輕質(zhì)合金材料及其應(yīng)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(dǎo)電、導(dǎo)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(yīng)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(yīng)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?？蛇M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(xué)性能高，用于形狀復(fù)雜的鍛件和模鍛件，如噴氣發(fā)動機壓氣機葉輪、導(dǎo)風(fēng)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(fēng)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??；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(fēng)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(fù)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?！謾C、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。※汽車、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(yīng)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(dǎo)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(yīng)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(yīng)”，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(xué)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(xué)性能使其廣泛應(yīng)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(xué)性能，從而滿足更多樣的結(jié)構(gòu)件的需求?！舫Ｓ米冃捂V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(yīng)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(yīng)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(fù)雜，難于焊接,應(yīng)用受到限制。鈦合金管鈦合金管應(yīng)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(dǎo)彈的液氫燃料箱部件，船艦?zāi)蛪簹んw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(dǎo)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