低溫鋁合金國內(nèi)外研究及應(yīng)用情況

1、低溫鋁合金國內(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、火箭動力裝置的液氫(20K)、液氧(90K)儲箱，以及低溫超導(dǎo)磁體的結(jié)構(gòu)支撐件等。確保這些設(shè)備的安全運行至關(guān)重要。其中低溫金屬材料的選取和設(shè)計是重要的環(huán)節(jié)之一。低溫金屬材料機械性能與常溫狀態(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,迅速擴展,會造成災(zāi)難性重大事故。缺乏專門的低溫金屬材料知識和性能數(shù)據(jù),將會造成選材和設(shè)計不當(dāng),在低溫裝備運行中將引發(fā)失效事故。鋁合金材料具有密度低、無磁性、低溫下合金相穩(wěn)定、在磁場中比電阻小、氣密

2、封性好、感應(yīng)放射能衰減快等特性, 因此越來越廣泛的應(yīng)用于低溫領(lǐng)域。近幾十年來,國內(nèi)外已經(jīng)積累了大量的鋁合金低溫機械性能方面的研究。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)固溶強化鋁合金及一些沉淀硬化鋁合金。 可分為兩類：(1)固溶強化合金，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（- 195oC）： 內(nèi)容來自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儲罐國內(nèi)未見詳細報道（只有部

4、分焊接問題探討過）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度和屈服強度都隨溫度的降低而上升，并且拉伸強度增加比較明顯，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附近達到最大值，在4.2k左右下降。7075T651（L ）高強鋁合金隨溫度降低， 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度和屈服強度均增大， 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,合金縱向抗拉強度由493.64MPa升至 607.35MPa,提高23.1% ,屈服強度454.83 MPa上升到516.53 MPa,提高13.7 %;合金低溫橫向抗拉強度與屈服強度分別提高23.6%和20.0%。低溫變形時合金橫向、縱向伸長率均稍有提高。這是由于在低溫變形過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,導(dǎo)致材料的強度增加,塑性提

6、高。（國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項目(2005CB623700)）注：2519鋁合金是20世紀80年代開發(fā)出的一種Al-Cu系熱處理可強化合金，該合金以其高強度、高韌性、耐腐蝕、可焊接、成形性好及抗彈性能良好等特點受到重視。近年來,許多材料研究者對2519 合金的室溫力學(xué)性能、腐蝕及焊接性能等進行了大量研究。摘要: 利用拉伸測試、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,3種合金的屈服強度與抗拉強度均有所提高, 其中抗拉強度分別提高 23%、12%及6%。同時3種合金

7、的伸長率隨著溫度降低有所提高。由于低溫變形過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,導(dǎo)致材料的強度增加, 塑性有所提高。三、國外研究及應(yīng)用情況1、X7002一新型高強焊接鋁合金美國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)濟又適宜,但基體材料和接合點又必須有足夠強度的使用方面而設(shè)計的。除了飛機上的應(yīng)用燃料箱、拮構(gòu)件之外,由于它無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酷條件下使用的由管子和擠壓件粗成的工程拮構(gòu)。高強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。可焊性和低溫缺口不敏感性的要求嚴重地影響對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和第三級助推級。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年作為高強高韌鋁合金

9、的主體Al-Zn-Mg-Cu系合金具有高的比強度和硬度、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 ,開發(fā)高強高韌鋁合金新材料成為鋁合金發(fā)展的重要方向。國內(nèi)外學(xué)者對高強高韌鋁合金的制備工藝及其力學(xué)性能等巳進行了廣泛的研究。四、國內(nèi)研究及應(yīng)用情況1、Al-4.5Mg(5083)鋁合金國產(chǎn)化工藝研究西南鋁業(yè)的張曉琴等，1997年，報到了該廠5083鋁合金國產(chǎn)化工藝研究情況2、化學(xué)成分對 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合金均勻化退火過程中A13Er相的TEM觀察（金屬學(xué)報）北京工業(yè)大學(xué) 黃輝等，2009年4、Al-Zn-Mg-Cu系超高強鋁合金的研究進展作者：崔建忠 劉曉濤來源期刊：材料導(dǎo)報2005年第3期中文關(guān)鍵字：超高強鋁合金; 合金化; 熱處理; 顯微組織; 中文摘要：評述了國內(nèi)外超高強鋁合金的研究及應(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Al-Zn-Mg-Cu系超高強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展,討論了超高強鋁合金主要強化機制以及微觀組織與性能之間的關(guān)系.針對超高強鋁合金現(xiàn)存的問題,提出了今后研究開發(fā)的方向.5、國內(nèi)的中科院沈陽金屬所、中南大學(xué)等研究機構(gòu)開展了Al-Zn-Mg-Cu系合金的系統(tǒng)研究，包括成分設(shè)計、強化工藝、相結(jié)構(gòu)、時效處理、強化機制等。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行了研究。對攪拌摩擦加工（FSP）超細晶鋁合金的低溫超塑性進行了深入細致的研究，取得了一系列重要進展。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，同時仍然保持較高的強度、較好的抗腐蝕性和抗疲勞性以及適宜的延展性。因為這些特性，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，吸引著許多科學(xué)家對它進行研究，鋁鋰合金的開發(fā)事業(yè)猶如雨后春筍般迅速發(fā)展起來了。美國洛克希德導(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“超輕型油箱”，長達47m，直徑達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），強度提高30%，有效地增加了有效載荷，節(jié)約成本約7500萬美元。麥道空間系統(tǒng)公司采用2090T81板材制成直徑2.44m，長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%。美國通用動力空間公司在阿特拉斯和半人馬運載火箭上的三個部件采用2090合金，總量達70kg，質(zhì)量較2024減輕8%。1997年12月的美國“奮進號”航天飛機外貯箱采用2195代替2219，運載能力提高了3.4t。新材料鋁鋰合金“減負”天宮10% 從設(shè)計之初，資源艙就面臨“減肥”的難題。因為此次資源艙攜帶的推進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施減重。這樣一來，之前采