文档介绍：航空高性能铝合金材料的基础研究
汇报提纲
一、航空高性能铝合金材料国家重大需求背景
二、总体思路与关键科学问题
三、总体方案与课题设置
四、本年度完成情况
五、重要进展与阶段性成果
一、航空高性能铝合金材料国家重大需求背景
航空高性能铝合金材料的基础研究
飞机的发展需大规格高性能铝合金材料材料
A380,铝合金材料约占 60%
B777,铝合金材料约占 70%
C919,铝合金材料约占 %
进入新世纪,美国、欧盟都制定了发展高性能航空铝合金材料的研究计划(美国铝业公司-波音公司《航空20/20创议》,欧盟的飞机整体构件制造计划)。新合金:7055(1991年),7255(2009年),7085(2002年),7185(2010年),2524(1995年),2724(2010年)。
大型客机材料选用原则
满足飞机不同部位的设计准则要求,主干材料体系基于当前先进客机使用的主流产品,兼顾成熟性和先进性;
疲劳损伤容限性能、抗腐蚀性能、可接受的成本(涵盖制造和使用维护阶段)以及实现结构整体化和轻量化的潜力,是材料选用的重要指标;
注重形成自己的核心供应商队伍,以利于提高管理效率、保证供货周期、降低采购成本;
充分考虑关键材料的自主保障能力,以带动国内相关产业的发展;
新选用的关键结构材料(含国产新研材料)满足型号合格审定和持续适航要求。
大飞机用我国三类典型铝合金材料综合性能面临严峻挑战
上机翼壁板,桁条,纵梁,支撑框
超强高韧耐腐蚀 7A55、7B50
韧性、耐蚀性能比设计要求低20%
机翼下蒙皮、机身蒙皮
中强高损伤容限2324/2E12/2099
耐损伤性比设计要求低20%
机身加强框,翼身接头、翼梁
高强高韧高淬透(7050/7A85)
淬透厚度需大于300mm,但目前只有200mm
材料性能不均匀性(约20%)不能满足要求(≤10%)
航空铝合金的发展历程与应用
第一代以高静强度为特征,其理论基础是第二相粒子的析出强化规律与机理,上述理论在发展第二、三代铝合金过程中得到了极大的完善。
发展国产大飞机所需要的第四、五代铝合金,需要寻求高综合性能的合金设计与制备理论。
我们研究表明:制约当代航空铝合金韧性、耐蚀性、耐损伤性的因素
本项目的科学途径:以消除残余结晶相为目的合金主成分设计,以降低高能界面为目标的微合金成分设计。此为我们发展高综合性能合金的突破口。
残余结晶相↑,韧性↓
耐蚀性↓、耐损伤性↓
晶内纳米析出相↑,强度↑
晶界析出相与 PFZ主导韧性、耐蚀性
亚微米/纳米弥散相影响淬透性与强度
7XXX-T7X
7XXX-T6
PFZ
2XXX条状析出相
7XXX球状析出相
亚微米/纳米弥散相减少大角晶界,韧性↑、淬透性↑
第一级微米结晶相
第二级大角度晶界
第三级晶内析出相
当代航空铝合金发展的核心问题与突破的科学途径
提高综合性能的核心问题:消除残余结晶相,减少高能界面。
200nm
200nm
100nm
100nm
大角晶界
大角晶界
原有主成分设计:在接近固溶度极限区发展合金品种,低固溶度元素含量过高,难以彻底溶于铝基体,导致:
凝固共晶相多,可铸性差
残余结晶相多,综合性能差
过饱和固溶体易分解,淬透性差
7055
7075
7050
Zn↑ Mg ↑ Zr代Cr
强度:520MPa
淬透:120 mm
Zn↑Mg ↑Cu ↑
强度:615MPa
淬透: 40 mm
发展高综合性能合金的突破口(一)
——调整合金主成分设计方向,消除残余结晶相
7050
7150
7055
θ
S
10μm
引发铸锭开裂
凝固共晶
残余结晶相
诱发疲劳裂纹
我们探索发现:提高高固溶度合金元素、降低低固溶度合金元素的合金成分,可实现强韧性与淬透性同时提高
凝固共晶相少,可铸性好
残余结晶相少,提高综合性能
过饱和固溶体稳定,提高淬透性
7B85
Zn↑Mg ↓Cu ↓
强度:520MPa
淬透: 200mm
Zn↑Mg ↓
强度:515MPa
淬透: 180mm
7075
需要深入认识
——新成分合金的相平衡、相转变及其强韧化规律与机理
7050
7150
7055
7085
7A85
7B85
7A85
发展高综合性能合金的突破口(一)
——调整合金主成分设计方向,消除残余结晶相