。
一、前言
铝合金是航天装备的主要结构材料，一代铝合金一代高新技 术装备，历经5代发展，推动了航空航天技术的发展
（1）第一代－时效硬化高静强度；应 用：运5、轰5……
（2）第二代－过时效热处理高强耐蚀； 应用：运6、轰6、歼11、运8…. （3）第三代－高纯为基础，高强高韧 耐蚀；应用：歼10、枭龙、ARJ21 …. （4）第四代－以精确控制多尺度第二 相为基础－超强高韧耐蚀抗疲劳铝合金； 应用：ARJ21、大运机…
3.1 均匀化处理
表4 均匀化处理对合金性能的影响
三、热处理工艺在航空航天铝合金上的应用
3.2 固溶处理
常规固溶处理 强化固溶
固溶处理 复合固溶处理
高温预析出
三、热处理工艺在航空航天铝合金上的应用
3.2 固溶处理
图9 常规固溶和强化固 溶原理示意图
图10 7x50AA常规固溶 组织（OM）470℃
二、铝合金在航空航天领域的应用
2.2 铝合金在航天领域的应用
铝合金在 航天领域 运载火箭 上的应用， 主要有 7075、 20x4、 2219等， 如图4所示。
图4 运载火箭主要铝材分布示意图
三、热处理工艺在航空航天铝合金上的应用
航空航天领域主要应用高强高韧2xxx系和7xxx系铝合 金。为了满足飞机、运载火箭等对铝合金材料高强、高韧、 耐腐蚀、抗疲劳的要求，除了提高熔炼铸造技术，从源头上 保证铸锭质量，以及精密的加工技术外，还需要对铝合金进 行必要、精确的热处理。 均匀化处理 固溶处理 高强高韧铝合 金热处理工艺
航空航天铝合金材的热 处理工艺
中色科技苏州分公司 李鹏辉 2011.4
主要内容
1 前言 2 铝合金在航空航天领域的应用
3 热处理工艺在航空航天铝合金上的应用
4 结束语
一、前言
航空航天铝合金主要指： 军用飞机 民用飞机
航天器
导弹武器
运载火箭
一、前言
典型的航空航天用铝合金产品
飞机用材中，铝材用量占 80%以上
三、热处理工艺在航空航天铝合金上的应用
3.3 时效处理 3.3.5 形变热处理
形变热处理是通过塑性变形和热处理相结合的工艺，用于改善
过渡沉淀相的分布及合金的精细结构，以获得较高的强韧性及抗蚀 性。 最早的工艺是由 Wert 等人在 1981 提出．该工艺主要适用宇航 结构的合金。实践表明，形变热处理改善7050、7475合金力学性能 具有明显的效果。
主要状态 T7651、 T7451、 T73511 、T76511、T7452 T651、T7751、T6511、 T77511、T77
7175
7475 7085 B93 пц
高强、良好的抗腐蚀性、优良的断裂 韧性
高强、高韧、好的抗疲劳性能和抗腐 蚀性能，具有良好的综合性能 高强度锻造铝合金，综合性能高，适 合于大截面产品 铸造和压力加工状态各向异性小、良 好的成形性、具有最低的临界冷 速率
四、结束语
综上，本人认为，为了满足航空航天工业的发展，必须继续大力发 展铝合金热处理工艺技术，保证其竞争力。 目前，铝合金热处理工艺技术国外已经发展到370余种，我国仅有 100余种。 第四代高性能铝合金最关键的T77热处理技术我国尚未工业应用。 世界铝合金热处理工艺技术在发展的同时，我国应该以生产“大飞机” 为契机，开发先进的热处理工艺技术，提高铝材的综合性能，满足国内
航空航天工业对铝合金性能的要求。
谢谢！
说明：课件中数据、图、表均来自公开发表 的论文、或网络。
三、热处理工艺在航空航天铝合金上的应用
3.3 时效处理
3.3.2 峰值时效
(a) (b)
Al3Zr
图17 高强铝合金T6态微观组织示意图
三、热处理工艺在航空航天铝合金上的应用
3.3 时效处理
3.3.3 双级时效
图18 高强铝合金双级时效态微观组织示意图
三、热处理工艺在航空航天铝合金上的应用
3.3 时效处理
热处理状态 T6(120℃/20h)
7x5xAA 不同时效处理后性能比较表
屈服强度（MPa ） 537 延伸率(％) 18.9 晶间腐蚀等级 4
抗拉强度（MPa ） 572
RRA(190℃/60min)
T73-（ 120℃/20h+165 ℃/12h）
593
521
571
485
10.5
9.3
3
3
三、热处理工艺在航空航天铝合金上的应用
三、热处理工艺在航空航天铝合金上的应用
3.3 时效处理
3.3.1 时效温度和时间对时效强化效果的影响
t4 强度 强度 t6 t1 强化 过时效 t7 时效时间 t5 t2
t3
时效温度
图16 在不同温度下时效时合金的强度 图15 温度对时效强化效果的影响（示意图） 与时效时间的关系 （t7＞t6＞t5＞t4＞t3＞t2＞t1）
2.1 铝合金在航空领域的应用
（5）飞机上常用铝合金的特点、用途及状态
表 3 飞机用主要铝合金的特点、用途及状态
合金 牌号 1420 主要特点 密度小、抗蚀性好 主要用途 机身蒙皮和纵梁、座舱、油箱、舱口盖、地板、 翼肋、管道附件 飞机蒙皮、骨架、肋梁、螺旋桨元件等飞机结构 件 飞机蒙皮与结构件 T351、T4、T851 T31、T37、T87、T851、 T3511 T39 T3 H22 H32、H34、H112 主要状态
时效处理 形变热处理
下面仅以高强高韧7xxx系铝合 金为例，以点代面，对航空航 天铝合金的热处理工艺进行简 要描述。
三、热处理工艺在航空航天铝合金上的应用
3.1 均匀化处理
单级均匀化 二级均匀化 均匀化处理
连续均匀化 强化均匀化
三、热处理工艺在航空航天铝合金上的应用
3.1 均匀化处理
图5 7x50AA铸造态组织（SEM）
3.3 时效处理 3.3.4 回归在时效处理（RRA）
(h)
(i)
图21 7075铝合金在RRA处理过程中的显微组织变化示意图 (a)峰值时效（120℃/24h）；(b)回归处理（200～270℃）； (c)二次峰值时效（120℃/24h）
三、热处理工艺在航空航天铝合金上的应用
3.3 时效处理
表5
2.1 铝合金在航空领域的应用 （2）Boeing777客机所用先进铝合金
目前 Boeing7 77客机 所用的 主要先 进铝合 金主要 有7055T77， 7150T77， 2X24-T3 等，如 图1所示。
图1 Boeing777采用的先进铝合金
二、铝合金在航空航天领域的应用
2.1 铝合金在航空领域的应用 （3）客机A380所用先进铝合金
三、热处理工艺在航空航天铝合金上的应用
3.2 固溶处理
图14 高温预析出处理影响晶界析出相的模型
三、热处理工艺在航空航天铝合金上的应用
3.3 时效处理
峰值时效
时效处理
双级时效
回归再时效 高强铝合金的研制基本上沿着高强度 →高强度、高韧性→高强度、 高韧性、耐腐蚀→高强度、高韧性、耐腐蚀、抗疲劳、高综合性能 的 路 线 发 展 。 随 之 热 处 理 状 态 开 发 则 是 沿 着 T6→T73→T76→T736(T74)→T77 方向进展，也即沿着峰值时效 → 过时效→回归再时效处理的顺序发展。
图11 7x50AA强化固 溶组织（OM） 450℃x1.5h+480 ℃x45min
三、热处理工艺在航空航天铝合金上的应用
3.2 固溶处理
Ts Ts′ 温 度 Td
Tc
时间
图12 高温预析出原理示意图 图13 7x50AA强化固溶组织（OM） 450℃x1.5h+480 ℃x45min+ 440 ℃x30min
二、铝合金在航空航天领域的应用
2.1 铝合金在航空领域的应用 （4）ARJ21 飞机各部位采用的铝合金
我国的 ARJ21飞 机各部位 采用的铝 合金主要 包括7050T74， 7150-T77， 7055-T77， 2XXX-T3 等，如图3 所示。
图3 ARJ21支线客机主要铝合金分布示意图
二、铝合金在航空航天领域的应用
续表 3 飞机用主要铝合金的特点、用途及状态
合金 牌号 7050 7150
主要特点 高强、良好的断裂韧性和抗腐蚀性能 、淬火敏感性低 高强、优良的抗腐蚀性能、优良的断 裂韧性和抗疲劳性能
主要用途 飞机机身框架、机翼蒙皮、舱壁、桁条、加强筋 、肋、托架、起落架支承部件、座椅导轨 飞机的上翼结构、机体板梁凸缘、上面外板主翼 纵梁、机身加强件、龙骨梁、座椅导轨
飞机结构 飞机型号 A380
表2 铝合金在空中客机A380上的应用
上翼面蒙皮 7055 7449 桁条 7085（后梁 ） 7040（前梁 ） 下翼面蒙皮 2024HDT 桁条 2026 机身蒙皮 6013_T78 桁条 5076
目前空客A380所用的主要 先进铝合金主要有70x5、 2024等，见图2及表2所示。 图2 空中客机A380所用主要材料