航空航天铝合金冲压件 | 航空航天用铝合金材料具体应用部位和要求

　　航空铝合金是飞机、航天飞行器制造的主干材料。伴随着当代飞机设计制造对飞行性能、有效载荷、燃油消耗、服役寿命及安全可靠性要求的不断提升，对铝合金结构的综合性能及减理效果也提出了越来越高的要求。采用大尺寸铝合金材料数控铣削加工出整体式铝合金结构件，取代传统中由多个铝合金散件拼装而成的组合结构件，不仅可实现结构件大幅减重、提高服役过程可靠性，而且可减少飞机组装工序、降低制造成本。

　　这种先进的设计制造方法，对铝合金材料提出了十分苛刻的要求：铝合金锻件或预拉伸板的最大厚度往往需要达到150mm以上，不同厚度部件的综合性能高度均匀，同时还要拥有优良的强度-塑性-断裂韧性-抗疲劳性能-抗应力腐蚀与剥落腐蚀性能匹配。

　　铝被用作航天飞机的固体火箭助推器发动机的主要推进剂，因为铝具有很高的体积能量密度并且难以意外点燃。

　　铝合金板用于大量的航空航天应用，其复杂性和性能要求从简单的组件到飞机的主要承重结构，例如空客A340和波音777。

　　飞机和航空航天工业长期以来一直依赖铝合金。如果没有在引擎中使用铝合金，第一架飞机就永远不可能飞行。人造卫星是由铝制成的，因此人造卫星能够在穿越我们炽热的外部大气并进入太空的过程中幸存下来。即使在今天，NASA仍在先进的Orion航天器中使用铝-锂混合材料。

　　无论是设计商用飞机还是建造精密的航天飞机，铝合金都是至关重要的材料。铝合金最常用于机身，机翼和支撑结构的制造中，为飞机和太空飞行工程带来一系列好处。

　　航空航天用铝合金用于处理在太空冷冻真空中遇到的低于零温度的条件。另一方面，用于飞机制造的铝合金具有耐用性和抗各种腐蚀的能力。这些合金的高稳定性使其成为用于机械部件的理想选择，这些部件也受益于铝的高电导率。

　　铝合金在飞机上主要是用作结构材料， 如：蒙皮、框架、螺旋桨、油箱、壁板和起落架支柱等。铝合金在航天航空中的应用开发可分为几个阶段：50 年代主要目标是减重和提高合金比刚度、比强度；60～70年代主要目标是提高合金耐久性和损伤容限，开发出 7XXX 系合金 T73 和 T76 热处理制度、7050 合金和高纯合金；80年代由于燃油价格上涨而要求进一步减轻结构重量；90年代至今，铝合金的发展目标是进一步减重， 并进一步提高合金的耐久性和损伤容限。例如开发 出高强、高韧 高抗腐蚀性能的新型铝合金，大量 采用厚板加工成复杂的整体结构部件代替以前用很多零件装配的部件，不但能减轻结构重量，而且可保证性能的稳定。要实现这一点要开发出低内应力的厚板材料。

　　铝材在航空的应用

　　铝材在航空器中应用广泛，主要作为飞机结构件。铝合金、由于其比强度高、成形和加工性能好的 特点，是飞机的主要结构材料，如蒙皮、框架、螺旋桨、油箱、壁板和起落架支柱等。不同机型铝 化率占比可以相差较大，如波音 737 铝合金材料占比较大可达 81%，而波音 787 由于使用了大量 复合材料，铝合金材料占比为 20%。

　　航空用铝主要以变形铝材为主，铸造材占比较低。航空器消耗铝中，平均而言平轧材约占 60%，挤压材 （管、棒、型、线）约占 28%，锻件约占 7%，铸件约占 5%。

　　按合金成分分类，航空用铝以 2 系和 7 系为主。当今世界各国大飞机结构用铝合金主要是高强度的 2 系(2024、2224、2324、2424、2524 等)和超高强度的 7系(7075、 7475、7050、7150、7055、7085 等)，在民用客机铝材占比分别达约 38%、45%。

　　人们对航空航天用的铝合金在成分及合成方法、轧制/挤压/锻造/热处理等工艺、零件加工、材料及结构服役性能表征等方面都开展了深入的系统研究，材料产品发展已形成系列化，在应用方面也取得了一系列显着成果。特别是20 世纪80 年代末以来，随着飞行器损伤容限和耐久性设计准则逐渐形成，对材料的强度、断裂韧性、耐蚀性、抗疲劳等综合性能提出了更高要求。当前铝合金的发展方向是开发低内应力的厚板材料，且在制造工艺上大量采用厚板以实现整体结构部件成型，来代替以前用很多零件装配的部件（图2）。广泛采用大型整体壁板结构已经成为新一代飞机提高结构效率、减少零件数量、降低成本和缩短研制周期的重要手段。如波音B747 飞机采用整体带筋壁板后，零件数量从129 个减少到7 个，成本降低了25%，而裂纹扩展寿命和残余强度均提高了3 倍。

　　一代飞机，一代材料，航空用铝已发展到以铝锂合金为代表的第三代铝合金材料。航空用铝发展有三个阶段：第一个阶段是 1930s-1960s，2系铝合金使全金属飞机成为主流，而以早期 7075 为代表的 7 系铝合金则使客机在平流层飞行成为可 能，代表机型是 DC-3，B-29 与 70；第二个阶段是 1960s-1990s，7050 和 7055 等一系列新型 7 系列铝合金被开发出来，在兼顾疲劳特性的同时提高了比强度，代表机型是 A300 系列、777；第三个阶段是 2000 年至今，在复合材料的竞争下，以铝锂合金为代表的第三代铝合金被越来越多的 新机型采用，包括 A220，我国的 C919 等，代表牌号是肯联的 2050、2196，以及美铝的 2099、 2397。除了铝锂合金外，铝基复合材料和超塑性成形铝合金也是当前航空用铝重点研究方向。