航空航天材料工程-7-非铁合金材料

1第5章非铁合金材料在工业生产中，通常把铁及其合金称为黑色金属，把其他非铁金属及其合金称为有色金属。非铁合金材料的种类很多，在航空航天工业中应用广泛本章主要介绍铝、铜、钛、镁、镍及其合金2铸造有色金属及其合金牌号表示方法统一如下:①铸造有色纯金属的牌号为Z+该金属元素符号+纯度百分含量数字。如ZAl99.5。形变有色金属及其合金的牌号表示方法还不统一。3②铸造有色合金的牌号为Z+基体元素符号+主要合金元素符号及其名义百分含量数字+其他合金元素符号及其百分含量数字。如ZAlSi7Cu4、ZCuZn31Al2、ZSnSb11Cu6等。混合稀土元素符号用RE表示。优质合金在牌号后标注字母“A”。4第一节铝及铝合金一、铝及铝合金性能特点纯铝具有银白色金属光泽，具有以下特点：密度小(2.72g/cm3)，塑性好,导电导热性能好，抗腐蚀性能好，强度低。具有面心立方晶格，无同素异构转变，无磁性。铝合金既具有高强度又保持纯铝的优良特性。铝合金常加入的元素主要有Cu、Mn、Si、Mg、Zn等，此外还有Cr、Ni、Ti、Zr等辅加元素。5可将铝合金分为形变铝合金和铸造铝合金两大类。形变铝合金又分为可热处理强化和不可热处理强化两类.铝合金分类示意图二、铝合金的分类铝合金一般具有有限固溶型共晶相图。加热→单相固溶体→塑性高→适于压力加工共晶组织→适于铸造而不适于压力加工6三、铝合金的热处理并淬火后获得过饱和的单相固溶体组织的处理。时效是指将过饱和的固溶体在固溶线以下某温度保温，以析出弥散强化相的热处理。可热处理强化形变铝合金的热处理方法：固溶处理+时效。固溶处理是指将合金加热到固溶线以上，保温加热固溶淬火过饱和时效析出7在室温下进行的时效称自然时效；在加热条件下进行的时效称人工时效。时效强化效果与加热温度和保温时间有关。温度一定时，随时效时间延长，时效曲线上出现峰值，超过峰值时间，析出相聚集长大，强度下降，为过时效。随时效温度提高，峰值强度下降，出现峰值的时间提前。含4%Cu铝合金的时效曲线时效时间/d8四、铝合金的牌号、性能及用途1、形变铝合金⑴形变铝及铝合金牌号表示方法根据国标规定，形变铝合金可直接引用国际四位数字体系牌号或采用国标规定的四位字符牌号（见教材表5-1）。GB3190-82中的旧牌号仍可继续使用，表示方法为:防锈铝合金：LF+序号硬铝合金：LY+序号超硬铝合金：LC+序号锻铝合金：LD+序号9⑵常用形变铝合金①防锈铝合金主要是Al-Mn和Al-Mg系合金。Mn和Mg主要作用是提高抗蚀能力和塑性，并起固溶强化作用。防锈铝合金锻造退火后组织为单相固溶体，抗蚀性、焊接性能好，易于变形加工，但切削性能差。不能进行热处理强化，常利用加工硬化提高其强度。10常用的Al-Mn系合金有LF21（3A21），其抗蚀性和强度高于纯铝，用于制造油罐、油箱、管道、铆钉等需要弯曲、冲压加工的零件。常用的Al-Mg系合金有LF5（5A05），其密度比纯铝小，强度比Al-Mn合金高，在航空工业中得到广泛应用，如制造管道、容器、铆钉及承受中等载荷的零件。11②硬铝合金主要是Al-Cu-Mg系合金，并含少量Mn。可进行时效强化，也可进行变形强化。强度、硬度高，加工性能好，耐蚀性低于防锈铝。常用硬铝合金如LY11(2A11)、LY12(2A12)等，用于制造冲压件、模锻件和铆接件，如螺旋桨、梁、铆钉等.12③超硬铝合金属Al-Zn-Mg-Cu系合金，并含有少量Cr和Mn。时效强化效果超过硬铝合金.时效强化相包括θ相（CuAl2）,S相（CuMgAl2），η相（MgZn2）,T相（Al2Mg3Zn3）.热态塑性好，但耐蚀性差。常用合金有LC4(7A04)、LC9(7A09)等，主要用于工作温度较低、受力较大的结构件,如飞机大梁、起落架等.飞机前起落架13④锻铝合金Al-Cu-Mg-Si系合金可锻性好，力学性能高，用于形状复杂的锻件和模锻件，如喷气发动机压气机叶轮、导风轮等.Al-Cu-Mg-Fe-Ni系耐热锻铝合金常用牌号有LD7(2A70)、LD8(2A80)、LD9(2A90)等。用于制造150-225℃下工作的零件，如压气机叶片、超音速飞机蒙皮等。14Al-Si合金相图2、铸造铝合金Al-Si系：代号为ZL1+两位数字顺序号Al-Cu系：代号为ZL2+两位数字顺序号Al-Mg系：代号为ZL3+两位数字顺序号Al-Zn系：代号为ZL4+两位数字顺序号⑴Al-Si系铸造铝合金又称硅铝明。其中ZL102(ZAlSi12)是含12%Si的铝硅二元合金，称为简单硅铝明。成分接近共晶点15变质处理：在一般情况下，ZL102的共晶体由粗大针状硅晶体和α固溶体构成,强度和塑性都较差。浇铸前向合金液中加入占合金质量2%～3%的变质剂(常用钠盐混合物:2/3NaF+1/3NaCl)以细化合金组织,显著提高合金的强度及塑性。这种处理方法即是变质处理。16未变质处理经变质处理ZL102的铸态组织变质处理后的组织：细小均匀的共晶体(α+Si)+初生α+SiⅡ。17加入其他合金元素的铝硅铸造合金称复杂(或特殊)硅铝明。Al-Si系铸造铝合金的铸造性能好，具有优良的耐蚀性、耐热性和焊接性能。用于制造飞机、仪表、电动机壳体、汽缸体、风机叶片、发动机活塞等。活塞18⑵Al-Cu系铸造铝合金这类合金的耐热性好，强度较高；但密度大，铸造性能、耐蚀性能差，强度低于Al-Si系合金。常用代号有ZL201(ZAlCu5Mn)、ZL203(ZAlCu4)等。主要用于制造在较高温度下工作的高强零件，如内燃机汽缸头、汽车活塞等。19⑶Al-Mg系铸造铝合金这类合金的耐蚀性好，强度高，密度小；但铸造性能差,耐热性低。常用代号为ZL301(ZAlMg10)、ZL303(ZAlMg5Si1)等。主要用于制造外形简单、承受冲击载荷、在腐蚀性介质下工作的零件，如舰船配件、氨用泵体等。20⑷Al-Zn系铸造铝合金这类合金的铸造性能好，强度较高，可自然时效强化；但密度大，耐蚀性较差。常用代号为ZL401(ZAlZn11Si7)、ZL402(ZAlZn6Mg)等.主要用于制造形状复杂受力较小的汽车、飞机、仪器零件。21第二节铜及铜合金一、铜及铜合金性能特点纯铜呈紫红色，故又称紫铜，具有面心立方晶格，无同素异构转变，无磁性。纯铜具有优良的导电性和导热性，在大气、淡水和冷凝水中有良好的耐蚀性，塑性好。铜合金常加元素为Zn、Sn、Al、Mn、Ni、Fe、Be、Ti、Zr、Cr等，既提高了强度，又保持了纯铜特性。铜合金分为黄铜、青铜两类。22二、黄铜以锌为主要合金元素的铜合金称为黄铜。黄铜按化学成分可分为普通黄铜和特殊黄铜。按工艺可分为加工黄铜和铸造黄铜。黄铜铸件黄铜棒231、普通黄铜铜与锌的二元合金称为普通黄铜。加工普通黄铜的牌号为：H(黄)+表示铜平均百分含量的数字，如H68。工业上使用的黄铜，Wzn一般不超过47%从铜锌合金相图可以看出黄铜有和+’两种组织,分别称单相黄铜和双相黄铜。Cu-Zn合金相图24普通黄铜的显微组织单相黄铜两相黄铜25单相黄铜塑性好。常用牌号有H80、H70、H68。适于制造冷变形零件，如弹壳、冷凝器管等。两相黄铜热塑性好,强度高。常用牌号有H59、H62。适于制造受力件，如垫圈、弹簧、导管、散热器等。262、特殊黄铜在普通黄铜的基础上加入Al、Fe、Si、Mn、Pb、Sn、Ni等元素形成特殊黄铜。加工特殊黄铜的牌号为：H(黄)+主加元素符号(Zn除外)+铜平均百分含量+主加元素平均百分含量,如HPb59-1.特殊黄铜强度、耐蚀性比普通黄铜好，铸造性能改善。常用牌号有HPb63-3、HAl60-1-1、HSn62-1、HFe59-1-1、ZCuZn38Mn2Pb2、ZCuZn16Si4等。主要用于船舶及化工零件，如冷凝管、齿轮、螺旋桨、轴承、衬套及阀体等。27三、青铜以除Zn和Ni以外的合金元素为主加元素的铜合金统称为青铜。加工青铜的牌号为：Q+主加元素符号及其平均百分含量+其他元素平均百分含量如QSn4-3(含4%Sn、3%Zn).常用青铜有锡青铜、铝青铜、铍青铜、硅青铜、铅青铜等。281、锡青铜是以锡为主加元素的铜合金，锡含量一般为3-14%。锡青铜铸造流动性差，铸件密度低，易渗漏，但体积收缩率在有色金属中最小。锡青铜耐蚀性良好，在大气、海水及无机盐溶液中的耐蚀性比纯铜和黄铜好，但在硫酸、盐酸和氨水中的耐蚀性较差。常用牌号有QSn4-3、QSn6.5-0.4、ZCuSn10Pb1等。主要用于耐蚀承载件,如弹簧、轴承、齿轮轴、蜗轮、垫圈等。292、铝青铜以铝为主加元素的铜合金，铝含量为5-11%。强度、硬度、耐磨性、耐热性及耐蚀性高于黄铜和锡青铜，铸造性能好，但焊接性能差。常用牌号有QAl5、QAl7、ZCuAl8Mn13Fe3Ni2等。主要用于制造船舶、飞机及仪器中的高强、耐磨、耐蚀件，如齿轮、轴承、蜗轮、轴套、螺旋桨等。303、铍青铜以铍为主加元素的铜合金，铍含量为1.7-2.5%。具有高的强度、弹性极限、耐磨性、耐蚀性，良好的导电性、导热性、冷热加工及铸造性能，但价格较贵.常用牌号有QBe2、QBe1.7、QBe1.9等。用于重要的弹性件、耐磨件，如精密弹簧、膜片，高速、高压轴承及防爆工具、航海罗盘等重要机件.31第三节钛及钛合金一、工业纯钛纯钛密度小，熔点高。882.5℃发生同素异构转变-Ti⇌-Ti,由体心立方-Ti转变为密排六方-Ti.纯钛比强度高，塑性、低温韧性和耐蚀性好。纯钛主要用于350℃以下工作、强度要求不高的零件，如石油化工用热交换器、反应器，海水净化装置及舰船零部件。32二、钛合金纯钛加入合金元素形成钛合金。钛合金几乎都含有铝。铝能提高钛合金的强度、比强度和再结晶温度.按退火组织，钛合金可分为型钛合金、型钛合金和+型钛合金三类，它们的牌号分别用TA、TB、TC加顺序号表示。如TA5、TB2、TC4等。其中TA0-TA3为工业纯钛。331、型钛合金主加元素为铝，还有锡、硼等。不能热处理强化，通常在退火状态下使用,组织为单相固溶体.强度低于另两类钛合金，但高温强度、低温韧性及耐蚀性优越。常用牌号有TA5、TA7等主要用于制造500℃以下工作的零件，如飞机压气机叶片、导弹的燃料罐、超音速飞机的蜗轮机匣及飞船上的高压低温容器等。342、型钛合金加入的合金元素有钼、铬、钒、铝等。经淬火加时效处理后，组织为相基体上分布着细小的相粒子。这类合金强度高，但冶炼工艺复杂，难于焊接,应用受到限制。353、+型钛合金加入的合金元素有铝、钒、钼铬等。可进行热处理强化，强度高，塑性好，具有良好的热强性、耐蚀性和低温韧性。型钛合金有TB2、TB3、TB4三个牌号。主要用于350℃以下工作的结构件和紧固件,如飞机压气机叶片、轴、弹簧、轮盘等。36+型钛合金共有九个牌号，其中以TC4应用最广、用量最大，其经过淬火加时效处理后，组织为++时效析出的针状。+型钛合金主要用于制造400℃以下工作的飞机压气机叶片、火箭发动机外壳、火箭和导弹的液氢燃料箱部件及舰船耐压壳体等。37镍的性质镍是一种银白色的铁磁性金属，密度8.9g/cm3,熔点1455℃。质坚硬，具有磁性和良好的可塑性。耐腐蚀性好镍的强度和塑性很好第四节镍及镍合金一、纯镍38二、镍合金镍基合金一般应用于航空航天、油气开发、石油化工等领域。它的显著特点就是耐高温、耐腐蚀、强度好镍合金按主要性能可分为镍基耐热合金（镍基高温合金）镍基耐腐蚀合金镍基耐磨合金镍基精密合金镍基形状记忆合金391、镍基高温合金镍基合金的发展包括两个方面：合金成分的改进和生产工艺的革新1940~1980年，