航空用鋁合金及其鍛件技術發(fā)展動態(tài)

文/楊文敏·西南鋁業(yè)集團有限責任公司

航空用鋁合金及其鍛件技術發(fā)展動態(tài)

文/楊文敏·西南鋁業(yè)集團有限責任公司

工業(yè)發(fā)達國家為降低整機質量，提高整機壽命期內的可靠性水平，簡化整機的裝配制造工藝和工序，縮短整機的裝配制造周期，降低整機的綜合制造成本等，在整機的設計和制造過程中，大量采用了各種大型、整體化的鋁合金結構件。因此，對鋁合金制品材料的綜合使用性能以及加工工藝性能提出了越來越高的要求：

⑴在現代大型飛機的制造中，由于飛機綜合性能指標的不斷升級，除對大型整體式鋁合金結構件（材料）的力學性能、物理性能、抗腐蝕性能等的要求不斷提高外，還導致了結構件內部結構復雜程度的上升、總體高度和部分壁厚的增大、局部焊接結構的采用等等，這樣就需要鋁合金制品的厚度進一步增加，同時要求鋁合金材料具有良好的熱處理淬透性和焊接性能。

⑵新一代航空航天裝備的設計中，除了大幅度提高作戰(zhàn)能力方面的要求外，對高安全性、高可靠性、長壽命方面也提出了嚴格的要求，普遍引入了損傷容限的設計思想，這樣就需要發(fā)展一系列具有高強高韌特點、高損傷容限型的材料作為支撐。例如，需要在機體內部的關鍵連接件制造中使用超高強度、高韌性、低裂紋擴展速率的鋁合金模鍛件，取代傳統的鍛鋼連接件，從而實現輕量化的目的。

為了實現上述要求，多年來鋁加工業(yè)在不斷開發(fā)新合金，即新熔鑄技術、新鍛造技術、新熱處理技術，一代材料孕育一代飛機。

航空用鋁合金

航空用鋁合金向高純、高性能和輕量化方向發(fā)展。在航空航天領域，材料須具備高強度、高韌性和抗疲勞的顯著特點。傳統的主要材料有2024、7075和2D70等。近年來，重點發(fā)展的鋁合金材料主要有Al-Li、7075、7055等。7050、7055是發(fā)展較為成熟的高性能結構材料。高性能結構材料研發(fā)主要集中于7000系鋁合金，材料顯著的性能特點是高強高韌，同時，根據不同應用條件和環(huán)境，耐蝕、可焊或耐高溫性能也可能作為追求目標。美國、日本、俄羅斯等國一直不懈地進行研制工作，處于世界領先地位。在我國鋁及鋁合金加工行業(yè)的發(fā)展歷史上，7000系鋁合金是伴隨著我國航空工業(yè)的成長、在仿制前蘇聯和美國同類材料產品的基礎上發(fā)展起來的。幾種典型7000系鋁合金的化學成分見表1。

我國“973”計劃啟動，開展了部分前沿技術的研究，如噴射沉積技術、高強高韌鋁合金微合金化成分（鈧、鋯、銀等）設計及其強韌化機理、高強鋁合金多重強化相的形成、演變及其強韌化作用、鋁熔體純凈化等，這些技術的研究縮小了與先進水平的差距。

Al-Li合金具有低密度和中、高強度的顯著特點，適應輕量化的發(fā)展要求，成為軍用飛機、航天運載系統的首選材料之一。美國、俄羅斯等國家目前已開發(fā)出二十多個牌號的Al-Li合金，我國從“七五”至今，在西南鋁通過引進消化吸收和自主開發(fā)，成功地研制出中強可焊1420、高強2195等Al-Li合金材料，填補了國內空白，使我國Al-Li合金科研和生產水平進入世界先進行列。

表1 幾種典型7000系列鋁合金的化學成分 （ω，％）

熔鑄技術

在熔鑄技術方面，鋁合金純化、在線凈化得到進一步發(fā)展，有效地降低了熔體中的氫及雜質含量，氫含量可控在0.1ml/100gAl以下，Na離子的質量分數可達3ppm以下，晶粒細化與變質處理技術得到完善，A-Ti-B細化技術廣泛應用，Al-Ti-C細化技術不斷成熟，進入應用與擴展。噴射沉積、油氣潤滑、石墨結晶器、矮結晶器、電磁鑄造、同水平鑄造、電磁場、超聲波等外場作用下的鑄造技術已經得到應用，使鑄錠質量達到新水平，鑄錠的成分、組織均勻性和表面質量大大提高，晶?？蓪崿F數個微米級的超細化，鑄造的冶金、裂紋廢品大幅下降，特別是對高合金化成分的鋁合金效果更為顯著。熔鋁爐的大型化、自動化已成為裝備發(fā)展方向，采用圓形、可傾斜、可開蓋的先進熔鋁爐型和先進的計算機燃氣自動控制和自動液位控制技術以及高效噴嘴，大大提高了熔煉質量和熱效率。國外最大的熔鋁爐已達150t，國內最大的為西南鋁的50t。

超高強鋁合金的熔煉技術一直受到關注，目前在熔煉過程中國外重點解決了以下幾項技術問題：

⑴控制雜質含量的方法和技術。

⑵減少成分偏析技術，如采用電磁攪拌技術等。

⑶控制熔體溫度、熔化時間和爐內氣氛技術，控制熔體氧化造渣和吸氣。

⑷元素的添加技術，如Zr元素的添加方法，以及其他變質劑的制備技術和添加技術。

⑸熔體轉注技術，如同水平轉注技術和真空虹吸轉注技術等。

這些技術對進一步提高合金的冶金質量，改善超高強鋁合金的斷裂韌性、抗疲勞性能和抗應力腐蝕開裂性能，以及抗鑄造裂紋能力起到了重要作用。

多年來，國外對熔體凈化技術開展了廣泛研究，提出了各種各樣的解決途徑和技術，歸納起來有以下方法：爐內的熔體靜置+溶劑處理、氯氣處理、N2+Cl處理、Ar+Cl處理、C2Cl6處理、N2+Cl+CO處理、噴粉精煉處理、動態(tài)和靜態(tài)真空處理等，爐外在線處理的SNIF法、Alpur法、FILD法、MINT法、Alcoa469法、Alcoa662法、RDU法、GBF法、CFF（陶瓷）過濾法等，熔體凈化可以明顯影響合金的性能，尤其是斷裂韌性和電導率。

我國西南鋁近年來自主研發(fā)了雙級除氣等自主知識產權的熔鑄設備，達到了世界先進水平.已成功研制出最大規(guī)格為φ1000mm的鋁合金圓錠，600mm×1600mm的鋁合金扁錠，這兩種材料都是7000系列的鋁合金。

鍛造技術

鍛造技術的主要發(fā)展方向是大型化、精密化。目前，擁有重型鍛造裝備的國家有俄羅斯、法國、美國和中國，其分別裝備有750MN、650MN、450MN和300MN的水壓鍛造機，如圖1 4所示。精密模鍛、多向模鍛、等溫模鍛、亞等溫模鍛等技術和工藝得到發(fā)展和提升。

航空工業(yè)上的運輸機向重型化、大型化方向迅速發(fā)展，需要的鍛件也隨之加大、加重。空客A320飛機上，大型鋁合金模鍛件外形尺寸為3109mm×610mm×122mm，其投影面積達2.0m2；空客A340飛機，其最大鋁合金模鍛件外形尺寸為7345mm×960mm×175mm，投影面積達4.4m2。目前世界上可生產的鋁合金模鍛件的最大投影面積達10m2，最長的鋁鍛件可達15m，最重的達1.5t，最大的鍛環(huán)直徑達7.5m，其產品的內部組織、力學性能和尺寸精度也達到了相當高的水平。

圖1 中國300MN模鍛機

圖2 美國450MN模鍛機

圖3 法國650MN模鍛機

圖4 俄羅斯750MN模鍛機

國內實際生產的鋁合金模鍛件最大投影面積接近1.0m2，西南鋁的300MN水壓機按設計能力能生產的鋁合金模鍛件最大投影面積為2m2，鈦合金最大投影面積為1.2m2，最大長度7m。近三十年來，西南鋁為飛機、運載火箭、神五飛船、船舶、電力工業(yè)等提供了數以千計的大中型鍛件，為美國波音757、747、737飛機提供的高強鋁合金7050、7075中小型鍛件七千多件，生產了直徑5m鋁合金鍛環(huán)。國內外典型大型鋁合金鍛件如表2所示。

表2 國內外大型鋁合金鍛件

目前國際先進的鍛壓新工藝、新技術有液態(tài)模鍛、等溫模鍛、粉末鍛造、多向模鍛、無斜度精密模鍛、分部模鍛、包套模鍛等。鍛造溫度、壓力、變形程度（欠壓量）和工藝潤滑、熱處理等主要工藝參數采用計算機專用軟件控制和計算機模擬技術，為產品尺寸、內部組織、力學性能提供了可靠的保證，并研制生產出大型復雜精密的高質量鋁合金模鍛件。發(fā)達國家在鋁及鋁合金鍛壓技術上研制開發(fā)了大量的鍛壓新工藝、新技術，在簡化工藝、減少工序、節(jié)省能耗、擴大品質、增加規(guī)格、提高質量和生產效率、保護環(huán)境、降低勞動強度、提高經濟效益等方面發(fā)揮了重大作用。

西南鋁近年來開發(fā)的具有世界先進水平成套新技術：

⑴開發(fā)了“亞等溫模鍛”技術，研制出了Al-Li合金大規(guī)格特深模鍛件。亞等溫模鍛與等溫模鍛的區(qū)別：坯料和模具等溫，變形速度和普通模鍛沒有區(qū)別，變形抗力比普通模鍛低60％～70％，生產效率高。

⑵開發(fā)了“立式反擠模鍛”技術，研制出φ700mm×535mm×2150mm大規(guī)格模鍛管，如圖5所示。

⑶開發(fā)了多向模鍛技術，研制出鍛造輪轂，如圖6所示。

⑷開發(fā)了多層包套模鍛技術，用300MN水壓機整體模鍛投影面積為3.42m2的鋁合金特大型模鍛件。

⑸開發(fā)了“特大型環(huán)件軋制”技術，研制出了φ5000mm特大型環(huán) 。

圖5 大規(guī)格模鍛管

熱處理技術

熱處理對固熔時效強化的高強鋁合金性能的影響極大，因此，該系合金的發(fā)展始終伴隨著熱處理制度的改進和發(fā)展。各種熱處理狀態(tài)及其改進過程如下：

⑴T6是60年代以前采用的峰值時效，目的是可以達到最高強度。

⑵T73是1961年美國鋁業(yè)公司開發(fā)的，是雙級過時效制度，目的是為減小了應力腐蝕和剝落腐蝕敏感性，提高了斷裂韌性，但強度損失10％～15％。

⑶T76是與T73同年開發(fā)的，目的是為了提高材料的抗剝落腐蝕能力，時效程度比T73弱，強度損失約9％～12％。

⑷T736（T74）其時效程度介于T76與T73之間，能保證在強度損失不大的情況下能得到較好的抗應力腐蝕能力。

⑸T77（RRA）是以色列飛機公司的Cina在1974年提出的一種三級時效工藝－RRA（Retrogression and Re-Ageing）處理工藝，是在峰值時效后加一短時間的高溫處理，使晶內強化相重熔，晶界連續(xù)析出相粗化，最終不連續(xù)，然后再進行峰值時效。其目的是使Al-Zn-Mg-Cu系合金既能保持T6狀態(tài)強度，同時又獲得接近T73狀態(tài)的抗應力腐蝕能力，以及較好的韌性。隨后的幾十年，各國對RRA開展了廣泛深入的研究，積累了大量數據，1989年美國Alcoa公司以T77為名注冊了第一個RRA處理工藝實用規(guī)范，并申請了專利，使之開始走向實用階段，7150-T77的厚板已應用在C-17軍用運輸機機翼上蒙皮結構，7055-T7751厚板已應用在波音777飛機上翼結構材料。

高強鋁合金研究基本上是沿著高強度、低韌性到高強度、高韌性再到高強度、高韌性、耐腐蝕方向發(fā)展，隨之的熱處理狀態(tài)開發(fā)則是沿著T6→T73→T76→T736（T74）→T77方向進展。

未來展望

隨著航空工業(yè)對現代飛機成本和性能要求的不斷新期盼，鋁加工業(yè)今后肩負的主要任務是：

⑴開發(fā)新一代高強鋁合金，強度由目前的600MPa提升至800MPa。

⑵開發(fā)新一代低成本輕型高強鋁鋰合金。

⑶開發(fā)新的鍛造技術，低成本精密成形大型模鍛件，材料利用率達90％以上。

楊文敏，西南鋁業(yè)（集團）有限責任公司副總工程師，教授級高工，重慶市學術技術帶頭人。主持完成三十多項重要科研課題。獲省部級科學技術獎多項，國家科學技術進步二等獎1項。