【论文介绍】航空铝合金代次划分特点及第五代800 MPa级超高强度铝合金的时效析出特点
航空铝合金代次划分特点
百年航空、百年铝材是铝合金在航空应用的历史缩影。1909年，英国《每日邮报》发起的横渡英吉利海峡的竞赛，获胜的布里奥Ⅺ型飞机机翼前缘包有铝制蒙皮，形成稳定的机翼型面。随后航空铝合金在飞机设计需求牵引和铝合金自身技术发展的双重推动下，至今已发展至第五代铝合金。
航空铝合金的代次划分主要以变形铝合金为主，每一代都有自己的典型特点：
第一代航空铝合金是静强度铝合金，主要是为了满足飞机静强度设计需求、伴随着铝合金沉淀硬化技术的发明而研发的合金，典型合金为2A12-T6，7075-T6等。
第二代航空铝合金是高强耐腐蚀铝合金，这是为解决铝合金应力腐蚀失效引起的飞机失事而产生，飞机设计对铝合金提出了耐腐蚀的需求，此时获得耐腐蚀更好的T73、T76等过时效热处理技术也研发出来，典型合金为7A09-T73/T74等。
第三代航空铝合金是高强、高韧铝合金，这是随着飞机强烈的减重需求，对铝合金的综合性能提出的高要求，在合金纯化和微合金化技术进步的推动下高强、高韧铝合金研发成功，典型合金为7050，7475，2124等。
第四代航空铝合金是高性能铝合金，为了满足飞机损伤容限设计和可靠性设计，在精密热处理技术以及主合金成分优化设计与发展的推动下高性能铝合金应运而生，这代铝合金具有超高强、耐损伤、高强韧低淬火敏感性铝合金等特点，典型代表合金为2E12，7B50，7A55，7A85等。在航空装备发展需求的牵引下，随着国内先进铝合金生产装备的配套建设及材料制备关键技术的突破，国内四代航空铝合金已经实现工业化稳定制备并装机应用，国内航空铝合金的研制与生产应用已经达到国际先进水平。
超高强度铝合金是第五代航空铝合金的重要组成部分，采用理论计算、模拟、实验相结合的方式，进行特征微结构精确调控，超高强度铝合金在保持良好综合性能的前提下，针对承受压缩载荷的支撑梁、桁条等高刚度、高强度需求部位，进一步提升合金强度至700 MPa以上。
研究内容
针对合金化元素总含量不超过17%（质量分数），目标强度800 MPa级的超高强度铝合金，基于前期的合金成分热力学及动力学计算，在中试条件下开展型材制备及时效工艺研究，为工业化生产和应用提供参考。
研究结果
110 ℃时效初期，合金强度随着时效时间迅速升高，伸长率逐渐下降，强度在时效24 h时达到峰值，并随着时效时间的延长基本保持稳定；140 ℃时效时，合金时效响应很快，2 h后强度达到峰值，而后随着时效时间的延长，合金强度逐渐下降，伸长率缓慢上升。
综合考虑强度、伸长率等因素，合金适宜的时效工艺为110 ℃/（24~96）h。优选推荐参数为110 ℃/24 h。此时，合金的抗拉强度，屈服强度和伸长率分别为808，785 MPa和6.9%。
图1 不同时效工艺处理后合金的室温拉伸性能
(a)T=110 ℃；(b)T=140 ℃
不同时效工艺下合金靠近<011>带轴的透射组织明场像显示：在110 ℃时效时，析出相长大缓慢，时效4 h后，晶内析出相多数为圆形，细小且分布均匀，尺寸约为3~5 nm；时效时间延长至96 h时，析出相形貌为针状析出相和圆盘状析出相，针状析出相宽度约2~4 nm，长度约5~10 nm，圆盘状析出相尺寸约4~8 nm。
140 ℃时效时，析出相尺寸较110 ℃时效时明显增大，时效4 h后，晶内均匀析出了大量细小的针状及圆形颗粒，析出相的尺寸约为5~10 nm，时效24 h后，析出相的尺寸长大至15~20 nm。时效温度升高，析出相析出和长大的速度明显加快。
图2 不同时效制度下合金TEM组织
(a)110 ℃/4 h；(b)110 ℃/24 h；(c)110 ℃/96 h；(d)140 ℃/4 h；(e)140 ℃/24 h
结合不同方向的选区电子衍射花样（SAD）确定析出相的种类，结果表明：110 ℃时效4 h后，在<001>带轴下，{1, (2n+1)/4, 0}位置出现GPI区衍射斑点，1/3{220},2/3{220}位置出现η′相衍射斑点；在<112>带轴下，在1/2{311}位置出现GPII区衍射斑点。110 ℃时效96 h后，同样可以发现GPI区及GPII区、η′相的衍射斑点强度，表明在此温度下，GPI区及GPII区、η′相可以稳定存在。
140 ℃下时效4 h后，未发现GP区的衍射斑点，1/3{220}，2/3{220}位置出现了η′相衍射斑点，表明基体中η′相的存在；140 ℃时效24 h后，η相的衍射斑点变强，表明此时η′相和η相为主要的析出相。
图3 不同时效制度下合金选区电子衍射
(a) <001>110 ℃/4 h；(b)<112>110℃/4 h；(c) <001>110 ℃/96 h；(d) <112>110 ℃/96 h；(e) <001>140 ℃/4 h；(f)<001>140 ℃/24 h
原文出处：
臧金鑫，邢清源，陈军洲，戴圣龙
材料工程 2021,49 (4):71-77.
doi:10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000495
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