低溫鋁合金國(guó)內(nèi)外研究及應(yīng)用情況

1、低溫鋁合金國(guó)內(nèi)外研究及應(yīng)用情況低溫設(shè)備在航空、航天、超導(dǎo)技術(shù)以及民用工業(yè)中得到日益廣泛的應(yīng)用, 主要用于航天飛機(jī)、火箭動(dòng)力裝置的液氫(20K)、液氧(90K)儲(chǔ)箱，以及低溫超導(dǎo)磁體的結(jié)構(gòu)支撐件等。確保這些設(shè)備的安全運(yùn)行至關(guān)重要。其中低溫金屬材料的選取和設(shè)計(jì)是重要的環(huán)節(jié)之一。低溫金屬材料機(jī)械性能與常溫狀態(tài)下相比有較大的差別,某些金屬材料延性和韌度會(huì)急劇降低, 即發(fā)生低溫冷脆轉(zhuǎn)變。脆性斷裂經(jīng)常是突然發(fā)生,迅速擴(kuò)展,會(huì)造成災(zāi)難性重大事故。缺乏專門的低溫金屬材料知識(shí)和性能數(shù)據(jù),將會(huì)造成選材和設(shè)計(jì)不當(dāng),在低溫裝備運(yùn)行中將引發(fā)失效事故。鋁合金材料具有密度低、無(wú)磁性、低溫下合金相穩(wěn)定、在磁場(chǎng)中比電阻小、氣密

2、封性好、感應(yīng)放射能衰減快等特性, 因此越來(lái)越廣泛的應(yīng)用于低溫領(lǐng)域。近幾十年來(lái),國(guó)內(nèi)外已經(jīng)積累了大量的鋁合金低溫機(jī)械性能方面的研究。一、低溫鋁合金的定義及分類適合于低溫環(huán)境使用的大多數(shù)固溶強(qiáng)化鋁合金及一些沉淀硬化鋁合金。 可分為兩類：(1)固溶強(qiáng)化合金，5000系，3000系；(2)沉淀硬化合金，2000系，6000系，7000系。 常用的低溫鋁合金是：Al-4.5Mg(5083)，在退火態(tài)使用的易焊接鋁合金；3003鋁合金；Al-1.0Mg-0.6Si(6061)多用途鋁合金；Al-6.0Cu(2219)，在沉淀硬化態(tài)使用的鋁合金。 Al-Li輕合金(如2090，8090等)是性能優(yōu)異的低溫材

3、料，隨著溫度降低，其強(qiáng)度、塑性、韌性大幅度提高，如2090合金的低溫性能(約4K)比2219合金要好得多。在鍛造合金最常用的低溫服務(wù)考慮的合金1100，2014，2024，2219，3003，5083，5456，6061，7005，7039和7075。合金5083這是對(duì)低溫應(yīng)用最廣泛使用的鋁合金，展品冷卻到室溫的氮沸點(diǎn)（- 195oC）： 內(nèi)容來(lái)自dedecms 目前低溫鋁合金研究主要集中在：Al-4.5Mg(5083)、Al-Zn-Mg-Cu系、Al-Cu (2219)、Al-Li輕合金問(wèn)題：在航空領(lǐng)域應(yīng)用較多，但低溫鋁合金板材產(chǎn)業(yè)化較少，低溫鋁合金板材制備LNG儲(chǔ)罐國(guó)內(nèi)未見詳細(xì)報(bào)道（只有部

4、分焊接問(wèn)題探討過(guò)）二、鋁合金低溫性能1、幾種典型的鋁合金在低溫下拉伸性能如表所示。從表1中可以看出， 所有的鋁合金的拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都隨溫度的降低而上升，并且拉伸強(qiáng)度增加比較明顯，在20K以下增加停止,并且某些合金略有下降。大部分合金在20K 以上的延伸率隨溫度降低而增加， 在 20-77K附近達(dá)到最大值，在4.2k左右下降。7075T651（L ）高強(qiáng)鋁合金隨溫度降低， 延伸率也降低。從表2中可以看出，所有的鋁合金焊接材料隨溫度降低抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均增大， 但和同種母材相比增加幅度較小，延伸率和母材相比普遍降低。摘自：1陳振華，鋁合金在低溫下的力學(xué)性能J,2000,4:1-5.(中南大學(xué)

5、)2、中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院張新明等研究了2519 等鋁合金的低溫拉伸力學(xué)性能。摘要:利用拉伸測(cè)試、掃描電鏡與透射電鏡等手段，研究室溫和液氮溫度下 2519 鋁合金板材的拉伸力學(xué)性能。研究結(jié)果表明: 當(dāng)變形溫度由293 K降至77 K時(shí),合金縱向抗拉強(qiáng)度由493.64MPa升至 607.35MPa,提高23.1% ,屈服強(qiáng)度454.83 MPa上升到516.53 MPa,提高13.7 %;合金低溫橫向抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度分別提高23.6%和20.0%。低溫變形時(shí)合金橫向、縱向伸長(zhǎng)率均稍有提高。這是由于在低溫變形過(guò)程中平面滑移受抑制,加工硬化指數(shù)增加,變形均勻性增強(qiáng),導(dǎo)致材料的強(qiáng)度增加,塑性提

6、高。（國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目(2005CB623700)）注：2519鋁合金是20世紀(jì)80年代開發(fā)出的一種Al-Cu系熱處理可強(qiáng)化合金，該合金以其高強(qiáng)度、高韌性、耐腐蝕、可焊接、成形性好及抗彈性能良好等特點(diǎn)受到重視。近年來(lái),許多材料研究者對(duì)2519 合金的室溫力學(xué)性能、腐蝕及焊接性能等進(jìn)行了大量研究。摘要: 利用拉伸測(cè)試、掃描電鏡與透射電鏡等手段, 研究了2519-T87、 2219-T81以及 7039-T6三種鋁合金板材的拉伸力學(xué)性能。結(jié)果表明,當(dāng)變形溫度由室溫293 K降至77 K時(shí),3種合金的屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度均有所提高, 其中抗拉強(qiáng)度分別提高 23%、12%及6%。同時(shí)3種合金

7、的伸長(zhǎng)率隨著溫度降低有所提高。由于低溫變形過(guò)程中平面滑移受抑制,加工硬化指數(shù)增加,變形均勻性增強(qiáng),導(dǎo)致材料的強(qiáng)度增加, 塑性有所提高。三、國(guó)外研究及應(yīng)用情況1、X7002一新型高強(qiáng)焊接鋁合金美國(guó)A.I.Kemppinen等，1965年X7002鋁合金（Al-Zn-Mg-Cu系）具有良好的抗應(yīng)力腐觸破裂的性能,無(wú)缺口敏感性,具有良好的疲勞性能和低溫性能,并且還具有良好的可焊性和成形性。是為了那些在采用焊接拮構(gòu)即經(jīng)濟(jì)又適宜,但基體材料和接合點(diǎn)又必須有足夠強(qiáng)度的使用方面而設(shè)計(jì)的。除了飛機(jī)上的應(yīng)用燃料箱、拮構(gòu)件之外,由于它無(wú)缺口敏咸性還能使這種材料用在工業(yè)壓力容器、賒藏箱和冷凍投備方面。該合金良好的抗

8、應(yīng)力腐觸性使它還適于作在嚴(yán)酷條件下使用的由管子和擠壓件粗成的工程拮構(gòu)。高強(qiáng)度可焊鋁合金的其它應(yīng)用方面有軍用武器和船泊桔構(gòu),如空軍反坦克武器和殷船。2、低溫用的新型可焊高強(qiáng)度鋁合金H.Y.Hunsicker等，1982年現(xiàn)代以土星的巨型助推器為頂峰的液體火箭的結(jié)構(gòu)主要使用鋁合金材料?？珊感院偷蜏厝笨诓幻舾行缘囊髧?yán)重地影響對(duì)燃料和氧化劑貯箱材料的選用。各種導(dǎo)彈都已采用了鋁合金,如鋁一鎂系合金5456和5083（已用于土星1）,鋁一銅一鎂系合金2014已用于大力神和土星的第二級(jí)和第三級(jí)助推級(jí)。3、超低溫容器用的鋁合金航空鋁合金服務(wù)有限公司技術(shù)開發(fā)部日，韋秀云譯，船科學(xué)，1983年作為高強(qiáng)高韌鋁合金

9、的主體Al-Zn-Mg-Cu系合金具有高的比強(qiáng)度和硬度、較好的耐腐蝕性能和較高的韌性、優(yōu)良的加工性能及焊接性能,廣泛應(yīng)用于航空和航天領(lǐng)域,成為該領(lǐng)域中重要的結(jié)構(gòu)材料之一。近幾十年來(lái) ,開發(fā)高強(qiáng)高韌鋁合金新材料成為鋁合金發(fā)展的重要方向。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)高強(qiáng)高韌鋁合金的制備工藝及其力學(xué)性能等巳進(jìn)行了廣泛的研究。四、國(guó)內(nèi)研究及應(yīng)用情況1、Al-4.5Mg(5083)鋁合金國(guó)產(chǎn)化工藝研究西南鋁業(yè)的張曉琴等，1997年，報(bào)到了該廠5083鋁合金國(guó)產(chǎn)化工藝研究情況2、化學(xué)成分對(duì) 5 0 8 3鋁合金性能的影響哈工大、河南鋁業(yè)周清波、楊興靈等，2007年摘要：分析了合金成分特別是Mg 、Mn主元素對(duì)5 0 8

10、3鋁合金性能的影響，提出了在既確保材料的力學(xué)性能，又使其具有良好工藝性能和耐蝕性的成分控制范圍。 3、含Er 5083合金均勻化退火過(guò)程中A13Er相的TEM觀察（金屬學(xué)報(bào)）北京工業(yè)大學(xué) 黃輝等，2009年4、Al-Zn-Mg-Cu系超高強(qiáng)鋁合金的研究進(jìn)展作者：崔建忠 劉曉濤來(lái)源期刊：材料導(dǎo)報(bào)2005年第3期中文關(guān)鍵字：超高強(qiáng)鋁合金; 合金化; 熱處理; 顯微組織; 中文摘要：評(píng)述了國(guó)內(nèi)外超高強(qiáng)鋁合金的研究及應(yīng)用概況,介紹了Zn、Mg、Cu等主要元素與Zr、Sc、Li、Ag、Be及稀土等微量元素對(duì)Al-Zn-Mg-Cu系超高強(qiáng)鋁合金組織與性能的影響,介紹了Al-Zn-Mg-Cu系合金制備技術(shù)、

11、熱處理工藝及其最新進(jìn)展,討論了超高強(qiáng)鋁合金主要強(qiáng)化機(jī)制以及微觀組織與性能之間的關(guān)系.針對(duì)超高強(qiáng)鋁合金現(xiàn)存的問(wèn)題,提出了今后研究開發(fā)的方向.5、國(guó)內(nèi)的中科院沈陽(yáng)金屬所、中南大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)開展了Al-Zn-Mg-Cu系合金的系統(tǒng)研究，包括成分設(shè)計(jì)、強(qiáng)化工藝、相結(jié)構(gòu)、時(shí)效處理、強(qiáng)化機(jī)制等。中科院金屬研究所科研人員選擇Al-Zn (7075)、Al-Mg (Al-5.3Mg-0.23Sc, Al-4Mg-1Zr) 和Al-Cu (2219)三種典型鋁合金體系進(jìn)行了研究。對(duì)攪拌摩擦加工（FSP）超細(xì)晶鋁合金的低溫超塑性進(jìn)行了深入細(xì)致的研究，取得了一系列重要進(jìn)展。張新明 中南大學(xué)，航空高性能鋁合金材料的基

12、礎(chǔ)研究（973項(xiàng)目）（Al-Zn-Mg-Cu系）五、鋁鋰合金是航空技術(shù)一種新材料鋰是世界上最輕的金屬元素。把鋰作為合金元素加到金屬鋁中，就形成了鋁鋰合金。加入鋰之后，可以降低合金的比重，增加剛度，同時(shí)仍然保持較高的強(qiáng)度、較好的抗腐蝕性和抗疲勞性以及適宜的延展性。因?yàn)檫@些特性，這種新型合金受到了航空、航天以及航海業(yè)的廣泛關(guān)注。正是由于這種合金的許多優(yōu)點(diǎn)，吸引著許多科學(xué)家對(duì)它進(jìn)行研究，鋁鋰合金的開發(fā)事業(yè)猶如雨后春筍般迅速發(fā)展起來(lái)了。美國(guó)洛克希德導(dǎo)彈和空間公司(LMSC)制造的飛行器使用低密度、中等強(qiáng)度和高剛度的材料，因此大量采用Al-Li合金產(chǎn)品。從20世紀(jì)80年代中期開始，大量選用8090及普通

13、加工方法生產(chǎn)各種鍛件、厚板、薄板與擠壓件。該公司使用AA2195合金生產(chǎn)的新的航天飛機(jī)“超輕型油箱”，長(zhǎng)達(dá)47m，直徑達(dá)8.4m，用于盛裝低溫燃料和液態(tài)氫。AA2195合金的使用使油箱減輕5%（減重近3400kg），強(qiáng)度提高30%，有效地增加了有效載荷，節(jié)約成本約7500萬(wàn)美元。麥道空間系統(tǒng)公司采用2090T81板材制成直徑2.44m，長(zhǎng)3.05m的低溫箱，用于三角翼火箭盛放燃料和液氧的容器，質(zhì)量減輕15%。美國(guó)通用動(dòng)力空間公司在阿特拉斯和半人馬運(yùn)載火箭上的三個(gè)部件采用2090合金，總量達(dá)70kg，質(zhì)量較2024減輕8%。1997年12月的美國(guó)“奮進(jìn)號(hào)”航天飛機(jī)外貯箱采用2195代替2219，運(yùn)載能力提高了3.4t。新材料鋁鋰合金“減負(fù)”天宮10%從設(shè)計(jì)之初，資源艙就面臨“減肥”的難題。因?yàn)榇舜钨Y源艙攜帶的推進(jìn)劑比之前神舟飛船增加了50%以上，但工程主體還是希望能為艙段實(shí)