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大飞机用铝合金的研究现状及展望


第 2 卷 第 9期  O
、 .0 No 9 b1   .  2

中国有色金属学报 
TheChi s   ur   ne eJo nal     Nonf r o   e a s of e r usM t l 

21 0 0年 9月 
S p 2 1  e. 00

文章编号:10 —6 92 1)810 —1 0 40 0 (000 .7 51  

大 飞机 用 铝 合 金 的研 究现 状 及展 望 
刘 兵 ,彭超群 ,王 日初 ,王 小锋 ,李婷婷 

( 中南大学 材料科学与工程 学院,长沙 4 0 8 ) 10 3 



要 :简单介绍航 空用铝合金的特点及其在大飞机上的应用和发展,重 点叙述大飞机常用的 2 x 系和 7 x 系  x× xx

铝合金 的成分、性能和应用 , 出现阶段 国内大飞机 用铝合金材料存在的 问题,预测大 飞机用铝合金 的发展方 向。 指  
关键 词 :大 飞 机 ;铝 合 金 ;2 x 系铝 合 金 ;7 x 系 铝 合 金 ;铝 锂 合 金 ;铝 基 复 合 材料   xx xx 中 文分 类 号 :T 4 . G162   文 献标 志 码 :A  

Re e td v l p e ta d p o p c sf rg a tp a e a u i u   lo s c n   e e o m n   n   r s e t o   i n   l n   l m n m a l y  

LI Bi g P NG  h o q n WANG  —h , N G  a —e g LI i g t g U  n , E C a -u , Ric u WA Xi o f n ,   n - n   T i

(co l f tr l S i c  dE gne n , e ̄ l ot  nvri , h n sa 10 3 C i ) S h o  Ma i s c n e n  n ier g C n a S uhU iesyC agh   0 8 , hn   o e a  e a i   t 4 a

Ab t a t s r c :Th   e t r s p l ai n   n   e eo me t o   in   ln   l mi u al y   r   re y d s r e .T e e f a u e ,a p i to s a d d v l p n   f ga t p a e au n m  l s we e b f   e c b d h   c o i l i

c e c lc mp st n h mi a  o o i o ,me h n c lp o e t s a d a p i ai n   f2 x   e is a d 7 xx s re   lmi u a ly   r   i c a i a  r p r e   i n   p l t s o   x x sre   n   x   e s au n m  l s we e c o i o r v e d i  ea l e e a  x s g p o l ms i   r s n   i a g a tp a e au n   l y   r   on e   u .T e e i we   d t i n .S v r l e it   r b e   p e e t Ch n   i   l   l miu a l s we e p i td o t h   n i n n n m o
d v l p n   n   f i t ln  l mi u al y   s u   r r . e eo me t Re d o   a   a ea u n m  l s gn p o wa   t o wa d  p f Ke  wo d : g a t l e a u i u   al y ; 2 x   s re  au n   al y ; 7 x   s r s au i u y r s  i n  p a ; l n n   m m l s o   x x e s l mi u i m lo s   x x e e   l n m  al y ; i m l s o   au i u —i i  l y au iu -a e  o o i   t r l  l n m m -t u a l ; l n m— s d c mp st ma e a s lhm o m b e i

“ 大型飞机 ”或 “ 大飞机 ”一般是指起飞总质量  超过 10t 0  的运输类飞机, 包括军用 、 民用大型运输机 ,   也包括 10座 以上的干线客机【。 目前 ,世界上只有  5 I 】
美国、欧盟和俄罗斯有制造大型飞机 的能力, 占领国  际市场 的只有美 国的波音飞机和欧洲的空客飞机。铝  合金 由于具有密度低 、比强度高 、耐腐蚀强、易导热  导电、塑性和加工性能 良好 、成本低等一系列优 点,  

世纪 8 0年代初) 最先进 的 2 2 14和 7 5 0 0高纯铝合金 ,   用作机体 内部 的框架、加强肋 、腹板 、接头件 以及某  些蒙皮等 结构 ,其质 量 占前机 身 的 5 %,冲 机身 的  0
3 %,后机身 的 2 %,中央翼 的 2 %。2 5 2 3 0世纪 9 0年  代 以来 ,航空用铝合金的发展有 了重大突破 ,研制成 

功了以 7 5 、2 2 10 5 4和 7 5 0 5为代表 的新一代高性能铝  合金 ,满足新型大飞机低成本 、多用途 的设计选材要 
求。19 9 5年开始研制、2 0 0 0年首飞的 F3 .5战机采用  这几种铝合金 ,总用量 在 3%以上[。我 国自行设计  0 8 】

在航 空方面一直是大飞机机体结构 的主要用材口。 1 】   表 所列为波音 、麦道和空中客车公司大型客机的选材情  况【。铝合金 的发展 与航 空事业 的发展密 不可 分。2   3 】 O
世纪初,在莱特兄弟制造 的飞机上就采用 A 一 uMn 1 .   C 合金铸造 的发动机 曲柄箱体 。10 9 6年 ,在 Al uMg — .   C 系合金 中发现 时效硬化现象 ,使铝合金作为飞机主体 

研制 的第二代战斗机机体结构用材 中铝合金 占 8%以  0
上,在研制 的第三代战斗机机体 结构用材中铝合金仍 

占 6 %~ 0 9 从波音 7 7飞机发展 到以波音 7 7 0 7 %[0 】 0 7 和 
空客 A 8 3 0飞机为代表的新一代飞机 ,国外大型 民机 

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[’ 一2战机采用当时(0 4] 2 一 。F 2 
收稿 日期 :2 0 .52 ;修 订 日期 :2 1 一4 1   0 90 —0 0 0O . 5

的主体结构材料发生 了很大变化 ,但在 目前正在使用 
的 民用客机 中,还在大量使用铝合金,甚至还 占着主 

通 信作 者:彭超 群 ,教授 ,博 士 ;电话 :0 3 —87 17 — i c20 @13cr 7 18 879 :Ema :p q 05 6 . n l o 

10  7 6

中国有色 金属 学报 

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表 1 大型 客 机 的选 材 情 况 【 ’ 】  
T b e   M a eil s l ci n o   a g   a s n e  ar r f[  a l  1 t ras ee t   f l r e p s e g r i a t 1 o c 3

展 方 向。  

( sf co,   mas r t n %)  a i
Ai r f F rt r a c t i   s Co o i   mp s e t Al mi i m  t e  i n u u n u S e l T t i m  a Ot e s h r  t p   fih   y e lg t mae a  tr l i

1 大 飞机 常用 铝 合 金 的研 究 与 开 发   
1   2 x 系铝合金  . xx 1

2 x 系铝合金属于 A 一 uMg系合金 ,被称为高  xx 1 . C
强度硬铝 ,是用途最为广泛 的结构铝合金。其代 表名 

称 和化学成分如表 2所列  。 x x ” 2 x 系铝合金 的抗拉强 
度 为 4050 a 0~ 0   ,比 7 x 系铝 合金 的室温强度低 , MP xx   但耐热性、疲劳特性 ,特别是抗疲劳裂纹扩展性都 比   7 x 系的好 。  ̄ x xx 2 x 系代表铝合金 的主要特点及应用情 
况 如 表 3所 列[ 引    。

在 2 x 系铝合金 中,13 年发 明的 2 2 xx 99 0 4合金是 

较 为常用 的一种 。 04合金给飞机 的结构和性能带来  22
体地位。2 2 、2 2 、7 5 、7 5 24 5 4 0 0 0 5等铝合金分别成功  用在 波音 77和空客 A3 0飞机 的机翼、蒙皮、桁 架  7 8 和座 椅滑轨 等结构处 ,满足所需性能要求 。当今最 新  的空客 A 5 X 3 0 WB飞机 的地板梁 、翼肋及起 落架舱 门 
也 是 用 铝合 金制 造 的 。  

巨大变化 , 同时也为 2 x 系铝合金 的发展奠定 了基础  xx


2 2 铝 合 金 的主 要 合 金 元 素 是 C 、Mg 04 u 、Mn  ,

F 、 S 为 主 要 杂 质 。2 2 e i 04铝 合 金 常 用 T 3和 T 4状 态 ,  

具有较 高的塑性 、疲劳寿命、断裂韧性和抗疲劳裂纹 
扩 展性能, 但抗蚀性较差。 该合金厚板主要用在机身、   机 翼、抗剪肋板和腹板 以及对强度要求高的其他结构 
件 上。 可采用人工时效提 高 2 2 0 4合金 的抗腐蚀性 、 耐 

随着 国内经济 的快速发展, 2 2 到 0 0年我国大约需  要新增干线 客机 1 0   0架, 6 总价值约为 1 0 ~ 0   0 1 0亿  5 8

美元 。 这仅仅是 国内市场 的统计 , 如果参与 国际竞争,  
大飞机 的市场空 间将更加广阔 。从 国防上看 ,如果大 

热 性及屈服 强度 ,但塑性 、抗疲劳断裂 的能力会有所 
下 降,疲劳裂纹扩 展速率也会加快[ 。 0 4合金人工  1 22 钔 时效后具有优 良的综合性能和高温抗蠕变性能 ,高温  软化倾 向小,可在较高温度下长期使用,主要用于常 

飞机研制成 功,我 国就可 以实现大型军用飞机的国产  化,进一步增强 国防实力[ 。当今世界各 国大飞机结  】 。  
构用 铝合 金主 要是 高 强度 的 2 x 系 (0 4 2 4  x x 2 2 、2 2 、

承 受 1 1℃以上 高温 的商用 和军用 飞机 的蒙皮和 发  2
动机舱 。2 2 合 金研制较早 ,为 了充分发挥该合金的  04
潜 能 , 目前 已开 展 对 2 2 0 4铝 合 金 薄 板 T 6 、T 1和  31 8

2 2 、2 2 、2 2 等) 34 4 4 5 4 和超高 强度 的 7 x 系(0 5  x x 77 、
7 7 、7 5 、7 5 、7 5 、7 8 4 5 0 0 1 0 0 5 0 5等) 。本 文作者通 过  对 2 x 系和 7 x 系常用铝合金性能的分析和讨论, xx xx   指出国产大 飞机用铝合金 的性能要求及其现 阶段存 在 

T 6 状态热处理工艺制度 的研究l 。 81 1    2 2 合金 的衍化 是在保持 主要合金 元素大 体不  04

的 问题 ,探讨大飞机用铝合金面临的挑战并预测其 发 
表 2 2 x 系 铝 合 金 的化 学成 分 []   xx 1 1  
Ta l    Co o i o so   x   e e  l mi u   l y [ 】 be2 mp s i n   f   x s r s u n t 2 x i a m al s“   o

变 的情况下 ,向着高纯化方 向发展 ,以提高合金的塑 

第2 第9 0卷 期 



兵 ,等 :大飞机 用铝 合金 的研究 现状 及展望 

10   77

表 3 2 x 系代 表铝 合 金 的主 要 特 点 及 应用 情 况 _. ]   xx I。 2    
Ta l   M an f a u e  n   p l ai n   f       e i s y ia  l mi u a l y   b e3 i   tr s d a p i to s   X X X s re   p c l u n m  l s e a c o 2 t a o

性、韧性与强度 。通过减少 2 2 0 4合金 中的 F 、s 杂  e i
质含量,相继研究 出 2 2 、2 2 、2 2 14 2 4 5 4等新合金。   2 O世纪 7 0年代 ,在传统 的 2 2 0 4合金的基础上 ,   通过降低 F 和 S 等杂质含量研制出高纯 、高强和高  e i 韧的 2 2 14合金【 。该合金不仅保持了 2 2 l 们 04合金 的强  度,而且还具有较强 的断裂韧性、疲 劳性 能和抗应力  腐蚀 等优 良的综合性能[ 。由于该合金具有较高 的拉  I 引

的应用前景 。   17 年研制成功的 2 2 合金 , 2 2 合金 的基  98 24 在 04 础上调整合金成分而进一步高纯化 ,其粗大化合物的  体积分数进一步降低 ,断裂韧性进一步提 高,裂纹传  播速度进一步减慢 。 2 4 金主要用来生产 T 5 l 22 合 3 1 状  态 的挤压件, 已经用于制造波音 7 7和 7 7 5 6 等飞机的 

结构件[ 。2 2 、7 7 1 2 4 15和 2 2   3 4这 3种铝合金 的应用 
被认为是 “ 铝材在飞机上应用 的一个新突破” 有关统  。
计 数 据 表 明 , 仅 由于 2 2 、7 7 2 4 15和 2 2 合 金 的应  34铝

伸屈服强度 、压缩屈服强度和抗腐蚀 性能,特别适用 
于中温下对强度和稳定性有高要求 的部位 ,可用于制  造整 体、大截面 的飞机主承力结构件 及受压承力构件 
【 ¨J


用 ,就使波音 7 7 5 飞机质量减轻 2 7 g 2 k 、波音 7 7飞  6
机质量减轻 33 g 】 6  [ 。 k  

是 西 方 战 机 F 1 、F 1 、F 1、 A 、A8 幻 影  .4 .5 .6 6 、

20 0 0等军用飞机 以及波音 7 7 3 、波音 7 7 4 、空客 A 2  30 等民用飞机 的主体结构用材。2 2 14合金一般在 T 5  81

1 9 年 开始研制、20 95 00年首飞 的 F3 。5战机上采 
用 了 2 2 一3合 金 [ 。2 2 铝 合金 属 高 纯 度 铝 合金 , 5 4T 2 叭 54  

状态 下使用 ,该状态高温断裂韧性好 ,在高达 17 ℃ 7  
温 度下还 具有 良好 的强度 持久性 ,在 F 1 .6上使用 的 
2 2 . 8 1 板 加 工 件 达 9 个 ,质 量 约 为 1t  。 目 14T 5 厚 9   【】  

从表 2可 以看 出, F 和 S 杂质含量比 2 2 其 e i 0 4明显减  少 ,C r含量也 明显 降低 ,c u含量范 围缩小,Mg和  Mn 含 量 进 行 了调 整 ,在 保 证 强 度 及 其 他 性 能 与  2 2 .3合金相 当的情况下 ,该合 金的疲劳强度提高  04T 1%,断裂韧度提 高 2 %,并且在 A 0 0 MS标准 中首次 

前,2 2 仍广泛 应用于美 国第 四代战机 F2 、F3  14 .2 .5
的主体结构件 ,在未来军用和民用 飞机上都有着广 阔  

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中 国有色金 属学报 

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规定 了材料的疲 劳裂纹扩展速率 ,使该合金成为一种  真正 的损伤容限合金 ,一度被认为是抗断裂韧性 与抗 
疲劳性最高的高强度铝合金[ 。 54已经成为新一代  2 22 ”
航 空 铝 合 金 的代 表 ,是 新 一 代 飞 机 蒙 皮 材 料 的 首选 。  

比 T 3状态高的强度和 比 T 7 6状态高的抗应力腐蚀性 
能。77 铝合金主要 的半成 品形式有板材、棒材、型  05 材和锻件 ,由于其高强度的特 点,广泛 使用于 飞机结  构 的重要受力零件,如飞机蒙皮 、翼梁 、隔框 、长桁 、   起落架及液压系统部件等。 了提高韧性及耐腐蚀性 , 为   波音 7 7 4 开始采用 7 7 一6 1 0 5T 5 合金 , 而洛克希德 L 1 1 .0 1   则采用 7 7一 7 5 合金『】 0 5T 6  1 2 。空客 A30 WB水平及    5X

中国 自行设计制造 的新型涡扇支线客机AR 2 的机 身  J1 蒙皮 、机翼下壁 板、机 身框架和隔框使用的的材料就  是 22 .3合金。2 2 . 3合金 的研制成功被认 为是  54T 5 4T

航空铝合金研究史上划 时代 的进步[   1  。
1   7 x 系铝 合 金  . 2 xx

垂直大梁 、主框架 ,主起落架接头件等用 的也是 7 7  05
铝合金 。 0 5 7 7 铝合金 曾给飞机的结构和 性能带来革命  性变化 , 同时也 为超高强铝合金飞速发展奠定了基础 。   77 4 5合 金是美 国铝业公 司( l a于 1 6 Ac ) o 9 9年在  77 0 5合金 的基础上研制开发 的高纯度超高强铝合金,   它主要是减少 F 和 S 杂质的含量 , e i 合金静强度与 7 7  05 合金相应 的状态接近 ,T 6状态 的室温 韧性与 2 2 .3 04T  

7 x 系铝合金属于 A1 nMgC xx . . .u系合金, Z 这类合  金具有高 的比强度和硬度 、较好 的耐腐蚀性能和较 高  的韧性 、优 良的加工性 能,在大飞机上有着广泛 的应  用。 xx 7 x 系超高强铝合金的化 学成分和力学性能如表 
4 [   和5 【 】 列。   所  

合金相 当, 抗应力腐蚀 开裂和抗剥离腐蚀性能与 7 7  05
合 金 相 应 状 态 相 当【 。 2   

在 7 x 系铝合金 中,美 国于 14 xx 9 3年开发 出的  77 0 5合金 是航空工业 中用得最早而且至 今仍广泛使  用 的一种超高强度铝合金[ 7 7 合金常用热处理状  2 05  。

77 4 5合 金 由于提 高了纯度 ,在 相 同的强度条件  下 ,合金 的断裂韧度得到提高,因而具有 良好 的综合  性 能。该合金 已在大飞机领域得 到广泛 应用 ,主要用 

态有 T 、T 3 7 6 7 、T 6和和 T 4 6 7 。T 状态强度最高,断 
裂韧度偏低,对 应力腐蚀开裂敏感 ,一般不推荐用于  低温场合 。 9 0年研 制成功 的 T 3 16 7 工艺是一种过 时效  热 处 理 工 艺 ,与 T 状 态 相 比 , 材 料 强 度 降 低  6
l%~ 5 0 1 %,但 有 效地 防止 厚 度 方 向 的应 力腐 蚀 开裂 ,  

于制造客机 、运输机和战斗机 的机身和 下机翼 蒙皮 、  
翼梁 、中心机翼结构件和舱壁 。   为 了获得更好 的综合性 能 ,美 国铝业公 司 以 Z   r
代 替 C 细 化 晶粒 , r 同时 提 高 合金 元素 C u的含 量 及 Z   n

具有较高 的断裂 韧度和优 良的抗应力腐蚀及抗剥落腐  蚀性能[ 。 2 麦道公司的 D .0飞机发动机整体吊挂和    C1 直尾翼使用的材 料就是 7 7. 7 合金 。 7 状态 具有  05T 3 T6
表 4 7 x 系 超 高 强 铝 合 金 的成 分[- ]   xx   2  。4

与 Mg质量 比, 17 年在 7 7 于 91 0 5和 7 7 15合金 的基础 
上成功研制 出 75 0 0合 金 【 。7 5 2   0 0与 7 7 合 金相 比 , 05  

大大减少 F 和 S 的杂质含量 。经 时效处理后 ,该合  e i

T be   C m oio s f x  sr s la i  rn t u n m l y[2 2 ] a l 4 o p sin        i   t   g s e g a miu ao s — 4    t o 7 x e eu rh h t x hl l 2

第2 O卷第 9期 



兵 ,等 :大 飞机 用铝 合金 的研究 现状及 展望 

10  79

表 5 7 x 系超高强铝合金的力学性 能  】   xx 。    
Ta l    M e h n c l p o e t s o   x x e is l a h g   be 5 c a ia  r p r e   f 7 x  s r  u t   ih i e r
sr ngh l i m  loy   te t aum nu a l s

7 5 合 金f 。 10 3 该合金 已用于制造波音 7 7和波音 7 7  ” 5 6、 空中客车 A 1 3 0和麦道 MD.l等飞机上翼结构件 。 1  
75 10铝合 金 厚板 多加 工 成 T 5 、T 5 1和 T 7 l 61 61 7 5 状 

态,挤压件加工成 T 7 1 7 5 状态 ,其在 T 5 6 1状态下 的  性 能与 7 7. 6 I 比, 0 5T 5 相 强度提高 1%- 5 0 1%,断裂韧 

性提 高 1%。18 0 9 9年 ,美 国铝业公司为 了提高 7 5  10
合金 的强度和耐腐蚀性等 综合性 能而开发出 T 7 处  7热

理工艺,该热处理工艺使 7 5 10合金在保持 T 6状态 高  强度 的 同时又达 到了 T 6状 态的抗应力腐蚀性 能。 7  
75 10合金 T 7热处理厚板和挤压件被首次用于 C 1  7 .7 军用运输机f 。但这种热处理工艺属于 专利技术和 公    司商业机密 ,其细节 目前 尚未公布。   2 0世纪 9 年代 , O 美国铝业 公司在 7 5 10合金的基  础上 进一步 降低 F 、S 和 Mn杂质含量,提高 Z e i n与  Mg 的质量 比,耗 资数十亿美元成功研制 出号称王牌 
铝合 金 的 7 5 合 金 ,并 于 1 9 年 申请 专 利p 。研 究  05 93   结果 表 明 ,7 5 0 5铝合 金 比 75 0 0铝 合金 具 有 更 高 的 强 

度,同时具有较强的断裂韧性【】 7 5 一 7 合金的抗  ” 。 0 5T 7 压强度和抗 拉强度都 比 7 5 .7 10T 7合金的高 1%,比  0

77 一 6合金的高 3 %E】 0 5T 0   ,耐腐蚀性能介于 75 .6 10T  
合金和 7 5 .7 10T 7合金的之间【 ,解决 了 7 x 系铝合  3   xx 金长 期存在 的强度 、韧性及抗腐蚀性 能不能 同时兼顾  的矛盾 。75 合金 多加 工成 T 7 1状态 的厚板 和  05 75 T 71 7 5 状态 的挤压件。 使用 7 5 0 5合金能显著减轻机 身 

结构的质量 ,在要求抗压强度 高、耐腐蚀性能好的各  种场 合,例如 民用 飞机的上翼结构、水平尾翼 、龙骨 
架、座轨和货运滑 轨等,有着大量 的应用 。7 5一 7  0 5T 7

金具有较 高的强度、较好 的断裂韧性 、较满意的抗应  力腐蚀性能和 良好的淬透性 ,是 目前综合性能很好的 

合金专利热 处理工艺用于波音 7 7的上 翼蒙皮 、机翼  7 桁条和龙骨梁等高强结构件,质 量减轻达 4 6 g ] 6  [ 。 k  
78 0 5铝 合金是 美国铝业 公司最 近开发 出的一 种 

铝合金之一 。在 同时要求 具有 高强度 、抗应力腐蚀和  断裂性能 的航 空材料场合 ,7 5 合金 是第一选择 。 00  
75 00合 金 常 用 热 处 理状 态 有 T 3 7 7 、T 6和 T 4 7  7 。T 3

新型超高强铝合金 ,主要合 金成分( 质量分数) 如下:  
Zn 70   .%~80 、 M g 12 .%   .%~18 、 Cu -%~20/ 、 Zr .%  13 . ̄ O  

O 8 01%,主要用作锻件 。与其它 7 x 系铝合金  . %~ . 0 5 xx 相 比,7 8 铝合金具有高强度 、高抗疲劳性能、高抗  05 应力腐蚀性能与剥落性能 、低淬火敏感 性等一系列优  良性能[】 0 5 3。7 8 铝合金 已被成功用于空客 A30的机    8

状态的耐应力腐蚀性能最高,主要用于高强度、抗腐  蚀的铆钉材料;T 6态的合金具有较好 的耐剥离腐蚀  7 性能,且静强度较高,~般 用于要求抗剥落腐蚀 、高 

强度 的结构件 ;T 4态的合金具有 耐应力腐蚀开裂性  7
能介于 T 3 的和 T 6态的之 间,适用于高强度、抗  7态 7

翼大梁和翼肋 , 它是 下一代超高强铝合金厚板 的代表,  
也是当前国内外研 究的热  弼。 ]  

应力腐蚀 的结构件 ,特别是厚大截面 的结构件 。7 5  00 铝 合 金 厚 板 已 大 量 应 用 于 波 音 77 客 机 和  7
FA lH re 以及 F 2R po 军 用 飞 机 上 , 为 大 飞  /— 8 o t n - 2 atr 成

7 x 系超 高强度 铝合金 的研 究发展将 集 中在 以 xx  
下几个方面 : 1   )优化合金成分设计 ,改变合金元素 
含 量 , 降 低 杂质 。应 加 强 对 稀 土 等 微量 元 素 在 铝 合 金 

机制造业 通用 的结构材料【 。 3    17 9 8年,美国铝业 公司在 7 7 0 5合金基础上 降低 

中的作用机 理的研 究,采用多元合金化 产生多重沉淀 

强化相共同强化作用机理 ,进一步提高合金 的强度、   韧性和 耐蚀性[】 1改进传 统的铸锭冶金 制备技术    ;2 f 如采用 低频 电磁半连续铸造) ,开发和完善先进的喷 

F 、s 杂质含量 ,将主要合金元素 Z 、Mg u的含  e i n 、C
量精确地 控制在 7 7 0 5成分范围的上限,成功研制 出  

11  70

中 国有色 金属学 报 

2 1 年 9月 00  

射成形制 备工艺 ,通过制备方法 的改进 和工艺参数 的 

性 、耐腐蚀 、高损伤容 限和高淬透性等 良好 的综合性  能。 国产大 飞机近期需要 6 0MP 5   a高强合金、 5  a 40 MP   高损伤容 限铝合金 ,中期需要 7 0 8 0 a 0~ 0  MP 高强高韧  耐蚀铝合金 、6 0 MP 0  a高强高韧 耐蚀 Al i — 合金 。国  L 产大飞机项 目需要解决铝材规范的制定 问题 ;急需开 
展抗拉 强度在 7 0 MP 0   a以上超高强铝合金和耐温在 

合理选择 ,获得高质量的铸锭组织,提 高合金 的综合  性能【] 3 4; )研 究出更新更好 的热处理工艺, o 从而使铝  合金 获得 良好 的综合性能 ,实现 高强度 、高塑性 、高  韧性和高抗应力腐蚀性能 的统一 。这方 面国内外 的学  者 已经做 了大量的研究工作【 】4 4 ; )深入研究超高强  H  度铝合金的强韧化和应力腐蚀 、疲劳腐蚀机理【] )   ;5 3  
研发 新的成型技术 。其中时效成型技术将将人工 时效  和加 工成形相结合 ,既可 以提高铝合金 的性 能又可 以 

10 3 0 ℃ 以上 的高温铝合金 的系统化研究 ;需要加  5-0 强现有铝合金 的标准体系研究和新型铝合金 的工程化  研 究,开展大规格厚板应用和熔炼、轧制、热压 、等  温锻造 的工艺研究 ;需要加强铸造铝 合金及其复杂薄  壁零件 的研究 ;需要筹建大吨位锻压设备,将其用于  大规格型材 、挤压壁板和大规格厚板 的生产【。 8  ] 2 现阶段国 内大飞机用铝合金存 在的问题  . 2
近几十年来 ,我 国铝加工行业无 论从装备 能力还  是从加工能力 ,都 已达到世 界 2 世 纪 8 0 O年代后期 、  

降低 飞机 的制造成本 ,在航空 曲面结构件 的制造上具 
有广 阔的应用前景 ,是当前 国内外研究 的热点[ 删。总 

之,随着人们对超高强度铝合金研 究的不 断深入 ,将  会有更完善 的熔体处理技术和热 处理工 艺、更先进 的  成型技术和超高强度铝合金出现 ,从而推动超高强度  铝合金在大飞机上的应用 [ 。 6 4 表 所列为 7 x 系超高    xx

强铝合金 的主要特点和应用状况【, 。      。

9 年 代初 期的水平 。但是 ,新型铝合 金,特 别是大 飞  0
机用铝合金 的开发和研究 ,尚处于仿制和试验 阶段 ,   某些性能差距较大 ,需进一步研究开发。另外 ,我 国 

2 国产 大 飞机 用铝 合 金 
21 国产大飞机用铝合金 的性 能要求  .   当前 的大飞机材料要求铝合金具有 高强度 、高韧 
表 6 7 x 系超 高强铝合金 的主要的特 点和应用状况[,     xx   】

的热处理工艺与 国外相 比也有较大差距,以致在仿美  合金试验 中,因热处理工艺差 距,达 不到相 同的典型 
性 能,这方面也需要重点突破 。总之 ,国内的铝合金 

T b e6 M an f au e  n  p l a i n   f x   s re   l ah g  t n t   lmi u a ly [   】 a l    i e tr s d a p i to s     x e i s t   ih s e g h au n m l s a c o 7 x  u r r o  ,   ’
Al y l   o M an f au e i   t r  e M an p o u t d sa e i  r d c     t  n a t Ap l ai n pi t   c o

W i  h g  s e g h r c u e t u h e s s e s o r so   T7 5   a d T 4   t i k t h i h t n t ,fa t r   o g n s , t s c ro i n r r 6   n   7 5   h c  Ai r f sr cu e 1 1 rat c   t tr , si  o   u   kn f
r ssa c   a d e f l t n c r o in r ssa c , b t p a e , 7 5 1 3 1   d ic a twi g ,b l h a ,tu s e it n e n   x o i i   o r so   e i n e ao t u   lt s T 6 1 , 5 1 a  ar r f  n s u k e d r s , T7 n   7 5  00

r 1 I ey s a1 q e c   s n iii , b i g a 1  t  T7 5   e【 s0 s e ai l   m 1 v   unh e st t   e n   b e 0 vy 4  1 ) m i n   1  t
ma u a t r ag   ic so   c i e y n f cu elr ep e e   fma h n r  

,b a   r凼

ln i g g a  n   a d n   e r s ut

c mp n n s rv t  o o e t,ies

第2 O卷第 9期 



兵 ,等 :大 飞机用 铝合 金 的研究现 状及 展望 

l l 7I 

研究与 国外相 比还 比较落后 , 无论是基础理论( 如新 型  合金设计 、合金强 韧化机 理研究) ,工 艺技术 ( 如熔 体  纯净 化技术 、大规格铸锭技 术和热 处理技术等) 的研 

这 是因为铝合金的抗冲击性 能比复合材料 的要好 。中  国大飞机 的研究开发迫切需要很多具有优 良性能材料  的开发应用 , 这也对铝合金材料提 出更新更高的要求。   铝合金今后 的研究重点主要集 中在 以下几个方面 :铝  锂合金 、铝基复合材料和超塑性成 形铝合金 。  

究,还是技术装备水平 及其完善程度与 国外相 比差 距 
都较大 ,以下是现阶段我们急需解决 的问题 。   1 1铝合金基础 技术研 究不足 ,合金研 制缺乏 创  新。材料基础技术的进 步是铝合金发展 的基础和 内在  动力 ,没有沉淀硬化技术 的发 明,就没有第 一代静 强  度铝合金的 问世;没有过 时效制度的发明,就没有第  二代耐腐蚀铝合金的出现 ;没有对铝合金杂质元素影  响规律 的研究 ,就不会 有第三代 高纯铝合金的形成和  逐步完善 ;没有精密热 处理技术 的发 明及主成分优 化  和精确控制技术的进 步,就不会有 当前高性能铝合 金  时代 的到来 。 国于 2 世纪 8 年代 中期开始对 2 2 、 我 O 0 0 4  2 2 、2 2 、7 7 、7 7 、7 5 14 2 4 0 5 4 5 0 5等合金进行研 究,但 

32 铝锂合金  .
铝 锂 合 金 是 含 锂 元 素 的 多元 铝 合 金 。锂 是 最 轻 的 

金属 元素,铝 合金 中每增加 1 %锂元素,密度 就可减  少 3 模量就可增加 5 铝锂合金除了具有质量轻、 %, %。   模量高和强度高 的优 点外 ,还具有优 良的抗疲劳性能 

和 良好 的低温韧性 , 其强度可与 2 2 、 05等铝合金  04 77 媲美。鉴于此 ,铝锂合金 已深得航 空航天界 的喜爱 ,  

它作为一种新型航空航天结构材料 ,已成 为美 、英 、  
法、俄等发达 国家竞相研制 、开发 的热点【 。塑韧性  4   较差的 2 2 0 0第一代铝锂合金现 已很少使用 ,12 、 4 0  29 、89 、8 9 和 29 00 0 0 0 1 0 1等低密度、高弹性模量的  第二代 铝锂 合金 已进入 工业化 生产和 商 品化应用 阶  段 ,俄 罗斯 的雅 克.6 3 、苏.7 2 、苏.6 3 、米格一9 2 、米  格.3等飞机都 大量采用铝锂合金。美国 Fl 飞机上  3  5

对铝合金形成和完善的基础技术 ,如杂质元素影响规 
律 、微合金化等还缺乏相对系统 的研究 ,这就使得我 

国大 飞机用铝合金在基础研 究方面还 比较薄弱 。  
2 )不够重视工程化研究, 生产 中的问题研究不  对 足。当前我 国对 国外先进铝合金 的研究工作大多还处 

在 实验室阶段 ,而对于合金生产 中的许多 问题研究不 
足 。此 外 ,一 些 新 材 料 的 性 能数 据 积 累较 少 ,材 质 也 

的侧蒙皮使用 的是 8 9 0 0合金板材 ,F 1 .8飞机 的深测   
器 盖 使 用 的是 2 9 0 0合 金 板材 。法 国 的 R fl A 军 用  ae . e

不稳定,这些都给应用带来很大困难 。国内材料预研 

战斗机 以及空客A3 0 A30 3和 4 客机上都使用了铝锂合  金[] 0世 纪 9 4 。2 7 O年代 以后 ,开发 出了一些具有一定 

通常是以典型件装机为 目标 , 乏后续 的工程化研究 , 缺  
这也 是国产 7 5 、 14 34 1 5 0 0 2 2 、22 、7 7 等高纯铝合金未 

特殊优 势的铝锂合金 ,铝锂合金的发展进入第三个阶 
段 。目前 ,己开发出的新型铝锂合金主要有高强可焊  的 16 4 0和 Wedle lat 系列【 合金,高韧 的 2 9 、2 9  i 4   0 7 17 合金 ,低各向异性 的 A /.8 、A / -5 FC 4 9 FC4 8合金等 。   这些新出现的铝锂合金可统称为第三代铝锂合金I   4  。 其 中 29 17铝锂合金 比当前战斗机使用的 2 2 合金 的  14 疲劳强度高、密度 小,美 国已将其用 于 F 1 .6和 F2  . 2 战 斗机 的后隔框 ,疲 劳性能 显著得 到 改善 ,满 足 了   8 0    0 0 h使用寿命的要求【 。 7   表 所列为第三代主要铝  们 锂合金产品的合金元 素成分 I 】 4 。    
铝 锂 合 金 质轻 、 高强 、抗 疲 劳 和 低温 韧 性 好 的优 

能在 型号上大量使用的原因。开展工程化研究 ,可 以  
优化新型铝合金 的熔铸、热处理和热加 工工艺 ,稳定  其性 能,并通过建立批 量化生产适用 的技术标准 ,保 
证 生 产质 量 。  

3 1品种规格不全 ,质量不稳定。除 2 2 0 4和 7 7  05

合金外,对 7 5 00只研究板材和丝材 ,对 75 10只研究 
板材 和小型锻件 , 7 5 只研究 了锻件 。 对 05 工程化生产 

的标准体系不完善 ,工艺规程 执行 不严格 ,质量还不 
稳定。  

3 大 飞机 用铝 合 金 展 望 
31 大飞机用铝合金面临的挑战  .

良性能使其有着广泛 的应用 。近年来 ,铝锂合金在 向  

着超强超韧 、 超低密度化、高强可焊接、低各 向异性、  
较强热稳定性等方向发展l 。但是铝锂合金也存在一  5 “

些 问题 , 如成本较 高f 铝锂合金 的半成 品价格在 国外 比 
普通铝合金高 2 4倍甚至更多  金属锂的储量少 、 - , 提  取难 ,生产工艺较 复杂,生产过程需通入氩气保护且 

在最新 的空客 A 5 X 3 0 WB 飞机结构材 料的选材 
中,复合材料 的结构质量高达 5 %,包括铝锂合金在  3 内的铝合金只 占到 1%。铝合金在大飞机上的应用 受  9 到复合材料和钛合 金的挑 战,但是其作为主体结构材  料 的地位还 没有 改变 。 3 0 WB 的机头原为铝合金 , A 5X   后仿波音 7 7改为复合材料 ,后又重新改为铝合金, 8  

冷作硬化速度快 ,短期处于较高温度时 ,韧性下 降严 
重等 。近年来 ,由于钛合金和复合材料在大飞机 上的 

大量应用 , 铝锂合金的前景可能不如预期的那么乐观 。  
因此 ,必须寻求新的技术和工艺方法 ,如超塑性成形 

1 1  72

中 国有色 金属 学报 

21 0 0年 9月  

和精密模锻等 降低铝锂合金的成 本,进 一步提 高其性 
能,力求使铝锂合金得到更广泛 的应用  。  

很高等缺点 ,因此 ,其应用还 不普遍 。  
3 超 塑性成 型铝合 金  . 4

33 铝基复合材料  .

材料在特 定组织结构和变形温度 、变形速度条件  下 ,可 以呈现 出异常高的塑性和较 小的变形抗力 ,这  种现象称为超 塑性[ 。超 塑性成形 与一般成形有本  5   质区别 ,它是在 一定条件下呈粘性或 半粘性 的成形 ,  
成形 中没有或只有很 小的应变硬化现象 ,流动性和填  充性都很 好。超 塑性变 形为宏观均匀变形 ,变形后表 

铝基复合材料的研 究开始于 2 0世纪 5 年代 ,近  0 2 0年 来不论从理论上 还是从技术 上都取得 了较 大进  步 。铝基复合材料 由于具有密度 小、比强度和 比刚度  高、比弹性模量大 、导 电导热性好、耐高温 、抗氧化、  
耐腐蚀、制备工艺灵活等许 多优 点而 引起人们 的普遍  关注【 ,各 国在研发上都投入 了大量的人力物力 ,它  5  

面平滑,没有起 皱、凹陷、微裂及滑移痕迹等 。超塑  性成型作为材料研 究一个较新 的方 向,近年来发展很  快 。特别是对铝 合金超 塑性成型 的研 究,国内外许多  学者都进行 了大量工作 ,发现许多铝合金经过特殊 的  形变热处理、在 一定的变形条件下都会呈现 出优异 的 
超塑性性 能。铝合金 的超塑性成型是通过形变热处理  得到的小于 1 m 的超细晶粒 ,这些超细 晶粒合金在  0 u

是金 属基 复合材 料 中研 究得 最 多和最 主要 的复合材 
料 。铝基复合材料 已成 为铝合金 ,甚至是铝锂合金的 

重要 竞争对 手[ 。 目前 开发 的铝基 复合材 料主要 有  2 引
SCA1 / I CA 、A1 3 l等 。其 中,SCA1 i/ 、B A 、B / I 2 / O A i/  

复合材料被 认为最有发展前途 ,它不仅具有 比强度和  比刚度高、耐磨性和耐疲 劳性好 、尺寸稳定性强和热  膨胀系数低 等优 良的力学性能和物理性能,且不需要 
用扩散层处理包覆 纤维 ,制造成本低 ,目前 已达到实  用阶段 。 / 1 BA 复合材料发展最 快,目前美国能制造 2 m  以上的各种 B A 型材、管材等 , /1 这些材料用于航空器  上,可使质量减轻达到 2 %。铝基复合材料 已经广泛  0

高于半熔 点和低应变速率条件下能获得超塑性 ,可 以  
成形出传 统方法难 以获得 的质量轻 、成本低 、形状复 

杂的构件 ,并且具有成形压力小 、模具寿命高、可一 
次精密成形等许 多优 点【 。A一0   趴 3 0客机上用于保护液  压 装置的起落架盖板采用超塑性成型工艺取代原来的 

用于制造歼 灭机 、直升机等大飞机的机翼、方 向舵 、   襟翼 、机 身、蒙皮等 部件[ 。美 国麦道公 司在 F 1  5 钔 .5 战 斗机 上 使 用 1 ~ .   . 2 5 t纤 维 增 强 铝 基 复合 材 料  8 2 i M) fR ,使战斗机质量减轻 2 前苏联航空材 料研 究  %。 所把硼纤维增强铝基复合材料用 于安.8 2 、安.2型 飞  7 机机 体结构上 ,在提高可靠性的 同时,零件质量减轻 
达 2 %, 0 5 。但长 期以来 , 由于铝基复合材料还  5 . %[J , 4 5 存在着制备工艺复杂 、对环境和设备要求严格 、成本 

焊接 结构 ,成本 降低一半 ,且精度得到提高 。超塑性  成 型技术 的应用 ,不仅为铝合金 的开发利用提供了新 
途径 ,而且也是节约能源 、降低成本 的有效措施。  

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第 2 卷 第 9期  O



兵 ,等 :大飞机 用铝 合金 的研 究现状 及展 望 

l 1  73

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【6 NA 1】 KAI E O N w  p cs f e e p n f i   e gh   T   e a eto d vl me t hg s n t M, s   o o h t r  
au n   ly  r eop c p l ain[]M a r l Sine lmiu a o s o  rsaeapi t s . ti s cec  m l f a c o J e a 
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[】 R AC  J R.Mae as o a   d pc [ .Ada cd 5  OG KI   tr l i  fr i a  saeJ rn ] v e  n Mae as dPoess2 0 , 5 ()6 — 5 tr l a  rcse, 0 0 1 83: 3 6 . i   n   [】 B C R JWA RE CJ S A KEJ N e o e mae as 6 UC I  , R N  , T R  . edfr w tr l n i  
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YI   imi ,NI Bo N Zh — n E  ,HE  e — o Zh n b .He t te t n t o   h c   a  r a me   f t ik

[] FL T   A,Y A N  I AK 7  IA OV Y  EL GI V ,Z HARO V  V  V.Ne w 

A1 —c l y[]Mae as cec  dE gneigA, 0 0  一 S   l sJ. tr l S i ea  n ier   2 0 , Mg a o i   n n n
28 : 7 0 . 0 9 -1 1 

h t old pa   f2 2 a o [ .Jun lo  et lS uh o. l   le o  14 l yJ ora  f C n a  o t  r e t l ] r
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ZHANG Jn-a . Th  d veo me t of hih te g h n d u yo e e lp ns   g  s n t a   r

tuh es ars utr au n   l y2[] ih  tl  o g s  eot cue lm u al () .Lgt Mea , n r i m o J s
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1 . -6 

o e t o   r u e t n  lmiu a o [ . tr l R ve , i t o s r na nf   p r r ga n m l yJ Ma i s eiw  i so u l ] e a 

1 l  74

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2 1 年 9月 00  

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HE  e — o h e - t p a i g te t e t  f 7 5   u n u   Zh b .T r e s e   g   am n s o   0 5 a mi i n n r l m

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GAN  e- i g AN  n — o W ip n ,F Ho g t ,XU  — i ,ZHOU  h o f n . a Ke q n Z a —e g 

alyJ.Lg t ly ar ain eh oo ,2 0 , 3 () l [] ih Al  Fb ct  T c lg o o i o n y 0 6 45:  
4 . 3. o.   4

[6 L 3 ] UKAS AK D A, H T AR  R M. S o g lmlL r t n  an nl m aly l   o
d v l p nt fo s o r o r s i n o n t d t u t r  o   e e o me  e r  f  c mp e so  d mi a e  sr cu e f t

Su ypo rs fA1 nMgCusr shg  t n t lmiu td  rgeso  一 — —  e e i s egha n m  Z i 【 r h u aly[]Almiu F b ct n 2 0 , 5 ()6 2 l sJ. u n m a r ai , 0 3 103:-1. o i o  
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3  - 7 9 1 2 . 3133 : 2 -9 6 

a cat ]Lg t e l e 19 , 95: 1 1. i rf J. ih  t Ag , 9 14 () 1— 5 r [ M a  

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P ENG  Zh — u . Ne ih i w  h g — te g h a u n u   al ys f r i h s n t   l mi i m r lo   o  

po et s o A 0 5 l yJ. T e C iee o ra f rp re  f A7 8 al [] h   hn s Jun l   i o  o

arn ui fclisJ. a r lReiw 19 , 16: 6 1 . eo at  it []M ti s ve , 9 7 l() 1— 9 c a ie e a   

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tu h es a miu o g ns  l n m  a o [ . Miig ad Me l ria  u l yJ l ] nn   n   au t l gcl E g er g 2 0 , 35: 4 7 . n i e n , 0 32 ()7 - 8 n i   [0 C A     J NS N  S Tmp rtr fet nft u   3 】 L RK D A, OH O W  . e eauee cso   i e ag
p roma c  fc d e p n e   ls i  0 0T7 51au n m   e r n e o  ol x a d dhoe  7 5 ? 4   lmiu f n  

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M ir sr cue iv siain ofa n w yp  u rhg  te gh co tu tr   e t t      e t e spe  ih s n t  n g o r

alyJ. t ainl ora f aiu , 0 32 : 5— 6 . l [ I e t a Jun l F t e 20 , 5 1 9 1 5 o ]n r o   n o g  

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Z HOU Ho gza g h e rsac  rgeso  i   t gh   n -h .T  eerh po s  fhg s e t  n r h r n
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S ONG Re- o urn ttsa d t n s i  i  t n t    ng .C re S u    e d n hg se gh u t a n r h r
a miu   l y rsac [ .Mae as R ve l n u m al   ee hJ o r ] tr l e i i   w,2 0 ,1 () 0 0 41:  
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cre t n n A  0 0 ad A17 5   i -t n t  u n n orl i si  17 5      0 5 hg s egh a miu   ao n h r l
ao s ] Mae as Sin e n  E gn e n , 2 0 , 4 8 ly[. l J tr l cec ad n ier g 0 8 7 : i   i  
13 6 . 6 -1 7 

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3 — O. 74  

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12 1)1 3 4 . 1(2: 4—14  

第 2 卷 第 9期  0



兵 ,等 :大 飞机用 铝合 金的研 究现 状及 展望 

1 1  75

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fri   lmiu bsd cmp se m tr l ] ih  ly oeg a n m  ae   o o i  ei [ .Lg tAl   n u t a aJ o
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De eo me to   en w  eo r  ̄ maeil Almiu -i i   v lp n  ft   e a r ca h tra- u n m lh u t m

alyJ. au   dC o eis2 0 , 12: 3 6 . l [ V cu a  r gnc, 0 5 l()6 — 9 o ] m n y  

( 编辑

龙怀 中)  

【2 刘静 安,谢水 生.铝合 金材料 的应用与技 术开 发[ .北 京: 5] M】  


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