航空航天铝合金材料的发展
航空航天铝合金材料的发展
航空航天领域对材料性能有着严苛的要求，铝合金作为重要的轻质高强材料，在该领域扮演着不可或缺的角色。本文将深入探讨航空航天用铝合金材料的发展历程、性能特点及其在实际应用中的挑战与突破。
超高强铝合金一般指屈服强度在500MPa以上的铝合金，常见的为7系列的超硬铝。该系列铝合金最初是在航空航天的应用背景下研发的，已成为飞机的主要结构材料，在飞机结构件中占到70-80%，并在很多领域替代了昂贵的钛合金，成为不可缺少的重要轻质结构材料。随着现代航空航天、核工业，交通运输业的持续发展，对结构件的综合性能提出了更高的要求，集质轻、高强、高韧、高断裂韧性、抗应力腐蚀能力于一身的新一代超高强铝合金无疑是首选方案。
铝合金作为一种较为成熟的轻质高强合金材料在航空航天领域的使用量大，一般作为结构材料使用，比钢有更高的比强度和更优异的加工性能。
航空航天领域主要发展高强、高韧性和耐腐蚀性强的铝合金材料，以满足航空航天严苛的使用条件。应用比较多的为2000系和7000系铝合金，在高强铝合金的基础上进行工艺的改良和材料配方的改进，通过粉末冶金、喷射成型等创新的生产工艺发展性能更优异的轻质铝合金材料，开展铝基复合材料及超塑性铝合金材料相关研究。
在轻质高强铝合金的发展应用过程中，应力腐蚀问题是伴随铝合金的整个应用发展史之中的主要问题，如何削弱或延缓高强度铝合金在使用过程中的应力腐蚀问题，成为铝合金应用过程中的主要难题。
2000系铝合金的主体成分主要是铝(Al)、铜(Cu)、镁(Mg)3种元素，7000系的铝合金主要成分是铝（Al）、锌(Zn)、锰（Mg）、铜（Cu）元素，还有一些特殊元素，通过加入这些元素获得高性能(高强、高韧、耐腐蚀性能)的铝合金材料。
铝合金材料是确保飞机安全飞行的重要部件材料，不同部位铝合金材料的选型及性能预测直接关系到飞机的安全可靠性，预测航空铝合金材料的失效问题直接关系到生命安全，需要引起广泛重视。
国外航空航天用铝合金材料发展
2000系铝合金的耐温性优良，主要用于航空航天耐高温部件中，优异的耐温性主要是因为2000系铝合金内部具有复杂的化学组成和相组成，能够在高温状态下保持良好的强度稳定性和工艺性能，多用于150～250℃温度范围内工作的耐热零件和耐热可焊接的结构件及锻件。
2000系合金中存在铁(Fe)和硅(Si)的杂质，这2种杂质的存在会生出粗大的杂质相，严重影响断裂韧性和短横向力学性能。因此，研究人员从调整合金元素含量和降低Fe、Si杂质相的考虑出发，提高2000系铝合金的强度和韧性并通过加入镍(Ni)元素的方法提高铝合金的耐热性能，通过调节Cu的含量来改善铝合金材料的焊接性能。对于薄壁的铝合金材料主要提高其耐损伤容限性能，对于厚壁的铝合金材料主要提高其耐应力腐蚀的性能和韧性，通过铝合金具体应用场合的不同调节元素含量和热处理方法找到最优异的匹配材料。
7000系铝合金以Zn最为主要添加元素，通过热处理可强化铝合金的韧性，合金中加入Mg元素后可以提高它的热变形性能并扩大淬火范围，改变热处理条件可以改善强度、焊接性和耐腐蚀性，但Mg元素的引入使得铝合金的应力腐蚀倾向严重，因此，7000系铝合金属于高强可焊且应力腐蚀敏感度高的合金。而加入Cu元素的Al/Zn/Mg/Cu合金则具有更高的强度，属于超高强铝合金，屈服强度与拉伸强度十分接近，屈强比和比强度都很高，但塑性较差，且在高温下的强度较低，经常用于使用温度低于120℃的承力结构件。
7000系铝合金的加工性能优异、耐蚀性和高韧性使其成为航空航天的主要结构材料。国际上早在19世纪20年代就认识到了铝合金中加入Mg、Zn后共同热处理具有强化效果，但是出现较严重的应力腐蚀开裂问题，可通过添加微量的铬(Cr)、锰(Mn)、钼(Mo)改善应力腐蚀开裂的问题，并实现在舰载战斗机上的大量应用。尤其在1943年美国开发的7075合金首次应用到B-29型轰炸机上，给飞机结构和性能带来了革命性的变化，随后7000系铝合金如雨后春笋一样被各国效仿及开发，被大量应用于高端制造产品中。 20世纪60年代美国在7075铝合金的基础上进行改良，开发出了更强、更韧更抗应力腐蚀的7050合金，主要用到F-18的抗压结构件中，随后又开发出了7150合金，用于制造波音757/767及空客A301等民用大飞机的上翼结构。20世纪80年代，美国等在7150基础上成功研制7055合金，强度比7150高约10%，具有较高的综合性能，用于波音777客机的上翼蒙皮、机翼桁条。
为提高安全性及可靠性，飞机设计选材由追求高静强度法逐渐向高损伤容限法转变，要求铝合金材料应该具备更高的断裂韧性值和更高的抗应力腐蚀开裂值，在铝合金材料的设计和热处理工艺研究中都需要着重考虑提高断裂韧性值和抗应力腐蚀开裂值。 7系铝合金在应用过程中的主要问题是高强度与应力腐蚀敏感性的矛盾关系，学者们做出了大量研发来解决高强度铝合金应力腐蚀敏感性强的问题，通过改变元素组成、热处理工艺及形变热处理等方法不断改善7系铝合金的应力腐蚀敏感性，各国都做出了大量的研究，积累了大量的数据，也取得了一定的成果。
大体上铝合金的发展方向是从高强、低韧到高强、高韧再到高强、高韧、耐腐蚀发展的，热处理状态开发沿着T6到T73到T76到T736到T77发展，合金化程度越来越高，Fe、Si等杂质含量越来越低，微量过渡族元素添加越来越合理，最终综合提升合金整体性能。
国内航空航天用铝合金材料发展
我国对于高强高韧铝合金的研究起步较晚，始于20世纪60年代，起初主要以仿制美国为主，主要对美国的2000系和7000系合金进行了仿制，有2014、2024、2324、2525、7075、7001、7475、7055合金等。近些年来，我国不断加大高强铝合金的研发力度，集中优势科研院所和企业形成合力，组织广西南南铝加工有限公司、东北轻合金有限责任公司、中南大学、东北大学、上海交通大学、北京航空材料研究院、有色金属院等完成了一系列国家重大课题，取得了较好的成果，基本具备了高强铝合金材料的批量生产能力，满足国家重大工程对高强铝合金材料的应用需求。