航空航天工業(yè)對輕量化部件的需求日益迫切，其中鋁合金自20世紀(jì)20年代以來一直是飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的最佳材料選擇。由于鋁合金具有優(yōu)異的性能，確保了飛機(jī)的長期使用壽命。此外，鋁合金具有良好的可回收性，減少資源消耗和環(huán)境負(fù)荷，符合可持續(xù)發(fā)展的原則。近年來，雖然復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，但高強(qiáng)度鋁合金仍處于不可缺少的地位。因此，本文綜述了航空航天常用鋁合金的研究進(jìn)展及其應(yīng)用。同時討論了鋁合金常用的強(qiáng)化方法和先進(jìn)的制造加工技術(shù)，為先進(jìn)高性能鋁合金的發(fā)展提供參考。

【研究亮點(diǎn)】總結(jié)了航空航天用鋁合金的進(jìn)展及具體應(yīng)用，并探討了其常用強(qiáng)化方法和先進(jìn)制造加工技術(shù)，為未來先進(jìn)高性能航空鋁合金的發(fā)展提供參考。

【圖文解析】

01 航空航天常用鋁合金的分類和應(yīng)用

1.1 鑄造鋁合金

鑄造鋁合金是從熔融狀態(tài)冷卻下來的一種鋁合金，無需其他加工，通過在不同的模具中冷卻可以得到各種形狀的零件?，F(xiàn)代飛機(jī)制造中使用的鋁合金零件約有2000種。如美國PPC公司制造的波音737前通道門精鑄件、行李廂門和襟翼軌道的鋁合金精密鑄造件、美國希區(qū)柯克公司生產(chǎn)的高品質(zhì)鋁合金客艙鑄件等。

1.2變形鋁合金

變形鋁合金是先用經(jīng)過熔煉澆鑄成鑄錠，再通過沖壓、彎曲、軋制、擠壓等塑性變形改變其組織和形狀的一種合金。與鑄造鋁合金相比，變形鋁合金合金元素含量更低，致密性更高，顯微組織更均勻，力學(xué)性能更好，但成本更高。在航空航天工業(yè)中，變形鋁合金比鑄造鋁合金應(yīng)用更廣泛、更關(guān)鍵，是重要的結(jié)構(gòu)材料。2xxx系列、7xxx系列和Al-Li合金(主要包括8xxx系列和部分2xxx系列)是使用最多的變形Al合金。廣泛應(yīng)用于中國C919、波音B777、空客A380等大型飛機(jī)的蒙皮、機(jī)翼、框架、底梁等位置。圖1a為各種變形鋁合金在民用飛機(jī)上的應(yīng)用比例。圖1b以波音777為例，展示了飛機(jī)不同部件使用的變形鋁合金，其中典型部件的不同載荷要求影響變形鋁合金的選擇。

圖1(a)各種變形鋁合金在民用飛機(jī)上的應(yīng)用比例；以及鋁合金在(b)波音777、(c)中國商飛C919和(d)日本轟-1火箭上的應(yīng)用。

2xxx系鋁合金：

20世紀(jì)50年代，2xxx系列鋁合金被納入飛機(jī)機(jī)翼和尾翼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，成為航空航天工業(yè)中常用的兩大合金家族之一。常見的2xxx系列鋁合金牌號有2017、2024、2219、2124、2224、2324、2424、2524等。其中，2017鋁合金是第一個工業(yè)應(yīng)用的2xxx系列鋁合金。另外，2xxx系列鋁合金的代表牌號2024鋁合金，其主要成分為Cu、Mg、Mn，并含有微量的Fe、Si。2024鋁合金主要用于機(jī)身、機(jī)翼、剪力桿、腹板等對強(qiáng)度要求較高的結(jié)構(gòu)件。后來，美國又研制出Cu元素含量高、幾乎不含Mg元素的2219鋁合金。該合金不僅具有優(yōu)良的可焊性，在低溫和室溫下具有良好的力學(xué)性能，而且在250~300℃的高溫下仍能保持高而穩(wěn)定的力學(xué)性能。在航空航天領(lǐng)域，常用于制造運(yùn)載液氧、液氫等低溫燃料的儲罐，特別是火箭儲罐。此外，由于Fe和Si雜質(zhì)的存在，2024合金中容易形成較厚的脆性雜質(zhì)相，顯著影響了厚板的斷裂韌性和短橫向性能。因此，為了解決這一問題，從20世紀(jì)60年代到90年代末，美國和前蘇聯(lián)在2024合金的基礎(chǔ)上，通過降低Fe和Si雜質(zhì)含量和調(diào)整合金元素含量，開發(fā)了一系列高強(qiáng)韌的Al-Cu-Mg合金，如2124、2224、2324、2424和2524鋁合金。高強(qiáng)度2124合金可用于制造整體式、大斷面飛機(jī)主要承重結(jié)構(gòu)和承壓部件。此外，通過調(diào)整合金成分和熱處理工藝，2224-T351和2324-T39合金的開發(fā)和使用在減輕飛機(jī)重量、提高飛機(jī)強(qiáng)度和韌性方面取得了重大突破。現(xiàn)在，2524合金取代了2024合金，成為波音777飛機(jī)的機(jī)身外殼。2524合金的疲勞試驗(yàn)表明，其疲勞強(qiáng)度占70%的屈服強(qiáng)度，而2024-T351合金的疲勞強(qiáng)度約為45%的屈服強(qiáng)度。圖5a顯示了近年來用于下翼蓋的合金的演變。從圖中可以看出，首次使用的合金為2024-T3，后來逐漸被2324-T39、2624-T351、2624-T39合金所取代，其中2624-T39合金的斷裂韌性比2024-T3合金高約1.7倍。有趣的是，近年來含鋰2xxx系列合金具有很大的發(fā)展?jié)摿?。新?199和2060板合金正在逐步取代傳統(tǒng)的2X24合金。與2024-T3相比，鋁鋰合金具有較大的16韌性的提高。例如，2060-T8E86合金的韌性比2024-T3合金高約2倍。圖2b顯示了上述常用合金的力學(xué)性能。

圖2(a)飛機(jī)下翼罩合金的改進(jìn)；(b)幾種常見的2xxx系列鋁合金的性能柱狀圖。

7xxx系鋁合金：

7xxx系列鋁合金是一種以鋅為主要合金元素，并含有部分Mg、Cu元素的可熱處理鋁合金。在鋁合金中單獨(dú)添加Zn對強(qiáng)度的影響非常有限，合金的應(yīng)用受到應(yīng)力腐蝕開裂的限制。在Al合金中同時加入Zn和Mg元素，形成時效硬化相MgZn2和Al2Mg3Zn3相，對合金的強(qiáng)化作用顯著。此外，添加微量Cu可以顯著提高時效初期的硬化速率和析出相密度，從而顯著提高合金的強(qiáng)度。另外，在MgZn2相中引入Cu原子可以提高材料的抗應(yīng)力腐蝕能力，減小晶界和晶粒之間的電位差，從而提高材料的抗晶間腐蝕能力。7xxx系列鋁合金一般為超高強(qiáng)度鋁合金，抗拉強(qiáng)度超過500MPa，也被稱為超硬鋁合金，是所有鋁合金中強(qiáng)度最高的合金。圖3(a)比較了幾種7xxx系列鋁合金與2xxx系列鋁合金的性能。鑒于7xxx系列鋁合金比2xxx系列具有更高的強(qiáng)度，7xxx系列鋁合金通常用于對強(qiáng)度要求較高的部件，如上翼面、機(jī)身弦、框架等。圖3(b-d)顯示了幾種7xxx系列合金在航空航天領(lǐng)域的一些應(yīng)用。可以看出，7xxx系列鋁合金主要用于一些承重結(jié)構(gòu)。常用的7xxx系列鋁合金牌號有7075、7475、7050、7150、7055、7085。其中，超高強(qiáng)度7075-T6鋁合金在B-29轟炸機(jī)上的成功應(yīng)用，是7xxx系列鋁合金發(fā)展的第一個里程碑。然而，當(dāng)飛機(jī)開始使用厚大斷面結(jié)構(gòu)時，7075-T6合金的損傷容限低，耐腐蝕性和斷裂韌性差，限制了其在航空航天工業(yè)中的應(yīng)用。因此，研究人員試圖優(yōu)化熱處理工藝(開發(fā)了7075-T73,T76,T74,T651)并調(diào)整合金成分以提高合金性能。此外，通過降低硅和鐵等雜質(zhì)含量可以提高合金的性能，特別是斷裂韌性。主要原因是Fe和Si雜質(zhì)的存在，往往導(dǎo)致形成堅(jiān)硬厚實(shí)的金屬間化合物，容易出現(xiàn)微米級裂紋。1969年，美國鋁業(yè)公司在7075合金的基礎(chǔ)上，通過減少Si、Fe等雜質(zhì)的量，開發(fā)出了一種高純度、高強(qiáng)度的鋁合金，稱為7475合金。斷裂韌性是7xxx系列鋁合金中最高的。常用于飛機(jī)機(jī)身、翼蒙皮、機(jī)翼中央結(jié)構(gòu)、翼梁、艙壁、擋板、直升機(jī)殘艙板、起落架門等。起落架門等。后來，為了獲得更好的綜合性能，Alcoa用Zr代替Cr來細(xì)化晶粒，同時增加Cu元素的含量和Zn與Mg的質(zhì)量比，在1971年研制成功7050合金。7050合金成功應(yīng)用于F/A-18戰(zhàn)斗機(jī)和波音777客機(jī)的壓縮結(jié)構(gòu)中。隨后，1978年，美國鋁業(yè)公司在7075合金的基礎(chǔ)上，通過降低雜質(zhì)(Fe,Si)的含量，使Zn,Mg,Cu合金元素的含量保持在7075成分范圍的上限內(nèi)，成功研制出7150合金。該合金主要用于波音757/767和空客A301等大型民用飛機(jī)的上翼結(jié)構(gòu)。上世紀(jì)90年代，美國以7150合金為基礎(chǔ)研制出7055，綜合性能更好，用于波音777客機(jī)的上翼蒙皮和翼弦。2003年，美國鋁業(yè)公司開發(fā)了新一代高強(qiáng)度7085鋁合金。7085鋁合金鋅鎂比高，具有較高的強(qiáng)度、塑性和良好的淬透性。目前，7085鋁合金主要用于制造A380飛機(jī)整體大型結(jié)構(gòu)的翼梁、肋等大型鍛件，該結(jié)構(gòu)長6.4m，寬1.9m，重3900kg。

圖3(a)航空航天用不同鋁合金的力學(xué)性能比較；(b)7075合金用于機(jī)翼；(c-d)樓板梁板和由樓板梁加工成的截面結(jié)構(gòu)。

鋁鋰合金：

鋁鋰合金是在鋁合金中加入鋰而形成的一種可熱處理的合金。鋁鋰合金按化學(xué)成分可分為2xxx系列、5xxx系列和8xxx系列鋁合金。鋰的密度只有0.53 g/cm3，使其成為自然界中最輕的金屬元素，并使鋁鋰基合金成為最輕的鋁基合金。采用鋁鋰合金代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋁合金，可使結(jié)構(gòu)重量減輕10%-20%。當(dāng)添加1 wt.%的Li時，鋁合金的密度降低了3%，楊氏模量也提高了6%。此外，添加Li可以在合金基體中形成Al3Li、AlxCuLi和AlMgLi強(qiáng)化相，可以顯著強(qiáng)化合金。第一代鋁鋰合金是在20世紀(jì)50年代由美國鋁業(yè)公司開發(fā)的，代表牌號為2020，用于RA-5C預(yù)警機(jī)和海軍A3J偵察機(jī)的機(jī)翼。但由于其耐熱性差、塑性韌性差、缺口敏感性高，在航空領(lǐng)域尚未得到推廣。20世紀(jì)70年代至80年代，能源危機(jī)的發(fā)生促進(jìn)了第二代鋁鋰合金的發(fā)展。具有代表性的牌號有1420、2090、8090、2091等，廣泛應(yīng)用于航空航天和軍事領(lǐng)域。例如，俄羅斯研制的1420合金廣泛應(yīng)用于米格-29的機(jī)身、油箱、機(jī)艙以及蘇-27、蘇-35、蘇-37、A-124、雅克-36等軍用飛機(jī)以及一些遠(yuǎn)程導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部的殼體。美國鋁業(yè)公司開發(fā)的2090合金用于F-18飛機(jī)的探測器蓋，以及EH101、EF2000、陣風(fēng)、雅克等飛機(jī)。由歐洲鋁協(xié)會開發(fā)的8090合金用于AgustaWestland EH101直升機(jī)的弦、機(jī)身蒙皮和框架(圖7a)，美國F-15飛機(jī)的機(jī)翼蒙皮，幻影戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)身結(jié)構(gòu)和弦以及歐洲實(shí)驗(yàn)戰(zhàn)斗機(jī)FEA2000和泰坦火箭(圖4b)。法國Pechiney公司開發(fā)的2091-T8X Al-Li合金可以替代2024-T3合金。然而，由于鋰含量高(22 wt.%)，這一代鋁合金仍有許多缺點(diǎn)，如各向異性大，韌性和可焊性差。后來研究人員發(fā)現(xiàn)加入Ti能夠使鋁合金的晶粒得到較大細(xì)化。加入Mg元素促進(jìn)Cu原子的運(yùn)動，誘導(dǎo)析出相(T1-Al2CuLi，θ′-Al2Cu)的成核。加入Zn具有固溶強(qiáng)化和時效強(qiáng)化的作用，同時提高Al-Li合金的耐腐蝕性。添加Zr和Mn元素可以達(dá)到控制再結(jié)晶和織構(gòu)的目的。此外，Ag、Fe、Si、Na和K元素也參與了Al-Li合金的性能改善。

因此，在上述對鋁鋰合金合金化研究的基礎(chǔ)上，第三代鋁鋰合金應(yīng)運(yùn)而生。與第二代相比，第三代具有更復(fù)雜和優(yōu)化的化學(xué)成分和更低的鋰含量(0.75 wt.%-1.8 wt.%)。在性能方面，該合金具有低各向異性、優(yōu)良的耐蝕性、可焊性、抗疲勞性以及強(qiáng)度與韌性的協(xié)調(diào)性。代表牌號有2195、2196、2297、2397、2198、2099、2199、2050、2060、2055等。第三代鋁鋰合金在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用更為廣泛。例如，1994年，美國洛克希德·馬丁公司為解決奮進(jìn)號航天飛機(jī)外儲箱超重問題，研制了一種新的2195合金，取代原有的2219合金，使飛機(jī)的運(yùn)載能力提高了3.4 t。后來，2195板也被用于制造超輕型燃料箱，用于發(fā)現(xiàn)號航天飛機(jī)。A380-800型飛機(jī)主客艙橫梁采用2196合金鍛件。2297和2397合金被用于洛克希德·馬丁公司的F-16艙壁和軍用飛機(jī)的其他部件。2198合金板用于形成獵鷹9號火箭的燃料箱。2099和2199合金廣泛應(yīng)用于A380、A350和波音787等客機(jī);例如2099結(jié)構(gòu)件常用于機(jī)身、樓板梁、座軌，2199常用于機(jī)身蒙皮等。機(jī)身、地板梁、座椅導(dǎo)軌、2199常用于機(jī)身蒙皮等。2050大板被用作機(jī)身壁板的組成部分。2011年和2012年開發(fā)的2060和2055合金通常用于機(jī)身和上下翼結(jié)構(gòu)。此外，俄羅斯還研制了1450、1460、1464、1469、1420和1421合金。1460鋁鋰合金可用于制造能源運(yùn)載火箭的低溫儲罐。中國還成功地將鋁鋰合金用于“天宮一號”飛船(圖4c)和C919客機(jī)(圖4d-e)的資源模塊和太陽能電池翼。此外，圖4f-g顯示了Al-Li合金在空客A380上的典型應(yīng)用。隨著鋁鋰合金的發(fā)展和成形技術(shù)的日益成熟，鋁鋰合金在航天工業(yè)中的應(yīng)用尤為突出。

圖4 Al-Li合金在Agusta-Westland EH101直升機(jī)上的應(yīng)用；(b)土衛(wèi)六火箭；(c)“天宮一號”資源艙和太陽能電池翼。(d)C919機(jī)身梁架用2099和2196合金擠壓型材；(e)航天飛機(jī)外燃料箱用2090合金擠壓加筋板；(f)A380樓板梁；(g)第三代鋁鋰合金在運(yùn)輸機(jī)上的應(yīng)用。

Al-Li合金的拉伸性能、耐腐蝕性能和抗疲勞性能如圖8所示。從圖5a可以看出，第三代Al-Li合金的拉伸性能優(yōu)于前兩代合金。此外，它們具有與2xxx和7xxx系列合金相當(dāng)甚至更高的強(qiáng)度，彈性模量(E)，以及更高的耐腐蝕性(圖5b)。圖5c可以看出Al-Li合金表現(xiàn)出優(yōu)異的抗疲勞性能，特別是2297合金在高應(yīng)力條件下具有較高的循環(huán)次數(shù)，其疲勞壽命可達(dá)250 MPa。

圖5(a)Al-Li、2xxx和7xxx系列鋁合金拉伸性能對比；(b)Al-li合金與2xxx、7xxx系列鋁合金的耐蝕性比較；(c)幾種Al-Li、2xxx系列和7xxx系列合金的S-N曲線。

1.3 顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料

顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料(AMCs)由于其重量輕、密度低、熱膨脹系數(shù)低、耐磨性和抗疲勞性優(yōu)異、制備工藝簡單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天結(jié)構(gòu)件中的應(yīng)用越來越廣泛，包括飛機(jī)機(jī)翼、發(fā)動機(jī)整流罩、火箭發(fā)動機(jī)鑄件、天線罩等。同時，由于重量輕，耐高溫和韌性的特點(diǎn)，AMCs適合在極端環(huán)境中使用。典型的應(yīng)用包括中國嫦娥五號探測器上的鉆桿樣品(圖9a-b)和玉兔二號月球車的輪爪(圖6c)，兩者都是由碳化硅(SiC)顆粒增強(qiáng)的。由于缺乏穩(wěn)定的大氣層和磁場，月球表面長期受到高能粒子和太陽風(fēng)的困擾。因此，化學(xué)反應(yīng)和同位素變化在月球土壤中不斷發(fā)生?！版隙鹞逄枴便@桿采用碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制成，具有優(yōu)異的耐腐蝕性能、優(yōu)異的剛度和耐磨性以及耐低溫性能，克服了復(fù)雜的月球土壤成分。此外，月球日溫度偏差約為127℃~183℃，具有高尺寸穩(wěn)定性和高彈性模量的SiC顆粒增強(qiáng)AMCs能夠承受月球表面高低溫交替環(huán)境而不變形。因此，SiC顆粒增強(qiáng)的AMCs在保持和提高普通鋁合金綜合性能的同時，具有優(yōu)異的高剛性、高強(qiáng)、低熱膨脹性能。此外，氧化膜對鉆桿表面具有一定的保護(hù)作用，這些條件使鉆桿能夠滿足月球惡劣環(huán)境的要求。此外，F(xiàn)esO-SiC納米顆粒的加入可以增強(qiáng)合金的軟磁性能，F(xiàn)esO-SiC納米顆粒增強(qiáng)的AMC被廣泛應(yīng)用于Al磁性應(yīng)用環(huán)境所需的航空航天領(lǐng)域。

圖6 Al基復(fù)合材料典型應(yīng)用：(a-b)嫦娥五號和嫦娥五號鉆桿；(c)玉兔2號月球車；(d)雙結(jié)構(gòu)Al3Ti顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的拉伸性能；(e1-e2)不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)n-B4C/Al和m-B4C/Al增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的拉伸性能；TiCx-TiB2增強(qiáng)2014鋁合金在(f1)298 K、(f2)493K和(f3)573K下的拉伸性能。

02 先進(jìn)鋁合金成形和加工方法的特點(diǎn)和航空航天應(yīng)用的可能性

目前，航空航天鋁合金仍處于開發(fā)階段。許多研究人員對新的成形和加工方法進(jìn)行了大量的研究，如增材制造(AM)、快速凝固(RS)、劇烈塑性變形(SPD)和粉末冶金(PM)。

2.1增材制造

增材制造，又稱3D打印，是以金屬粉末或線材為原料，以計(jì)算機(jī)三維數(shù)據(jù)模型為基礎(chǔ)，以激光、電子束、電弧和等離子束為工具，在軟件和數(shù)控系統(tǒng)的控制下，逐層熔化材料的一種新技術(shù)36層來生產(chǎn)高性能結(jié)構(gòu)。這種方法可以提高設(shè)計(jì)的靈活性，從而實(shí)現(xiàn)零件成形后很少或不需要加工的復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)。最常用的金屬增材制造技術(shù)包括粉末床熔融(PBF)和直接能量沉積(DED)(圖7a-b)。首先，PBF包括將特定厚度的金屬粉末鋪在機(jī)器的建筑板上，然后使用激光或電子束作為熱源選擇性地熔化或燒結(jié)在粉末層內(nèi)所需的區(qū)域。它主要包括直接金屬激光燒結(jié)(DMLS)、選擇性激光熔化(SLM)和電子束熔化(EBM)。DMLS不是將粉末熔化，而是將粉末加熱到可以在分子水平上融合在一起的程度。而SLM則使用激光實(shí)現(xiàn)金屬粉末的完全熔化，從而得到均勻的零件。EBM使用高能光束或電子來啟動金屬粉末顆粒之間的熔化，并且具有更高的構(gòu)建速率。DED是指在粉末或電線沉積時通過熔化來制造零件。主要包括激光工程凈成形(LENS)和絲弧增材制造(WAAM)兩種方法。主要的LENS裝置是由激光頭、粉末分布噴嘴和惰性氣體管組成的沉積頭。高能激光束聚焦在金屬基體上形成熔池。同時，粉末從配粉噴嘴噴出，同步送入熔池快速熔化凝固。這種方法也被稱為激光固體成形(LSF)，激光金屬沉積(LMD)或直接金屬沉積(DMD)。WAAM采用電弧作為熱源，電弧在基材熔化時以珠狀擠壓到基材上。當(dāng)珠子粘在一起時，它們形成一層金屬材料，這個過程不斷重復(fù)，直到完成。對于金屬部件的增材制造，WAAM具有測量精度高、沉積效率高等優(yōu)點(diǎn)，是生產(chǎn)大型鋁合金的有效途徑。

近年來，隨著增材制造技術(shù)的快速發(fā)展及其在質(zhì)量、性能、效率和成本等方面的優(yōu)勢，這一新興制造技術(shù)已被引入航空航天等領(lǐng)域。然而，由于某些特殊的物理性質(zhì)，鋁合金的增材制造受到了限制。首先，鋁合金通常對激光波長具有較高的反射率，這使得金屬粉末無法吸收足夠的激光能量，導(dǎo)致熔化不足，熔體潤濕性差。并最終導(dǎo)致增材制造后合金密度低、性能差。其次，某些硬化合金，如7xxx系列鋁合金，含有Zn等揮發(fā)性強(qiáng)的元素，會引起熔池湍流、飛濺和氣孔，導(dǎo)致合金的可熔性差。第三，蒸汽壓與Al相差很大的元素，如Mg和Li在真空條件下會汽化，導(dǎo)致單質(zhì)燃燒。第四，AM合金容易形成柱狀晶粒，導(dǎo)致組織和性能的各向異性嚴(yán)重。盡管存在上述問題，鋁合金增材制造技術(shù)仍因其顯著的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢而成為研究的熱點(diǎn)。目前，增材制造中使用的主要鋁合金是Al-Si合金，其中流動性好的AlSi10Mg和AlSi12已被廣泛研究。圖7c為用AISi10Mg合金AM法制備的衛(wèi)星天線支架。然而，由于Al-Si合金鑄造鋁合金的材料性質(zhì)，雖然采用優(yōu)化后的激光增材制造工藝進(jìn)行制備，但UTS難以超過400MPa，這限制了其在航空航天等領(lǐng)域?qū)π阅芤筝^高的承載部件中的應(yīng)用。為了進(jìn)一步獲得更高的力學(xué)性能，近年來許多研究人員加快了研究開發(fā)的步伐，大量的高強(qiáng)度鋁合金如專用于增材制造的2xxx系列、7xxx系列合金以及其他鋁合金相繼問世?？罩锌蛙嚬鹃_發(fā)了世界上第一種用于航空鋁合金零件增材制造的特殊添加劑高強(qiáng)度鋁合金粉末材料Scalmalloy(圖7d)，其室溫抗拉強(qiáng)度為520MPa，已應(yīng)用于A320飛機(jī)客艙結(jié)構(gòu)件的增材制造。休斯研究實(shí)驗(yàn)室(HRL)開發(fā)的用于3D打印的7A77.60L鋁合金強(qiáng)度超過600MPa，是第一個可用于AM的鍛造等高強(qiáng)度鋁合金。美國宇航局的馬歇爾太空飛行中心已經(jīng)開始將這種材料應(yīng)用于大規(guī)模的航空航天部件生產(chǎn)。據(jù)悉，中國中車工業(yè)研究院設(shè)計(jì)研發(fā)的新型3d打印高強(qiáng)度鋁合金突破了空客公司的專利限制，穩(wěn)定抗拉強(qiáng)度達(dá)560MPa以上，明顯優(yōu)于空客公司Scalmalloy鋁合金粉末的打印性能?？梢詽M足軌道交通裝備、航空航天等高端制造零部件的3D打印需求。

圖7(a)LPBF和(b)WAAM過程示意圖;(c)采用AISi10Mg合金增材制造制備的衛(wèi)星天線支架;(d)鱗狀合金飛機(jī)艙壁;(e)增材制造制備的2xxx、7xxx和Al-Li系合金的拉伸性能比較。

2.2快速凝固

快速凝固或亞快速凝固(SRS)技術(shù)是指凝固速度遠(yuǎn)高于常規(guī)鑄造的凝固過程。該技術(shù)可以提高合金的固溶度，細(xì)化組織，減少偏析，形成亞穩(wěn)相。雙輥鑄造(TRC)和噴射成形(SP)是兩種重要的RS技術(shù)。SP技術(shù)是將金屬液體經(jīng)惰性氣體霧化后沉積在襯底上形成特定形狀的沉積毛坯的工藝，近年來該技術(shù)已被用于7055等多種鋁合金的生產(chǎn)(圖8a)。該技術(shù)的創(chuàng)新之處在于降低了氧化物含量，解決了宏觀偏析、微觀組織粗化、開裂等凝固問題。此外，噴涂制備的合金經(jīng)過均質(zhì)化處理后可以溶解更多的溶質(zhì)元素。圖8總結(jié)了一些鋁合金的SP拉伸性能。通過對比上述鋁合金型材或板材的性能，可以看出SP生產(chǎn)的鋁合金性能要好得多。因此，SP技術(shù)在航天鋁合金的應(yīng)用中具有非常重要的價(jià)值。

圖8(a)噴射成型工藝示意圖和(b)部分2xxx、7xxx和Al-Li系合金的拉伸性能。

2.3大塑性變形

除了合金的成形過程外，機(jī)械加工技術(shù)對提高合金的性能和調(diào)整合金的顯微組織也起著非常重要的作用合金。近年來，大塑性變形(SPD)技術(shù)作為一種新的處理策略，可以實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化，獲得超細(xì)晶粒(UFG)，具有顯著的性能增強(qiáng)潛力。在SPD過程中，晶粒細(xì)化和位錯強(qiáng)化同時發(fā)生，這是SPD強(qiáng)化的主要機(jī)制。到目前為止，研究人員已經(jīng)提出了許多不同的SPD強(qiáng)化鋁合金的方法，包括等通道角壓(ECAP)、高壓扭轉(zhuǎn)(HPT)、累積疊軋(ARB)、攪拌摩擦處理(FSP)等。以上四種大塑性變形方法示意圖如圖9所示。ECAP的主要原理是將樣品壓入具有兩個相等截面的模具中。在外荷載作用下，試樣通過純剪切實(shí)現(xiàn)較大的塑性變形。動態(tài)應(yīng)變時效。HPT方法是一種特殊的塑性變形過程，通過主動摩擦在可變形體的橫截面上施加扭矩，同時在可變形體的高度方向施加壓力。在高溫高壓變形過程中，合金中引入了高密度位錯。這些位錯相互纏繞并積聚形成一個邊界。位錯密度較低的區(qū)域被分開形成位錯胞。隨著應(yīng)變的增大，相鄰位錯胞的取向差增大，形成超細(xì)晶粒。研究表明，高溫高壓熱處理在強(qiáng)化合金中起著非常重要的作用。ARB技術(shù)克服了ECAP和HPT生產(chǎn)率低、工件尺寸小的局限性。將一塊金屬片切成大小相同的兩半，然后將兩半卷在一起，使金屬片恢復(fù)到原來的厚度。在疊放板材之前，接觸面需要進(jìn)行脫脂和鋼絲刷。這一系列的操作(滾動，切割，刷刷和堆積)是重復(fù)的，因此最終在板材上積累了很大的應(yīng)變，從而產(chǎn)生了UFG金屬材料。該技術(shù)在標(biāo)準(zhǔn)軋機(jī)上易于實(shí)現(xiàn)，具有良好的工業(yè)應(yīng)用前景。FSP是一種通過機(jī)械攪拌和摩擦熱對合金進(jìn)行動態(tài)再結(jié)晶(DRX)的技術(shù)，以產(chǎn)生具有高比例HAGB的等軸細(xì)晶組織。這是一種有價(jià)值的方法，可以在保證高強(qiáng)度的同時大大提高延性，解決傳統(tǒng)的強(qiáng)度-延性權(quán)衡問題。

圖9四種大塑性變形方法示意圖:(a)ECAP，(b)HPT，(c)ARB，(d)FSP;(e)一些2xxx、7xxx和Al-Li系列合金的拉伸性能。

2.4粉末冶金

粉末冶金是以金屬粉末(或金屬粉末與非金屬粉末的混合物)為原料，通過成形和燒結(jié)，制造金屬材料、復(fù)合材料和各類產(chǎn)品的一門先進(jìn)技術(shù)。其過程包括粉末混合、壓實(shí)和燒結(jié)。與傳統(tǒng)攪拌鑄造工藝相比，具有制造工序少、材料利用率高、尺寸精度高等優(yōu)點(diǎn)。此外，PM技術(shù)可以增加合金元素的過飽和，細(xì)化組織，消除合金的偏析。因此，粉末冶金是一項(xiàng)具有廣闊工業(yè)應(yīng)用前景的技術(shù)。然而，粉末冶金制備的鋁合金也存在一些問題。由于合金內(nèi)部的氣孔不能消除，產(chǎn)品通常表現(xiàn)出較差的機(jī)械性能。為了解決上述問題，研究人員提出了添加合金元素和塑性變形的方法，如擠壓、鍛造、軋制等。

最重要的是，除了添加微量合金元素的方法外，許多研究者還通過添加含量較高的過渡金屬元素(如Fe、V、Cr、Co等)開發(fā)了一些PM高溫合金，如Al-Fe-Ce、Al-Fe-V-Si、Al-Fe-Mo-Si、Al-Ti-Fe等。這些合金具有較低的析出粗化率和較高的高溫強(qiáng)度，有可能在150-350°C的溫度范圍內(nèi)取代鈦合金和鋼用于航空航天應(yīng)用。Al-Fe-V-Si和Al-Fe-Mo-Si合金是PM高溫合金的代表。對比2024和2219等傳統(tǒng)鋁合金，Al-Fe-V-Si和Al-Fe-Mo-Si高溫鋁合金在200-400℃時具有更高的抗拉強(qiáng)度(圖10)。

圖10 RS/PM高溫鋁合金與部分傳統(tǒng)鋁合金抗拉強(qiáng)度隨溫度變化的對比。

【主要結(jié)論】

航空鋁合金的發(fā)展主要集中在輕量化和提高強(qiáng)度、塑性、耐腐蝕、抗疲勞等綜合性能上。具體的發(fā)展方向包括以下幾個方面。首先，通過調(diào)整合金成分和開發(fā)新的熱處理方法，對析出相的類型、數(shù)量、形態(tài)和分布進(jìn)行設(shè)計(jì)，以獲得滿足不同領(lǐng)域和復(fù)雜環(huán)境需要的性能要求的鋁合金。其次，可以開發(fā)顆粒增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料和由微量顆粒調(diào)控的鋁合金，以實(shí)現(xiàn)鋁合金更好的性能和輕量化要求。此外，未來的航空航天工業(yè)將越來越依賴先進(jìn)的制造技術(shù)來提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。因此，迫切需要發(fā)展增材制造、超塑性成形、快速或亞快速凝固等先進(jìn)的鋁合金加工制造工藝。