碱锰电池戴威然;田怡;秦龙万;李恒;谭国寅;孙彦华;岳有成;曹瑞珂
【摘 要】介绍了国内外7150铝合金的发展概况与应用现状,从各项异性、热处理等方面综述了7150铝合金的研究进展,预测了国内未来对7150铝合金的需求,并展望了7150高强、高韧、耐蚀铝合金的发展方向. 【期刊名称】《云南冶金》
【年(卷),期】2018(047)003
【总页数】4页(P76-78,88)
【关键词】7150铝合金;航空铝材;各项异性;热处理
【作 者】戴威然;田怡;秦龙万;李恒;谭国寅;孙彦华;岳有成;曹瑞珂
【作者单位】云南云铝泽鑫铝业有限公司,云南富源655500;昆明冶金高等专科学校,云南 昆明
650033;云南铝业股份有限公司,云南昆明650502;昆明冶金研究院,云南昆明650031;共伴生有金属资源加压湿法冶金技术国家重点实验室,云南昆明650503;昆明冶金研究院,云南昆明650031;共伴生有金属资源加压湿法冶金技术国家重点实验室,云南昆明650503;昆明冶金研究院,云南昆明650031;共伴生有金属资源加压湿法冶金技术国家重点实验室,云南昆明650503;昆明冶金研究院,云南昆明650031;共伴生有金属资源加压湿法冶金技术国家重点实验室,云南昆明650503;昆明冶金研究院,云南昆明650031;共伴生有金属资源加压湿法冶金技术国家重点实验室,云南昆明650503
【正文语种】中 文
【中图分类】TU395
0 引 言
飞行高度离地面100 km以内的飞行器械称为航空器，而用于制造航空器的各种变形铝合金与铸造铝合金，均统称为航空铝材。其中，航空器上使用的压铸件采用铸造铝合金生产，而航空器的板材、型材、线材等多采用变形铝合金加工[1-4]。
1 7150航空级铝合金的运用
超强、高韧、耐蚀7150铝合金于20世纪70年代末年研制成功，7150铝合金的出现首次实现了铝合金同时具有良好抗腐蚀性能和合金强度的目标。7150铝合金广泛应用于航空领域的板材、型材、铸件等，用于制作航空器的高强度结构件，如飞机翼外翼梁，主起落架梁，前起落架动作筒，垂尾接头，火箭喷管结构件。热处理后的7150 铝合金在强度、抗剥落腐蚀与抗应力腐蚀开裂性能、断裂韧性、疲劳强度等方面都有良好的表现。 国产ARJ21飞机的铝制零部件占飞机净质量的四分之三。其中，上翼上壁板采用7150-T7751铝合金制造，同时，7150铝合金还用于制造机翼梁、机身桁条、机身框架、隔框、机翼上桁条、翼肋和翼梁等。
国产C919在选材上选用了大量的第四代铝合金，如7050-T7452、7150-T77511等。7150铝合金还运用在其他国产航空器上，如新舟60型支线客机、运-20重型军用运输机、大型水陆两栖飞机AG6000、各式战斗机等军用航空器[5]。7150铝合金化学成分见表1。
表1 7150铝合金化学成分表Tab.1 The chemical component list of 7150 aluminum alloy w
%SiFeCuMnMgCrZnTiTiZr其他总计Al0.080.122.0～2.30.052.0～2.50.026.1～6.70.060.060.08～0.120.15余量
未标范围的数据，均为极限最大值。
2 国内外研究现状
上世纪20年代初，德国学者W Sander等[6]通过研究Mg、Zn元素对铝材料的影响，发现铝基体中会析出形成MgZn2相，使Al-Mg-Zn系合金的力学性能有了大幅度提高。
相比国外较早开始超高强铝合金研究工作，我国7XXX系铝合金的研究工作在1960年以后才开始进行。我国的研究人员在前苏联专家的帮助下，开始对超高强7XXX铝合金进行深入研究。
1978年，美国Alcoa公司与BCAC波音商务飞机公司共同合作，研制开发出综合性能比7050更为优异的牌号为7150的新型合金[7]。
现阶段，由于航空器的飞速发展，超强、高韧、耐蚀7150铝合金成为国内外研究热点。
玻璃垫片刘 平[8]研究了不同热处理工艺对7150合金60 mm厚板性能的影响。发现经T77处理后，7150合金60 mm厚板，随着固溶时间增长，厚板的纵横向性能逐渐接近，至5 h时合金各项异性程度最低。同时，刘平等人还研究了不同Zr含量对7150合金性能的影响。研究发现Zr能起到细化7150铸锭晶粒的作用，铸锭的晶粒尺寸随着Zr含量的増加而减小。并且Zr能使7150合金12 mm轧板强度提高，当合金Zr含量低于0.93%时，轧板的横向性能大于纵向性能，当Zr含量高于0.93%时，轧板的纵向性能大于横向性能。刘平等人认为，当Zr含量在0.93%附近时，7150合金的各向异性程度较低且强度较高。
丛福官[9]等人分析了7150-T7751铝合金的80 mm厚板在不同厚度层纵、横向的组织性能。分析发现厚板内部的力学性能在不同厚度层具有不同特点的各向异性：板材的纵向强度在中心层达到最大，并且显著高于横向强度；纵向强度在1/4厚度层最小，并且比同深度的横向强度要低。同时丛福官等人还发现在具有合适织构的粗大长状再结晶晶粒与细小等轴晶组织匹配的条件下，7150-T7751合金在沿粗大晶粒长度的方向具有较高的强度。
赵业青等人[10]研究发现7150铝合金的流变应力随应变速率增大而增大，随变形温度增大而降低，并且发现可用双曲正弦形式的本构方程(式1)来描述7150合金的热压缩变形的流变应力行为：
ε=A[sinh(ασ)]n·exp(-Q/RT)
(1)
其中，ε为合金应变速率，T为热力学温度，其余参数见表2。随着温度升高和应变速率降低，动态再结晶逐渐取代动态回复成为合金的主要软化机制。
巢 宏[11]提出通过逐步固溶处理对7150铝合金晶界结构的调控方法及固溶一析出一固溶的晶界析出相大小和分布的调控方法，成功抑制了7150铝合金的再结晶和晶粒长大，使合金基体的再结晶程度降低。与常规固溶相比，逐步固溶调控方法提高了7150铝合金在T6态和T77态下的强度和断裂韧性，并且使其晶间腐蚀、剥落腐蚀和应力腐蚀性能得到改善。
熊先创等人[12]研究发现，固溶处理工艺参数对7150铝合金的再结晶组织、粗大第二相、织构等影响较大，7150铝合金在粗大第二相最大程度溶解的条件下，其再结晶分数反而快速增加；Chen、Liu等人[13]可以通过多级固溶处理来有效地使A1-Zn-Mg-Cu合金中的可溶性粗大第二相消除。
核反应堆的慢化剂表2 双曲正弦形式的本构方程参数Tab.2 The constitutive equation parameter of hyperbolic
sine form参数数值A4.161×1014s-1α0.01956MPa-1n5.14336Q229.7531kJ/molR8.314J/(mol·K)
Zn、Mg、Cu元素和Zr、Cr等微量元素对7150合金固溶工艺的影响也是研究的热门方向。Zn、Mg在合金中主要起到调控合金强度的作用，Zn、Mg含量的改变对合金性能有较大影响[14]。Cu的加入能改善晶间腐蚀和剥落腐蚀[15-17]，同时也会导致难溶第二相增多，Cu含量过高易引起合金强度降低，因此Cu含量对合金的综合性能有明显影响，合适的Cu元素含量有利于提高合金性能[18]。在固溶处理时，微量元素Zr、Cr等的加入可以降低合金的再结晶度，同时改善合金晶间腐蚀性能等[19,20]。
3 市场前景预测
目前，航空器领域对航空铝材的需求有两个明显的特点：(1)铝材的品种规格要求多，产品质量需求高，产品生产工序复杂，成品率较低，售价高；(2)航空铝材的有效利用率低，部分部件的有效利用率甚至仅为百分之几，如飞机进舱门采用一整块厚板铣削而成，虽然材料的利用率比较低，但相比较传统的由50多个零部件组合而成的进舱门，现在的进舱门强度有了大幅，并且降低了制造成本。
表3 2015年～2035年中国航空器用铝材需求预测[5]Tab.1 The requirement forecast of aviation aluminum alloy materials in China in 2015～2035航空器总需求量/kt年平均需求量/(kt/a)ARJ21及新舟系列支线客机34.81.0C919干线客机90.04.5运-20重型军用运输机43.22.2军用航空器120.06.0通用航空器210.010.5合计498.024.9
卷钉
目前国内常见的航空器有ARJ21支线客机、C919干线客机、Y-20大型喷气式运输机(往往又把这三种飞机称为大飞机)、所有军机和通用航空器。从2015年开始的20年间，中国航空工业将得到飞速的、巨大的发展，在这个趋势下，航空铝材的年复合增长率可达10%，其增长率将会超过国民经济其他大产业，这20年间中国航空器用铝材需求预测参见表3[5]。
4 展 望
经过几十年来我国科研工作者对高强高韧铝合金的研究，我国关于7XXX系铝合金的研究能力已经处于世界先进位置，并且我国7XXX的工业化应用生产也取得了一定的进步，但要满足国内航空领域的生产发展要求，实现航空铝材完全国产化，还需要科研工作者们继续研究与实践。
综上所述，我国国防及基础工业的发展对高强、高韧、耐蚀铝合金具有迫切的需求，而国内铝合金工业发展水平相比国际顶尖水平仍有一定差距，所以必须大力强化高强、高韧、耐蚀铝合金的研究和创新，来支撑我国国防及基础工业的发展。
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长春密刺
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