① 基金项目 : 国家重点基础研究发展规划项目 ( G1999064907 - 2) 收稿日期 : 2003203212 第一作者 男 硕士研究生
第5期
刘昌斌等 : 高强高韧铝合金的研究现状及发展趋势
75
0. 15 % , Si ≤0. 1 %) 十 分 类 似 于 美 国 的 7475 合 金 。 1971 年 ,前苏联学者在深入研究 Al2Zn2Mg2Cu 系的基 础上 ,研制出了超高强铝合金 - B96 Ц,随后又通过提 高合金纯度 ,开发出 B96 Ц的改型合金 B96 Ц- 1 和 B96 Ц- 3 。B96 Ц类似于 7055 合金 ,但有自己的特色 。 北美在 70 年代大量研究 P/ M7000 系合金[4] 。7090 是 第一个 AA 注册的 P/ M7000 系合金 ,其名义成分为 Al2 8Zn22. 5Mg21Cu21. 5Co 。Pickens[5] 报道最高强度为 855 MPa 的 合 金 , 成 分 为 Al29. 87Zn24. 06Mg20. 85Cu2 1. 25Mn21. 06Fe21. 39Ni 。欧洲也报道有强度为 840 MPa 的合金 ,其成分为 Al29Zn23Mg21. 5Cu24Mn 。90 年代 ,美 国 、英国 、日本等工业发达国家利用先进的喷射成形技 术开发出了含锌量 8 %以上 (最高达 14 %) 、σb为 760～ 810 MPa 、δ为 8 %～13 %的新一代超高强铝合金 ,用 于制造交通运输领域的结构件及其他强度要求高 、抗 腐蚀性能好的高应力结构件[6～7 ] 。 1. 2 国内高强铝合金的发展情况
Present States of Research and Developing Trends of High Strength and High Toughness Aluminum Alloy
LIU Chang2bin , XIA Chang2qing , DAI Xiao2yuan ( Department of Material Science and Engineering , Central South University , Changsha 410083 , Hunan , China)
在 T651 状态下强 T651 、 T6511 、 已用于波音 757 、767 ,
度比 7075 高 10 % T7751 状 态 厚 空中客车 A310 和麦
7150
～15 % , 断 裂 韧 性 高 10 % , 抗疲劳性
板 , T7751 状 态 挤压件
道 MD - 11 等飞机的 上翼结构 , 已被波音
8. 4Zn2. 7Mg2. 3Cu
8
8. 1Zn2. 1Mg1. 7Cu
7
8. 1Zn2. 1Mg1. 7Cu
表 2 高强高韧 Al2Zn2Mg2Cu 系合金的主要特点及应用情况
牌号
主要特点
主要制品及状态
应用实例
强度 、断裂韧性高 , T61 、T761 薄板 , 飞机机身 、机翼蒙皮 ,
7475 抗疲劳性能好
620
650
B96 Ц- 3T2
560
590
B96 Ц- 3T12
620
640
11 5. 6Zn2. 5Mg1. 6Cu
11 6. 2Zn2. 25Mg2. 3Cu
12 5. 7Zn2. 25Mg1. 55Cu
10 8. 0Zn2. 05Mg2. 3Cu
12 6. 5Zn2. 25Mg2. 1Cu
7
表 1 高强高韧铝合金的典型性能
合金牌号及 屈服强度 抗拉强度 延伸率δ
热处理状态 / MPa
/ MPa
/%
原始成 - T736
510
550
7475 - T7651
560
590
7055 - T77
640
660
7150 - T77
614
648
B96 Ц- 1T2
T651 、T7651 和 翼粱 ,舱壁 ,子弹壳
T7351 厚板
强度高 ,断裂韧性 、 T7651 、T7451 状 飞机机身框架 ,舱壁 ,
7050
抗应力腐蚀和抗剥 落性好 , 淬火敏感
态厚板 , T76511 、 机翼蒙皮 ,加强筋 ,起 T73511 挤压 件 , 落架支撑部件 ,铆钉
性小
T74 模锻件
国内超高强铝合金的研究开发起步较晚 。20 世 纪 80 年代初 ,东北轻合金加工厂和北京航空材料研究 所开始研制 Al2Zn2Mg2Cu 系高强高韧铝合金 。目前 , 在普通 7XXX 系铝合金的生产和应用方面已进入到实 用化阶段 ,产品主要包括 7075 、7175 、和 7050 等 ,用于 各种航空器结构件的制造 。20 世纪 90 年代中期 ,北 京航空材料研究所采用常规半连续铸造法试制成功了 7A55 超高强铝合金 ,近来又开发出强度更高的 7A60 合金 。“九五”期间 ,在国家攻关和 863 高技术项目的 支持下 ,北京有色金属研究总院和东北轻合金加工厂 开展了仿制俄罗斯 B96 Ц合金成分的超高强 7XXX 系 铝合金以及具有更高锌含量的喷射成形超高强铝合金 的开发工作 ,他们分别采用喷射沉积和半连续铸造工 艺 ,制成了各种尺寸的 (模) 锻件 、挤压棒材及无缝挤压 管材等 ,合金的屈服强度已分别达 750～780 MPa 和 630～650 MPa 、延伸率则分别达到 8 %～10 %和 4 %～ 7 % ,其中北京有色研究总院用喷射成型技术研制的 7000 系合金 (Al28. 6Zn22. 6Mg22. 2Cu) ,其屈服强度为 710 MPa ,抗拉强度为 740 MPa ,δ= 10 %[8] 。
早在 20 世纪 20 年代就开始研究和开发 Al2Zn2Mg 系合 金 , 美 国 Alcoa 公 司 在 此 期 间 发 展 了 锻 件 用 的
X70S(1931) 和薄板用的 X71S (1932) 以及它们的发展 型合金 。但由于该系合金存在严重的应力腐蚀现象而 未得到应用 。直到 20 世纪 40 年代初才发展了加入 Cu 、Mn 和 Cr 等元素的 Al2Zn2Mg2Cu 系合金 。Cu 、Mn 和 Cr 等元素的加入显著的改善了该系合金的抗应力腐 蚀和抗剥落腐蚀性能 ,最早应用的该系合金是美国 7075 合金 。其后于 70 年代末 80 年代初先后在 7075 合 金的基础上 ,为满足某些特殊性能的要求 ,通过调整合 金元素的含量 ,又发展了几种新型合金 。如为了提高 强度 ,增加了合金中 Zn 、Mg 元素的含量 ,出现了 7178 合金 ;为了获得良好的综合性能 ,采用了以 Zr 代替 Cr 方法 ,并同时提高了合金元素 Cu 的含量及 Zn/ Mg 比 , 而研制了 7050 合金 。对于 7050 合金本身 ,为了寻求 Al2Zn2Mg2Cu 合金薄板的最佳强度和韧性 。通过降低 Fe 、Si 杂质的含量 ,又发展了 7175 铝合金 ,进而开发 了纯度更高的 7475 铝合金 ,近年来 ,国内外正在大力 开发研究强度更高 、韧性及耐蚀性更好的新一代 7A55 高强铝合金 。Al2Zn2Mg2Cu 系合金的发展在前苏联也 受到极大重视 。1944 年开发的 B95 合金 (Al26. 0Zn22. 3 Mg21. 7Cu20. 12Cr20. 4Mn) ,与 7075 相似 。1969 年的合 金 B95оч(Al25. 8Zn22. 3Mg21. 7Cu20. 12Cr20. 4Mn , Fe ≤
综上所述 ,超高强铝合金研制基本上沿着高强度 、 低韧性 →高强度 、高韧性 →高强度 、高韧性 、耐腐蚀方 向发展 ,热处理状态则是沿着 T6 →T73 →T76 →T736 ( T74) →T77 方向发展 ,在合金设计方面的发展特点是 合金化程度越来越高 ,Fe 、Si 等杂质含量越来越低 ,微 量元素添加越来越合理 ,最终达到大幅度提高合金强 度的同时保持合金具有优良的综合性能 ,高强高韧铝 合金是航空航天主要结构材料之一 ,其典型性能见表 1 ,主要特点及应用情况见表 2 。
能好 , 两者 SCC 性
777 用作部分结构件
能相似
抗压和抗拉强度比 T7751 状态厚板 被波音 777 飞机选为
7055
7150 高 10 % , 断裂 韧 性 、耐 蚀 性 与
和挤压件
上翼结构材料
7150 相似
2 铝合金的微观组织结构
高强高韧铝合金的微观组织决定了其合金的宏观 性能 (抗拉强度 、断裂韧性 、抗腐蚀性能等) 。有关研 究[9～11]表明 :高强铝合金的基体沉淀相 (MPt) 、晶界沉 淀相 ( GBP) 和晶界无析出带宽度 ( PFZ) 的形状与特性 决定了合金的宏观性能 。
摘 要 : 对高强高韧铝合金的发展情况进行了全面的评述 。讨论了高强高韧铝合金微观组织与性能之间的关系 ,以及铝合金的主 要强化机制 。简要介绍了回归再时效 (RRA) ,固溶强化等热处理新技术 ,并就今后的研究开发提出了建议 。 关键词 : 高强高韧铝合金 ; 固溶强化 ; 回归再时效 (RRA) ;抗应力腐蚀性 (SCR)
图 1[13]是 7075 高强铝合金经 T6 热处理制度后的 微观组织照片 ,图 1 (a) 中 70752 T6 状态的晶界无沉淀 区 ( PFZ) ,宽约 60 nm ; 图 1 ( b) 为 70752 T6 状态的η′过 渡相的暗场像 ,η′相平均尺寸 d ≈ 4 nm。图 2[13] 为 7075 - T73 状态的微观组织 ,基体析出相 (MPt) 为η′过
第 23 卷第 5 期 2003 年 10 月
矿 冶 工 程
MINING AND METALL URGICAL ENGINEERING
Vol . 23 №5 October 2003
①
高强高韧铝合金的研究现状及发展趋势
刘昌斌 , 夏长清 , 戴晓元