本刊記者 玲 犀

鋁合金作為輕質材料，是一種理想航空材料，請您介紹一下其在航空領域的應用發(fā)展歷程。

熊柏青：從全世界鋁加工行業(yè)視角出發(fā)，鋁合金材料發(fā)展并無代際之分，但由于航空鋁合金材料技術發(fā)展呈明顯的“一代飛機、一代材料”特征，為便于歸納航空鋁合金材料，特別是2000系和7000系這兩種主干航空鋁合金材料的發(fā)展，業(yè)內(nèi)通常將二戰(zhàn)后的主干航空鋁合金材料與飛機的發(fā)展同步進行代際劃分。

二戰(zhàn)后第一代噴氣式飛機在機體結構設計中主要關注靜強度性能，20世紀30～40年代開發(fā)的2024與7075合金是第一代航空鋁合金中的代表。由于當時尚未認識到鋁合金結構件的應力腐蝕給飛機服役帶來的潛在危害，因此在選用7075合金這類高強鋁合金時，普遍采用了追求高的靜強度和抗應力腐蝕性能差的T6單級峰時效熱處理狀態(tài)。直到20世紀50年代后期，因鋁合金結構件應力腐蝕開裂，連續(xù)導致多架飛機失事，迫使人們對航空鋁合金材料及工藝狀態(tài)進行重新審視，并針對7075合金這類高強鋁合金開發(fā)了T73雙級深度過時效熱處理工藝，以犧牲15%～20%屈服強度代價換取抗應力腐蝕性能提升，此時7075合金的屈服強度一般控制在380～450MPa。

20世紀60年代在越南戰(zhàn)爭中發(fā)現(xiàn)，當一些飛機遭受炮火打擊后并未造成致命部位破壞但仍出現(xiàn)空中解體，其核心原因在于鋁合金結構件的耐損傷性能不足，從而使人們開始關注航空鋁合金的斷裂韌性和抗疲勞性能，并于20世紀60年代開發(fā)出了以2124和7475合金為代表的第二代航空鋁合金。以7475合金為例，通過降低合金中的Fe和Si等雜質含量、減少合金對裂紋與缺口的敏感性，在屈服強度沒有發(fā)生明顯變化的情況下，其斷裂韌性值與7075-T73狀態(tài)合金相比提高了1倍以上，疲勞裂紋擴展速率也大幅度降低，在二代噴氣式作戰(zhàn)飛機的后期型號和民用飛機制造中得到大量應用。

以美國F-15和F-16為代表的第三代噴氣式作戰(zhàn)飛機以追求亞/跨音速范圍內(nèi)的高機動性為特征，從而使結構件的進一步減重設計受到關注。人們通過提高主合金元素含量、嚴格控制Fe/Si等雜質含量，于20世紀70年代初發(fā)展了以2524合金和7050合金為代表的第三代航空鋁合金以及與7050合金匹配的T74雙級中度過時效熱處理狀態(tài)，并于20世紀80年代初發(fā)展了以7150合金為代表的第三代改型航空鋁合金以及與之匹配的T77三級時效熱處理狀態(tài)。第三代7000系航空鋁合金的特點是在保持了優(yōu)異耐損傷性能和抗應力腐蝕性能的條件下，合金的屈服強度可控制在460～540MPa，從而為航空鋁合金結構件的設計減重奠定了基礎，成為迄今為止航空制造業(yè)用量最大的航空鋁合金材料。

第四代噴氣式作戰(zhàn)飛機以追求4S性能為特征，比階段由于樹脂基復合材料和鈦合金材料的快速發(fā)展，航空鋁合金材料的地位受到了嚴峻挑戰(zhàn)。為支撐飛機結構件的進一步減重設計，20世紀80年代末至21世紀初期發(fā)展的第四代7000系航空鋁合金，可以歸納為兩個分支：一是以7055合金為代表的超高強鋁合金，其特點是與7050合金相比耐損傷性能小幅下降、抗應力腐蝕性能基本相當?shù)臈l件下，合金的屈服強度可提高至550～630MPa，適用于高抗壓部位結構件的減重設計選材；二是以7085合金為代表的高強高淬透性鋁合金，其特點是與7050合金相比耐損傷性能、抗應力腐蝕性能、屈服強度略有提高的條件下，在制造超大厚度結構件時，表層與芯部綜合性能的均勻一致性大幅提高，特別適合于大型整體銑削式結構件制造，從而可獲得與傳統(tǒng)的拼裝式大型結構相比減重15%～20%效果。

值得指出的是，伴隨著飛機結構件設計對材料剛度性能的重視，具有高模量特征的Al-Li合金從20世紀70年代逐步得到了航空界的青睞并獲得了應用。當前常用的Al-Li合金一般是在2000系和5000系鋁合金中添加質量分數(shù)1%～2%的Li,可以產(chǎn)生彈性模量提高8%～10%、比重下降5%～8%的效果。截至目前已經(jīng)發(fā)展了三代Al-Li合金，并在20世紀80年代以后出現(xiàn)的各種軍用和民用飛機中得到了一定范圍的應用，但制造工藝復雜、成品率低、成本高昂、產(chǎn)品的尺寸規(guī)格受限等仍是制約Al-Li合金大范圍應用的主要原因。

隨著復合材料等新材料的應用，鋁合金在航空領域的應用受到一定沖擊，您如何看待這個問題？

熊柏青：鋁合金具有比重輕、易加工、成本低、資源保障性好等特點，是航空航天等行業(yè)不可或缺的輕質結構材料。當前廣泛使用的航空合金材料，以2000系和7000系變形鋁合金為主，還有少量的5000系和6000系變形鋁合金以及鑄造鋁合金，主要用于飛機蒙皮、機身框和梁、機身和機翼壁板、機翼梁和肋等的制造，一般占飛機機體結構重量的50%～70%。相對于樹脂基復合材料和鈦合金材料，航空鋁合金材料低成本、結構件制造工藝成熟和加工效率高等優(yōu)勢短期內(nèi)仍不可動搖。即使在面臨復合材料和鈦合金材料嚴峻挑戰(zhàn)的今天，最新一代軍用和民用飛機的設計制造之中，鋁合金結構件的總重仍會占機體結構重量的20%～50%。

今后鋁合金材料的發(fā)展重點和未來的發(fā)展方向是怎樣的？

熊柏青：航空鋁合金材料的未來發(fā)展將主要集中在：以進一步增加合金中沉淀強化相的總量為出發(fā)點，通過高合金化成分設計，在保證合金耐損傷性能、耐腐蝕性能和淬透性的前提下，不斷提高航空鋁合金材料的強度性能，支撐飛機結構件的減重設計；圍繞Li含量和富Li沉淀強化相總量的增加，開發(fā)綜合性能更優(yōu)的Al-Li合金材料，在保證合金耐損傷性能的前提下，進一步提高Al-Li合金的彈性模量和強度性能；結合新型耐熱強化相的設計，開發(fā)具有優(yōu)異綜合性能、長期服役溫度可達200℃以上的2000系航空鋁合金材料以及低成本可鑄造、適于在300℃～400℃條件下長期服役的耐熱鋁合金材料。進入21世紀以來，我國鋁加工業(yè)發(fā)展迅猛，從2013年起，我國鋁加工材的年產(chǎn)量均保持在4000萬t以上，超過全球總量的50%，企業(yè)與科研單位的硬件裝備水平穩(wěn)居國際一流，后發(fā)優(yōu)勢明顯?！笆濉逼陂g，我國已能大批量生產(chǎn)前三代航空鋁合金材料，第四代航空鋁合金材料已經(jīng)下線、在國產(chǎn)大飛機上獲得應用，新一代航空鋁合金材料亦已進入工程化開發(fā)階段。在未來5～10年中，伴隨著科研單位和企業(yè)的共同努力，通過在航空鋁合金材料與制備加工技術方面持續(xù)創(chuàng)新，我國航空鋁合金材料的制造強國夢將得以實現(xiàn)。