航空制造：提高鋁合金性能

　　航空航天工業使用鋁及其合金生產零部件和蒙皮已經有幾十年了。今天，鋁和鋁合金是工業中最常使用的材料，用于制造先進的商用飛機，如波音777和空客380，以及諸如波音UCAV或波音F/A-18E/F(見圖1)等軍用飛機。這是因為鋁經熱處理后具有相對高的強度，易于成型復雜形狀和輕量化的零件。

　　7000系列的鋁合金通常用于鍛造厚度從0.6mm～250mm的產品。7075和7050合金，以及一些2024和2014合金則廣泛用于縱梁和其他結構的擠壓成型。2024、7475及7075的復合和非復合片用于機翼、機身蒙皮、隔板以及其他結構元素。通常用于制造大肋和隔板的，尤其在軍用飛機上，是7050和7040的大型鍛件。

　　為了最大程度地降低大型鍛件的成本，許多制造商正在考慮軋機熱處理的7050和7040板材。這就消除了加工后的熱處理，可以使零件的加工凈成型。不幸的是，沿著厚板的厚度方向有明顯的性能變化。鋁的熱處理需要嚴格的控制。由飛機機體制造商、供應商和熱處理操作工遵守的一系列規范的發展，是想獲得重復的結果，并提供高質量的產品。最廣泛使用的規范是AMS-2770“鋁部件的熱處理”。

　　鋁的熱處理

　　鋁合金分為可熱處理的或不可熱處理的，取決于合金是否會發生沉淀硬化。可熱處理的合金系如7000、6000、2000系列材料，與室溫下相比，這些鋁合金在高溫下顯示出更大的溶解度。在室溫(自然時效)或高溫下(人工時效)使用溶質的可控沉淀，可以優化這些合金的力學和耐腐蝕性能。

　　淬火

　　成核理論應用于擴散控制固態反應，有助于理解淬火過程中的非均相沉淀。淬火過程中發生的非均相沉淀的動力學依賴于溶質的過飽和程度和擴散速率，是溫度的函數。因此，當一種合金淬火后，會有較大的過飽和度(假設沒有溶質沉淀)。然而，作為溫度的函數，擴散速率會增加。在高溫下擴散速率最大。無論是過飽和或擴散速率為最小時，沉淀率也是最低的。

　　在中間溫度下，過飽和度和擴散率相對較高。因此，非均相沉淀率在中間溫度是最大的(見圖3)。在此臨界溫度范圍內，所花費時間的多少由淬火速率控制。淬火過程中產生的析出量削弱了后續發生加工硬化的可能。這是因為在淬火過程中，當溶質從溶液中析出時，失去了強度和延展性，它不可能參與任何進一步的沉淀反應。

　　鋁的時間與溫度抗拉性能曲線表明，75S的臨界溫度范圍為290℃-400℃。這與Al-Zn-Mg-Cu合金的臨界溫度范圍類似。在淬火速率超過100℃/s時可獲得最大的強度和耐腐蝕性。

　　自然時效

　　一些可熱處理的合金，特別是2000系列合金，在室溫下明顯硬化會產生有用的T3和T4回火。這些合金極限抗拉強度/屈服強度的比值較高。他們還具有優異的抗疲勞和斷裂韌性。性能的增加發生在從過飽和固溶體和淬火空位迅速形成的GP(吉尼爾·普雷斯頓)區。強度迅速增大，約96小時后性能漸趨穩定。

　　Al-Zn-Mg-Cu和Al-Mg-Cu系合金(7000和6000)的硬化機制和GP區的形成是相同的。然而，自然時效的性能不太穩定。對于7000系列的合金，保持在-40℃時，幾乎完全抑制的自然時效成為可能，可使得成形不發生性能變化。

　　人工時效

　　淬火后，大部分航空鋁合金進行的是人工時效，以獲得更大的強度。一般來說，沉淀發生的順序是群聚的空位、GP區、連貫的沉淀成核、非共格沉淀，最后是粗化的沉淀物。

　　沉淀硬化的機制是從高溫下(溶液熱處理溫度)快速冷卻之后，在恒溫(老化溫度)的情況下，硬度、屈服強度和極限強度隨時間急劇增加。快速淬火導致了過飽和固溶體的產生，提供了用于沉淀的驅動力。

　　沉淀硬化(老化)包括對合金鋁在200°F～450°F范圍進行加熱。在此溫度下，從固溶熱處理溫度下淬火得來的過飽和固溶體開始分解。最初在空位附近有群聚的溶質原子。一旦足夠的原子擴散到這些初始空位集群，連貫的沉淀物就形成了。

　　由于溶質的原子簇與鋁基體不匹配，因此應變場包圍了溶質集群。隨著更多的溶質擴散到集群，最終基體不再適應基體的不匹配，以及半連貫的沉淀形式，這是可實現的老化峰值或最高強度。

　　最后，在半連貫沉淀長到足夠大的尺寸時，基體便不再支持晶體學的不匹配，以及均衡的沉淀形式。圖8所示為7050，展示了從GP區的形成，到最終過度時效的均衡沉淀所發生的結構變化。

　　對淬火材料在95℃?205℃的范圍內進行加熱，加速了可熱處理合金的析出。在一般情況下，人工時效過程中發生的屈服強度的增加速度比極限抗拉強度快。這就意味著，該合金失去了延展性和韌性。T6的性能高于T4，但延展性卻降低了。

　　過度時效降低了抗拉強度，但也提高了耐應力腐蝕開裂性能。此外，還增強了抗疲勞裂紋增長的能力，并使該部分獲得了尺寸穩定性。

　　沉淀硬化曲線適用于最常見的合金。一般來說，時效溫度越高，達到最大性能所需的時間越短。當使用高的時效溫度以達到性能時，會迅速發生。出于這個原因，時效溫度通常較低，以確保整個負載獲得所需的時效溫度，而沒有由上升最快的鋁過度時效所造成的降低性能的風險。

　　變形發生

　　在鋁合金的熱處理過程中，變形是最常見的問題。淬火過程中發生變形的原因是在淬火過程中差熱應變的變化。這些熱應變的發展可以是從中心到表面，或從表面到表面的。此冷卻差異的發生可以歸因于大的淬火速率，使得其中心的冷卻比表面或部件表面的非均勻傳熱慢得多。

　　鋁需要高的淬火速率，以防止淬火過程中發生過早的非均相沉淀，并維持溶質的過飽和。鋁的線膨脹系數大約是鋼的兩倍(2.38x10-5mm/mm與1.12×10-5mm/mm相比)。這意味著鋁的溫度梯度導致變形和殘余應力的可能是同樣溫度梯度下的鋼鐵的兩倍。此外，在固溶熱處理溫度下，鋁不如鋼，而且更容易損壞。

　　這會導致作為溫度的函數的長度或體積的更大的變化，增加發生變形的概率。部件的成品是至關重要的。這些部件需要全力支持，負載覆蓋面積大，因為鋁的蠕變強度差。松散連接的部件將防止零件在固溶熱處理過程中撞擊對方。

　　零部件在進入淬火介質之前就應該進行淬火介質空氣動力學設計，以避免扭曲變形。這是因為鋁在固溶熱處理溫度是軟的，進入水時的流體靜力可以導致其變形。應該平緩地進入淬火介質，而不是猛地一下進入淬火介質，這樣靜水壓力就比較小。

　　使用聚亞烷基二醇(PAG)聚合物作為淬火介質控制和減少了變形。由AMS3025，這些淬火介質不是I型就是II型。I型淬火介質是單聚亞烷基二醇的聚合物，而II型淬火介質是多種分子量的亞烷基二醇聚合物。兩者分別提供不同的好處。

　　由于II型PAG淬火介質具有較高的分子量，在低濃度下是可用的。然而，Ⅱ型聚合物的濁點溫度較低，如果在到達淬火介質溫度(通常為80°F～100°F)前移除部件，會引起更大的拖延。

　　聚亞烷基二醇在水里具有逆溶解性，在室溫下可完全溶解，但在高溫下不溶。溶解度的溫度范圍為60℃～90℃，這取決于聚合物的分子量和結構。

　　這種逆溶解度現象改變了傳統的三級猝滅機制，為控制冷卻速度提供了極大的靈活性。在浸沒一個組件的初始階段，將溶液中緊鄰金屬表面的范圍加熱到上述逆溶解度溫度。聚合物變得不溶，且均勻的富含聚合物的薄膜封裝了部件表面。熱傳遞通過傳導發生，熱在部件所有表面快速和均勻地傳遞。該聚合物膜的穩定性和持續時間依賴于當前攪拌的溫度、濃度和量。

　　穩定的、富含聚合物的薄膜最終統一瓦解，冷卻介質進入，并與熱的金屬表面接觸。當表面溫度低于溶解度反向溫度時，聚合物就溶解，再次形成均勻的溶液(見圖7)。

　　通過改變濃度、冷卻介質的溫度、攪拌量，來改變這些聚合物的冷卻速度是可能的。通常情況下，濃度的變化抵消了攪拌的作用。聚合物濃度影響膜的厚度，隨著濃度的增加，最大冷卻速率降低。

　　攪拌對聚合物淬火有著重要的影響。它確保了部件周圍均勻的溫度分布，影響淬火速率。當攪拌程度增加時，富含聚合物的相持續時間變短，并最終消失，最大冷卻速率增加。

　　結語

　　鋁合金在航空航天領域的應用有著悠久的歷史，也有無數的其他地方使用這些合金，以在不犧牲強度的前提下減輕重量。適當的熱處理鋁合金將改善性能，可不斷擴大鋁的應用領域，并在現有的應用中提高其性能。