铝合金在民用飞机关键构件上的应用：帮你定位自己的研究方向

铝合金以其杰出的性能、成熟的设计方法、制造工艺和可靠的检测技术，已成为飞机结构件的主要材料。近十年来，虽然复合材料因其轻量化、抗疲劳和耐腐蚀，不断替代铝合金材料，开始广泛应用于大型商用喷气客机的机身、机翼和其他结构部件，在一定程度上减少了铝合金的应用，但高强度铝合金在机身结构中仍然很重要。

图1 A380蒙皮

铝是一种相对较低成本、重量轻的金属，可以热处理并承受较高的应力水平，是最容易生产的高性能材料之一，从而降低了制造和维护成本。

近年来，飞机用铝合金取得了重要进展，可以有效地与现代复合材料竞争，如2XXX系和7XXX系列铝合金以及新一代铝锂合金。

降低飞机采购和运营成本已成为许多航空公司的发展新材料的源动力。降低成本可以通过降低油耗、维护成本、运营成本、定期控制频率、延长使用寿命和一次载客量来实现。飞机制造商正在减轻飞机重量，降低油耗，增加有效载荷，增加航程。改进和优化材料的力学性能可以增加维修间隔，降低维修成本。

材料显著影响成本，机体制造商和材料生产商都致力于开发新材料以满足飞机发展的要求。当前最大的挑战是开发可用于机身和机翼结构的材料，同时提高结构性能并降低寿命周期成本。

降低材料密度是降低飞机重量的有效途径。密度的降低比拉伸强度、弹性模量或损伤容限的增加有效3-5倍。机身耐久性是另一个直接影响成本的参数。据估计，飞机30年寿命期内的服务和维护成本将超过原始购买价格的两倍。因此，无论是材料生产商还是飞机设计人员都在努力减轻飞机重量，提高新型合金的损伤容限、疲劳和耐腐蚀性。不久的将来，主要飞机结构将显著延长使用寿命，并缩减检查频率。

铝合金由于出众的力学性能、易于设计、成熟的制造工艺和检测技术，近80年来一直是商用和军用飞机的主要结构材料，并将在未来一段时间内重新成为主要材料。然而，由于非金属材料具有优异的强度性能，这成为铝合金的一个非常有竞争力的替代品。因此，铝生产商需要继续投资，并在提高其生产的铝合金的热机械性能方面作出巨大努力。

密度、强度、杨氏模量、抗疲劳性、断裂韧性和耐腐蚀性都是需要提高的重要参数。根据所考虑的特定成分，材料性能必须优于聚合物复合材料。化学成分和工艺控制着铝合金的微观组织特征，如析出物、再结晶晶粒大小和形状、晶粒织构和金属间化合物颗粒。这些特性影响铝合金的物理、机械和腐蚀特性。

因此，与飞机设计师密切合作的材料生产商可以设计不同类型的合金，其物理和机械性能已根据特定需求进行了定制。例如，机翼的上侧在飞行时主要承受压缩载荷，但在静重和滑行时也暴露在张力下，而机翼的下半部分则相反，因此需要仔细优化抗拉和抗压强度特性。损伤容限、疲劳和耐腐蚀性也使选择和优化更具挑战性。 

图2 民用飞机机翼

在波音777的设计过程中，要求制造商改进上翼结构。上翼结构需要较高的压缩屈服强度，同时提高耐腐蚀性也是必要的。就机身而言，需要比现有的2024-T3更高的损伤容限和耐久性。考虑到设计师的需要，铝制造商开发了7055-T7751板和7055-T77511挤压件，用于上翼结构，以及包铝2524-T3板和2524-T351板用于机身蒙皮。他们还为机身结构的支撑构件开发了7150-T7751挤压件。这些材料的应用为波音777节省了数千磅的重量。

图3 波音777客机

飞机制造商也在努力减少新飞机的零部件数量。这些需要可以通过应用几种方法来满足。第一种方法是生产具有与薄板相当疲劳和断裂特性的大厚板。第二种方法是改进连接技术，例如摩擦搅拌焊接，允许制造可用于机翼和机身蒙皮的大型整体加筋板。

目前，7000系列铝-锌合金用于主要极限设计参数为强度的场合；2000系列铝-铜合金用于需要疲劳性能的情况，因为这些合金具有更大的损伤容限，而铝-锂合金则用于需要高刚度和低密度的场合。

铝-铜（2000系列）合金是用于机身结构的主要铝合金，其主要设计标准是损伤容限。与其它系列铝合金相比，含镁2000系列铝铜合金由于Al2Cu和Al2CuMg相的析出而具有更高的强度、更高的损伤容限和良好的抗疲劳裂纹扩展能力。2024和2014是铝-铜-镁合金的重要代表。众所周知，由于不同的加载条件，机身的每个部件都需要不同的材料特性，以实现最佳和可靠的设计。

图4 2024铝合金微观组织

机身受到机舱压力（张力）和剪切载荷的影响，纵向纵梁由于弯曲而受到纵向张力和压缩载荷的影响，周向框架必须保持机身形状并将载荷重新分配到蒙皮中。强度、刚度、疲劳裂纹萌生阻力、疲劳裂纹扩展速率、断裂韧性和耐腐蚀性都很重要，但断裂韧性（抗裂纹扩展）通常是极限设计参数。

机翼可被视为悬臂梁，在飞行过程中承受弯曲载荷，同时也承受扭转载荷。机翼同时支撑飞机的静态重量和在使用中承受的任何附加载荷。额外的机翼载荷也来自滑行、起飞和着陆过程中的起落架，以及起飞和着陆过程中为了产生额外的低速升力而展开的翼面和板条的前缘和后缘。机翼上表面主要由于飞行时的向上弯曲力矩而承受压缩载荷，但在滑行时可能承受拉伸载荷。

2024-T3是机身结构中应用最广泛的合金之一。它具有中等的屈服强度，很好的抗疲劳裂纹扩展和良好的断裂韧性。2024铝合金由于其优异的损伤容限和在T3时效条件下的高抗疲劳裂纹扩展能力，仍然是一种重要的飞机结构材料。低屈服应力水平和相对较低的断裂韧性限制了该合金在高应力区域的应用。众所周知，夹杂对疲劳裂纹扩展有很大的影响。通过减少杂质，特别是铁和硅，可以获得更高的断裂韧性值和更好的抗疲劳裂纹萌生和扩展能力。

对于机身应用，2524-T3合金的断裂韧性提高了15-20%，疲劳裂纹扩展抗力提高了2024-T3的两倍。这种改进可以减轻重量，延长30-40%的使用寿命。在波音777飞机上，2524铝合金已经取代2024。对2524合金的疲劳强度为屈服强度的70%，而对于2024-T351，疲劳强度约为屈服强度的45%。

对于下机翼蒙皮应用，2224-T351和2324-T39合金提供的强度值高于现有的2024-T351，具有相似的断裂韧性和耐腐蚀性。与2024年相比，2224-T351和2324-T39合金的成分和工艺变化均导致性能改善。较低体积分数的金属间化合物提高了断裂韧性。

在2224-T351中，最大铁含量为0.12%，硅含量为0.10%，而在2024年，这两种杂质的含量为0.50%。基于2024新开发的一种2026铝合金，含有较少的杂质，如铁和硅。此外，2026含有少量锆，抑制再结晶。与2024和2224相比，2026具有更高的损伤容限、更高的拉伸强度、更高的疲劳性能和可接受的断裂韧性。尽管铜和镁在金属间相中的贡献导致了高强度，但是由于金属间相颗粒的存在，合金的耐腐蚀性显著下降。

7000系列铝合金在制造上翼蒙皮、纵梁和水平/垂直稳定器时比其他等级的铝合金显示出更高的强度。抗压强度和抗疲劳性能是上翼结构件设计的关键参数。飞机尾部又称尾翼，由水平安定面、垂直安定面和操纵面（如升降舵和方向舵）组成。水平和垂直稳定器的结构设计与机翼基本相同。水平稳定器的上表面和下表面在弯曲引起的压缩载荷中通常都是至关重要的。

高强度铝合金，如7075-T6，由于其高强度重量比、可加工性和相对较低的成本，在飞机结构中得到了广泛的应用。然而，由于其成分特性，这些合金易遭受腐蚀。众所周知，腐蚀会降低飞机结构的寿命。在正常运行期间，由于湿度、雨水、温度、油、液压油和盐水，飞机受到自然腐蚀环境的影响。在老化飞机面临的问题中，腐蚀和疲劳是极其不应该出现的。

7000系列合金也可热处理，铝-锌-镁-铜合金提供了所有铝合金中强度最高的合金。 7000系列合金中有一些含有约2%的铜和镁、锌，以提高其强度。 这些合金虽然是最强的，但它们是7000系列中抗腐蚀性最低的。 然而，新推出的7000系列合金具有更高的疲劳和耐腐蚀性，这可能会导致重量减轻。 较新的合金，如7055-T77，比7075-T6具有更高的强度和损伤容限。

7475（铝-锌-镁-铜）铝合金是7075合金的改进版。7475合金是为在空气和腐蚀环境中要求较高强度、断裂韧性和抗疲劳裂纹扩展能力的应用而开发的。通过降低合金中铁和硅的含量，改变淬火和时效条件，改善了7075合金的强韧性和断裂韧性。

7075中的总铁和硅含量为0.90%，而7475中的总含量仅为0.22%。7075合金的这些变化推动了7475合金的发展，7475合金在高强度等级的铝合金中具有较细的晶粒尺寸、最佳的分散性和最高的韧性值。

7475合金具有优异的耐蚀性和腐蚀疲劳性能。总的来说，它的性能优于许多商业上可买到的高强度航空铝合金，如7050和7075合金。将2024和7075合金的屈服强度、延伸率和KIC性能与7050和7475进行比较。2024-T351合金具有较高的韧性和断裂韧性（在TL和LT方向），但屈服强度相对较低。另一方面，在T651回火条件下，7075合金的屈服强度超过500MPa。7475-T7351合金具有更高的断裂韧性，而与7075-T651合金相比，7475-T7351合金的屈服强度稍低，但塑性稍好。

图5 铝合金微观组织：7075-T651（来源网络）

不同铝合金的疲劳裂纹扩展速率结果表明，与2024相比，7475具有更高的抗疲劳性能，而7075-T6具有最低的抗疲劳性能。7475合金的耐腐蚀性和疲劳性能相当于或优于许多高强度铝合金，如7075、7050和2024。7475合金板和薄板目前正被选为高性能飞机应用的断裂关键部件。

7050合金是另一种具有良好的强度、抗应力腐蚀开裂（SCC）和韧性平衡的重要合金。它特别适用于76-152mm厚度范围内的板材应用。合金7050表现出比合金7075更好的韧性/耐腐蚀特性，因为它比大多数航空铝合金淬火敏感性低。

7050在较厚的部分保持其强度特性，同时保持良好的应力腐蚀抗裂性和断裂韧性水平。7050合金板的典型应用包括机身框架和舱壁，其截面厚度为50-152mm。7050合金板用于机翼蒙皮。与其他高强度铝合金（如7075）相比，7050合金板和薄板产品在较高应力水平下仍具有相同的剥落和应力腐蚀抗力。

图6 铝合金7075应力腐蚀开裂（G. Bussu）

最近的一种合金7055-T7751（Al-8Zn-2.05Mg-2.3Cu-0.16Zr）的屈服应力可能超过620MPa，波音777飞机部件的预计重量节省为635千克。这种合金提供了近10%的强度增量，具有更高的韧性和显著改善的耐蚀性。T77回火包括三步时效工艺，与7050-T76和7150-T651或T7751相比，该工艺可产生更高的强度和损伤抗力组合。断裂韧性的提高是由金属间粗颗粒的体积分数和未结晶晶粒结构控制的结果。强度和抗腐蚀性能的良好结合归因于强化沉淀物的尺寸和空间分布以及单位含量。

航空铝合金的力学性能不断提高。这导致了高强度7xxx合金的发展（如7075、7150、7055、7449）。这些高强度铝合金通常用于压缩占主导地位的部件，如上机翼蒙皮，其中损伤容限考虑是次要的。然而，最近的发展表明，改变溶质含量，特别是锌/镁/铜比值，可以开发高强度产品，并显著提高损伤容限，如AA7040、AA7140和AA7085。7085是新一代高强度厚板合金，可替代7050/7010产品。由于锌含量高，铜含量低，获得了较高的断裂韧性和较低的淬火敏感性。该产品被选择用于空客A380的翼梁。

努力通过应用不同的热处理方法获得高强度和良好的耐腐蚀性的良好组合。两个重要的冶金原理是：降低Mg/Zn比，通过重新将成分的饱和度全面降低至理论最大溶解度。镁浓度增加对强度（有益）和韧性（有害）。Mg/Zn调整，用Zn部分替换Mg，可以在保持足够强度的同时增加韧性。溶质饱和度的全面降低直接影响淬火敏感性，这对高溶质合金的损伤容限性能至关重要。

AA7056-T79，为大型商用飞机的上翼蒙皮开发，是改善强韧性平衡的一个很好的例子。在铝合金中加入Mn和Zr可形成分散相，影响再结晶特性和晶粒结构。这些分散体阻碍再结晶和晶粒生长。铝合金中Zr的含量可形成13Zr弥散相，它与基体有一定的关系，对晶粒尺寸有重要影响。锌的加入增加了合金的强度，而锰的加入增加了合金的断裂韧性，这是由于形成了含有锰和铁的第二相，从而减少了铁对断裂韧性的不利影响。