輕質(zhì)合金材料及其應用

一鋁合金

1、鋁及鋁合金性能特點

純鋁具有銀白色金屬光澤,密度小(2.72),熔點低(660.4℃),導電、導熱性能優(yōu)良。耐大氣腐蝕，易于加工成形.具有面心立方晶格，無同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，無磁性。鋁合金制造的機翼第一頁，共四十一頁。鋁合金既具有高強度又保持純鋁的優(yōu)良特性。鋁合金常加入的元素主要有Cu、Mn、Si、Mg、Zn等，此外還有Cr、Ni、Ti、Zr等輔加元素。

鋁合金型材鋁鑄件第二頁，共四十一頁。鋁合金的用途鋁合金在20世紀初才開始工業(yè)應用。鋁合金在二戰(zhàn)期間主要用于軍用飛機。戰(zhàn)后，鋁合金開始轉(zhuǎn)入民用，范圍由航空擴展到建筑、包裝、交通運輸、機械制造等行業(yè)。知道目前，鋁合金用量和范圍僅次于鋼鐵，成為第二大金屬材料。高強度、高韌性是鋁合金的主要方向。第三頁，共四十一頁。常用鋁合金①防銹鋁合金主要是Al-Mn和Al-Mg系合金。Mn和Mg主要作用是衛(wèi)星天線（LF2）提高抗蝕能力和塑性，并起固溶強化作用。防銹鋁合金鍛造退火后組織為單相固溶體，抗蝕性、焊接性能好，易于變形加工，但切削性能差。不能進行熱處理強化，常利用加工硬化提高其強度。第四頁，共四十一頁。汽化器(熱交換管為LF21)常用的Al-Mn系合金有抗蝕性和強度高于純鋁，用于制造油罐、油箱、管道、鉚釘?shù)刃枰獜澢?、沖壓加工的零件。常用的Al-Mg系合金有LF5（5A05）,其密度比純鋁小，強度比Al-Mn合金高，在航空工業(yè)中得到廣泛應用，如制造管道、容器、鉚釘及承受中等載荷的零件。第五頁，共四十一頁。②硬鋁合金主要是Al-Cu-Mg系合金，并含少量Mn。可進行時效強化，也可進行變形強化。強度、硬度高，加工性能好，耐蝕性低于防銹鋁。常用硬鋁合金如用于制造沖壓件、模鍛件和鉚接件，如螺旋槳、梁、鉚釘?shù)?

飛機翼梁(腹板為硬鋁合金)第六頁，共四十一頁。③超硬鋁合金屬Al-Zn-Mg-Cu系合金，并含有少量Cr和Mn。時效強化效果超過硬鋁合金.熱態(tài)塑性好，但耐蝕性差。常用合金有主要用于工作溫度較低、受力較大的結(jié)構(gòu)件,如飛機大梁、起落架等.飛機主起落架第七頁，共四十一頁。④鍛鋁合金Al-Cu-Mg-Si系合金可鍛性好，力學性能高，用于形狀復雜的鍛件和模鍛件，如噴氣發(fā)動機壓氣機葉輪、導風輪等.壓氣機葉片Al-Cu-Mg-Fe-Ni系耐熱鍛鋁合金用于制造150~225℃下工作的零件，如壓氣機葉片、超音速飛機蒙皮等。第八頁，共四十一頁。美F-117隱身戰(zhàn)斗機

(所用材料大部分是鋁合金)高比強鋁合金機翼第九頁，共四十一頁。⑤鑄造鋁合金包括：Al-Si系、Al-Cu系、Al-Mg系、Al-Zn系。⑴Al-Si系鑄造鋁合金第十頁，共四十一頁。加入其他合金元素的鋁硅鑄造合金。Al-Si系鑄造鋁合金的鑄造性能好，具有優(yōu)良的耐蝕性、耐熱性和焊接性能?；钊?裙部為鋁硅合金)用于制造飛機、儀表、電動機殼體、汽缸體、風機葉片、發(fā)動機活塞等。第十一頁，共四十一頁。⑵Al-Cu系鑄造鋁合金這類合金的耐熱性好，強度較高；但密度大，鑄造性能、耐蝕性能差，強度低于Al-Si系合金。汽缸頭主要用于制造在較高溫度下工作的高強零件，如內(nèi)燃機汽缸頭、汽車活塞等。第十二頁，共四十一頁。⑶Al-Mg系鑄造鋁合金這類合金的耐蝕性好，強度高，密度小；但鑄造性能差,耐熱性低。主要用于制造外形簡單、承受沖擊載荷、在腐蝕性介質(zhì)下工作的零件,如艦船配件、氨用泵體等。鼓風機密封件等(ZL102、301)第十三頁，共四十一頁。⑷Al-Zn系鑄造鋁合金這類合金的鑄造性能好，強度較高，可自然時效強化；但密度大，耐蝕性較差。大型空壓機活塞(ZL401)主要用于制造形狀復雜受力較小的汽車、飛機、儀器零件。第十四頁，共四十一頁。其它非鐵合金二鎂及其合金純鎂：ρ1.74g/cm3，Tm651℃，密排六方結(jié)構(gòu)。純鎂強度不高，室溫塑性較低，耐蝕性較差，易氧化。工業(yè)純鎂代號用M＋順序號表示。純鎂主要用于配制鎂合金和其它合金，還可用作化工與冶金的還原劑。鎂合金：純鎂中加入Al、Zn、Mn、Zr及稀土等元素，制成鎂合金。主要有Mg-Mn系、Mg-Al-Zn系、Mg-Zn-Zr系

和Mg-Re-Zr系等合金系。它們分為變形鎂合金和鑄造鎂合金兩大類。第十五頁，共四十一頁。其它非鐵合金Ⅰ、鎂及其合金第十六頁，共四十一頁。※手機、電腦、筆記本電腦等3C產(chǎn)品全鎂合金手機、筆記本電腦等3C產(chǎn)品第十七頁，共四十一頁?！鳎p重）第十八頁，共四十一頁?！?、摩托車、飛機零件（減震、節(jié)能、提高駕乘舒適度）轎車用鎂合金輪轂直升機變速箱殼體第十九頁，共四十一頁。轎車用鎂合金齒輪箱第二十頁，共四十一頁。

※鎂合金曲軸發(fā)動機左、右箱體蓋；

※鎂合金曲軸發(fā)動機后蓋；

※鎂合金前、后輪轂；

※鎂合金后扶手；

※鎂合金鎖扣。全鎂概念摩托車，12個零部件用鎂合金替代（減重6Kg）第二十一頁，共四十一頁。Mg-Mn系合金，具有良好的耐蝕性和焊接性，使用溫度不超過150℃。主要用于制作飛機蒙皮、壁板及宇航結(jié)構(gòu)件。Mg-Li系合金是一種新型的鎂合金，它密度小，強度高，塑性、韌性好，焊接性好，缺口敏感性低，在航空、航天工業(yè)中具有良好的應用前景。第二十二頁，共四十一頁。Mg-Al-Zn系的ZM5和Mg-Zn-Zr系的ZM1、ZM2、ZM7、ZM8具有較高的強度，良好的塑性和鑄造工藝性能，但耐熱性較差，主要用于制造150℃以下溫度工作的飛機、導彈、發(fā)動機中承受較高載荷的結(jié)構(gòu)件或殼體。Mg-Re-Zr的ZM3、ZM4和ZM6具有良好的鑄造性能，常溫強度和塑性較低，但耐熱性較高，主要用于制造250℃以下溫度工作的高氣密零件。第二十三頁，共四十一頁。阻燃鎂合金抗氧化方法(1)熔劑保護阻燃法。在鎂合金整個熔煉過程中，在熔劑保護下隔絕大氣進行。鎂合金采用熔劑保護防燃使用最早也最廣泛，具有工業(yè)應用價值。(2)氣體保護阻燃法。常用氣體為SF6、CO2和SO2。其中SF6為無色無味無毒氣體，是最常用的鎂合金保護氣氛。但SF6、CO2等氣體具有強烈的“溫室效應”，由于它們對環(huán)境的污染需要找到一種合適的替代氣體。(3)添加合金元素阻燃法。在鎂合金中只需加入少量的Be、Ca，可制備出燃點很高的阻燃鎂合金。Be與O2生成BeO膜致密，也有明顯的阻燃作用，但Be、Ca的加入量需要嚴格控制，否則會強烈惡化組織，造成晶粒長大和熱裂傾向加大。第二十四頁，共四十一頁?！透g鎂合金合金元素對鎂腐蝕速率的影響提高鎂合金耐蝕性能的工作：◆提高鎂及鎂合金的純度；◆添加新合金化元素開發(fā)新合金；◆表面保護；化學處理、陽極氧化、有機物涂層、電鍍◆采用新工藝和新技術(shù)；快速凝固技術(shù)、離子注入激光表面熔覆第二十五頁，共四十一頁。高溫應用的鑄造鎂合金

普通Mg-Al、Mg-Zn系鑄造鎂合金使用溫度限于150~200°C。應用于更高溫度下的耐熱鎂合金主要是Mg-RE、Mg-Th系合金。釷是提高鎂合金高溫性能最有效的合金元素，但釷的低放射性限制了Mg-Th合金的應用。Mg-RE合金中加入少量的鋯（Zr）、La、Ce等能夠起到晶粒細化、提高抗拉強度等作用。添加鈧、釔對鎂合金的有益影響是又一個非常重要的發(fā)現(xiàn)，Drits等開發(fā)了一系列耐熱高強WE型鎂合金。該類合金良好的力學性能使其廣泛應用于賽車及飛行器變速箱殼體上。

第二十六頁，共四十一頁。變形鎂合金與鑄造鎂合金相比，變形鎂合金材料比鑄造鎂合金材料具有更高的強度，更好的延展性，更多樣化的力學性能，從而滿足更多樣的結(jié)構(gòu)件的需求。◆常用變形鎂合金Mg-Al-Zn系、Mg-Zn-Zr、Mg-Mn系；

◆超輕Mg-Li系變形鎂合金；

Mg-40%Li(ρ<1.0g/cm3)第二十七頁，共四十一頁。三鈦合金鈦是20世紀50年代發(fā)展起來的一種重要的結(jié)構(gòu)金屬，鈦合金因具有比強度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點而被廣泛用于各個領(lǐng)域。世界上許多國家都認識到鈦合金材料的重要性，相繼對其進行研究開發(fā)，并得到了實際應用。第一個實用的鈦合金是1954年美國研制成功的Ti-6Al-4V合金，由于它的耐熱性、強度、塑性、韌性、成形性、可焊性、耐蝕性和生物相容性均較好，而成為鈦合金工業(yè)中的王牌合金，該合金使用量已占全部鈦合金的75％～85％。其他許多鈦合金都可以看做是Ti-6Al-4V合金的改型。第二十八頁，共四十一頁。鈦合金20世紀50～60年代，主要是發(fā)展航空發(fā)動機用的高溫鈦合金和機體用的結(jié)構(gòu)鈦合金，70年代開發(fā)出一批耐蝕鈦合金，80年代以來，耐蝕鈦合金和高強鈦合金得到進一步發(fā)展。耐熱鈦合金的使用溫度已從50年代的400℃提高到90年代的600～650℃。第二十九頁，共四十一頁。鈦合金純鈦加入合金元素形成鈦合金。鈦合金幾乎都含有鋁。鋁能提高鈦合金的強度、比強度和再結(jié)晶溫度.按退火組織，鈦合金可分為型鈦合金、型鈦合金和+型鈦合金三類，它們的牌號分別用TA、TB、TC加順序號表示。如TA5、TB2、TC4等。其中TA0~TA3為工業(yè)純鈦。鈦合金泵第三十頁，共四十一頁。鈦合金（1.α型鈦合金

）性能：室溫強度低，高溫強度高；具有良好的抗氧化性、焊接性和耐蝕性，不可熱處理強化，退火態(tài)使用；牌號：TA4、TA5、TA6、TA7、TA8等，常用的有TA5、TA7等，以TA7最常用。TA7還具有優(yōu)良的低溫性能；用途：用于制造500℃以下溫度工作的火箭、飛船的低溫高壓容器，航空發(fā)動機壓氣機葉片和管道、導彈燃料缸等。TA5主要用于制造船艦零件。第三十一頁，共四十一頁。型鈦合金主加元素為鋁，還有錫、硼等。不能熱處理強化，通常在退火狀態(tài)下使用,組織為單相固溶體.強度低于另兩類鈦合金，但高溫強度、低溫韌性及耐蝕性優(yōu)越.鈦合金氫泵誘導輪鈦合金氫泵殼體第三十二頁，共四十一頁。主要用于制造500℃以下工作的零件，如飛機壓氣機葉片、導彈的燃料罐、超音速飛機的蝸輪機匣及飛船上的高壓低溫容器等。鈦合金衛(wèi)星框架鈦合金液下泵-Ti合金組織第三十三頁，共四十一頁。鈦合金（2.β型鈦合金）牌號：有TB21、TB2兩個，可熱處理強化，實際

應用的為TB2。性能：合金的強度高、焊接性好。熱穩(wěn)定性差。用途：用于制造350℃以下溫度工作的飛機壓氣

機葉片、彈簧、緊固件等。第三十四頁，共四十一頁。型鈦合金加入的合金元素有鉬、鉻、釩、鋁等。經(jīng)淬火加時效處理后，組織為相基體上分布著細小的相粒子。這類合金強度高，但冶煉工藝復雜，難于焊接,應用受到限制。鈦合金管鈦合金管應用第三十五頁，共四十一頁。主要用于350℃以下工作的結(jié)構(gòu)件和緊固件,如飛機壓氣機葉片、軸、彈簧、輪盤等.鈦合金棒β鈦合金眼鏡架鈦離心泵第三十六頁，共四十一頁。鈦合金【3.(α＋β)型鈦合金】性能：具有α型和β型鈦合金的優(yōu)點，但焊接性能不如α型鈦合金，可通過熱處理來強化。牌號：TC1~TC11，常用的有TC3、TC4、TC6、TC10等，以TC4最常用。用途：制造400℃以下工作的航空發(fā)動機壓氣機葉片，火箭發(fā)動機外殼，火箭和導彈的液氫燃料箱部件，船艦耐壓殼體等。TC10是在TC4基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，具有更高的強度和耐熱性。第三十七頁，共四十一頁。+型鈦合金加入的合金元素有鋁、釩、鉬鉻等。可進行熱處理強化，強度高，塑性好，具有良好的熱強性、耐蝕性和低溫韌性。鈦合金列管式換熱器第三十八頁，共四十一頁。+型鈦合金主要用于制造400℃以下工作的飛機壓氣機葉片、火箭發(fā)動機外殼、火箭和導彈的液氫燃料箱部件及艦船耐壓殼體等.

生物醫(yī)用材料飛機壓氣機葉片第三十九頁，共四十一頁。鈦合金（Ti合金的發(fā)展）一般：最高使用溫度為500℃。中國：Ti-Al-Sn-Mo-Si-Nd系，使用溫度達550℃。英美：合金

和合金，

使用溫度可達600℃。最高：以鈦鋁金屬間化合物為基的Ti3Al基高溫鈦合

金和TiAl基