臧金鑫，陳軍洲，韓 凱，邢清源，戴圣龍

(1.中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095) (2.北京市先進(jìn)鋁合金材料及應(yīng)用工程技術(shù)研究中心，北京 100095)

1 航空鋁合金發(fā)展歷程

1903年，萊特兄弟用木材、布等材料制造了第一架載人飛機(jī)，實(shí)現(xiàn)了人類在天空中飛翔的夢想。1906年，德國人Wilm A[1]偶然發(fā)現(xiàn)了鋁合金“時(shí)效硬化”現(xiàn)象，使鋁合金作為主體結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用于航空飛行器的制造，從此揭開了航空鋁合金飛速發(fā)展的序幕。

在隨后百余年的時(shí)間里，鋁合金由于高的比強(qiáng)度和良好的綜合性能，一直是國內(nèi)外軍民用飛機(jī)的最主要用材，用量達(dá)飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量的40%～70%，廣泛應(yīng)用于飛機(jī)主承力框、梁、壁板、蒙皮等部位。可以說，百年航空，百年鋁材。在飛機(jī)設(shè)計(jì)需求牽引和鋁合金自身技術(shù)發(fā)展的雙重推動(dòng)下，國內(nèi)外航空鋁合金至今已發(fā)展至第五代鋁合金。

國內(nèi)外航空鋁合金的代次劃分主要以變形鋁合金為主。在航空上應(yīng)用的變形鋁合金主要以2XXX系(Al-Cu-Mg系)和7XXX系(Al-Zn-Mg-Cu系)為主，其它如6XXX系(Al-Mg-Si系)和Al-Li合金雖然也有一定的應(yīng)用，但總體用量較少，下文將以2XXX系和7XXX系鋁合金的發(fā)展介紹航空鋁合金發(fā)展歷程，表1總結(jié)了各代次鋁合金的關(guān)鍵技術(shù)、代表性合金等[2-4]。

第一代是靜強(qiáng)度鋁合金，發(fā)展于1906年至20世紀(jì)50年代末，主要是為了滿足飛機(jī)靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)需求，是伴隨著鋁合金沉淀硬化技術(shù)的發(fā)明而研發(fā)，在峰時(shí)效狀態(tài)下使用，典型合金為2024-T3、7075-T6、2A12-T4、7A09-T6等。鋁合金應(yīng)力腐蝕失效引起的飛機(jī)失事促使飛機(jī)設(shè)計(jì)對高強(qiáng)鋁合金提出了耐腐蝕的需求，此時(shí)伴隨著T73、T76等過時(shí)效熱處理技術(shù)的發(fā)明，材料科技人員研發(fā)了第二代耐腐蝕鋁合金，典型合金為7075-T73、7075-T76、7A09-T73、7A09-T76等。飛機(jī)強(qiáng)烈的減重需求對鋁合金的綜合性能提出了越來越高的要求，隨著人們對Fe，Si雜質(zhì)對鋁合金斷裂韌性等性能影響規(guī)律的研究，以及對Cr，Mn，Zr等微合金化元素作用機(jī)理研究的不斷深入，美國在20世紀(jì)70年代初期研發(fā)了第三代高純鋁合金，典型合金為在7075基礎(chǔ)上降低Fe和Si、添加Zr研發(fā)的7050、7475合金，在2024合金基礎(chǔ)上研發(fā)的2124、2224、2324等[2, 3]，此時(shí)歐洲也同步發(fā)展了7010、7040等合金，俄羅斯也通過合金純化手段研發(fā)了Д16Ч、B93ПЧ、AК4-1Ч、B95ЛЧ等高純合金，國內(nèi)同時(shí)發(fā)展了2D70、2D12、2B06、2124、7050等合金[3]。

20世紀(jì)80年代末，飛機(jī)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則逐漸向損傷容限設(shè)計(jì)和可靠性設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變，在精密熱處理技術(shù)以及主合金成分優(yōu)化設(shè)計(jì)與發(fā)展的技術(shù)推動(dòng)下，材料研究人員研發(fā)了第四代高性能鋁合金[3]，主要包括超高強(qiáng)鋁合金、耐損傷鋁合金、高強(qiáng)韌低淬火敏感性鋁合金等。典型合金包括超高強(qiáng)鋁合金7150-T77和7055-T77，其中7055-T77鋁合金是美國20世紀(jì)90年代研發(fā)的“王牌合金”，強(qiáng)度達(dá)到600 MPa級，是目前實(shí)現(xiàn)批量應(yīng)用的強(qiáng)度最高的航空鋁合金；低淬火敏感性鋁合金有美國鋁業(yè)公司的7085、德國愛勵(lì)鋁業(yè)7081等；耐損傷鋁合金有2524-T3、2026-T3511等。國內(nèi)則同步發(fā)展了超高強(qiáng)鋁合金7A55、7B50，結(jié)合T77精密熱處理技術(shù)，其強(qiáng)度達(dá)到了600 MPa級；還研發(fā)了典型耐損傷鋁合金2E12，在強(qiáng)度水平與2024相當(dāng)?shù)那闆r下，疲勞裂紋擴(kuò)展速率降低了一個(gè)數(shù)量級，斷裂韌性明顯提高；此外還研發(fā)了高強(qiáng)低淬火敏感性鋁合金7A85，最大淬透深度達(dá)300 mm，滿足了飛機(jī)厚大截面零部件的選材要求。隨著航空工業(yè)的蓬勃發(fā)展，在航空裝備發(fā)展需求的牽引下，國內(nèi)先進(jìn)鋁合金生產(chǎn)裝備的配套建設(shè)及材料制備關(guān)鍵技術(shù)取得突破，國內(nèi)第四代先進(jìn)航空鋁合金已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化穩(wěn)定制備并裝機(jī)應(yīng)用，如長度達(dá)到20 m的7B50、7A55軋制厚板，厚度300 mm的7A85鍛件均已實(shí)現(xiàn)批量裝機(jī)應(yīng)用。這些成果表明國內(nèi)航空鋁合金的研制與生產(chǎn)應(yīng)用已經(jīng)達(dá)到國際先進(jìn)水平。

表1 航空鋁合金代次及典型牌號[2-4]

減重是航空裝備永恒的主題，在這一需求背景下，國內(nèi)外開展了第五代航空鋁合金的研發(fā)和探索工作，為新一代航空裝備設(shè)計(jì)選材提供技術(shù)儲備。提高合金強(qiáng)度是一種有效的減重方式，國內(nèi)外在第四代鋁合金的基礎(chǔ)上研發(fā)了強(qiáng)度700 MPa以上的超高強(qiáng)度鋁合金。2000年起，國外發(fā)展了7136、7068、7095等高強(qiáng)鋁合金[5]，合金強(qiáng)度超過700 MPa，目前未見應(yīng)用方面的報(bào)道。國內(nèi)從“十二五”起，北京航空材料研究院自主研發(fā)了7A36、7A99、7A95等新型鋁合金，在中試條件下將超高強(qiáng)鋁合金的性能水平提升到700 MPa以上，部分合金強(qiáng)度達(dá)到800 MPa及以上[6-9]，目前也尚未得到應(yīng)用，處于技術(shù)儲備階段。

2 航空鋁合金研究熱點(diǎn)

回顧航空鋁合金的發(fā)展歷程可知，飛機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與航空鋁合金的發(fā)展相互促進(jìn)，航空產(chǎn)品的發(fā)展和飛機(jī)設(shè)計(jì)思想的不斷演變對鋁合金材料提出了越來越高的要求，除最初的高強(qiáng)和輕質(zhì)外，還要求高的綜合性能，如斷裂韌性、耐腐蝕性能、抗疲勞性能、耐熱性能、損傷容限性能等，這促使材料工作者們將研究重點(diǎn)始終放在如何獲得更高綜合性能的材料上。

隨著計(jì)算材料學(xué)，塑性加工、熱處理過程仿真模擬及微觀組織表征技術(shù)的發(fā)展，基于“成分-制備工藝-特征微結(jié)構(gòu)-性能”關(guān)聯(lián)性，多尺度特征微結(jié)構(gòu)精細(xì)調(diào)控技術(shù)也不斷發(fā)展，科研人員逐漸總結(jié)出具有超高強(qiáng)度[3, 10， 11]、高耐損傷性[3, 12， 13]、高強(qiáng)韌低淬火敏感性[3, 14, 15]等高綜合性能鋁合金的特征結(jié)構(gòu)。

2.1 合金成分設(shè)計(jì)

Zn,Mg,Cu等主合金元素是影響航空鋁合金綜合性能最主要的因素，國內(nèi)外的航空鋁合金都是通過調(diào)整主合金元素的含量，達(dá)到不同的Zn/Mg及Cu/Mg含量比，形成了不同的主干合金，在主干合金的基礎(chǔ)上形成合金的系列化發(fā)展。提高7XXX系合金中Zn，Mg含量可以促進(jìn)主要強(qiáng)化相η相(MgZn2)的析出，而Cu元素可以提高熔體的流動(dòng)性以改善鑄造性能，提高熔鑄質(zhì)量，同時(shí)影響Zn，Mg元素的固溶、析出以及晶界晶內(nèi)電位差等，進(jìn)而影響材料剝落腐蝕、應(yīng)力腐蝕性能和淬透性等性能[16-19]。綜合國內(nèi)外航空鋁合金的成分特征可以看出，主合金元素成分變化趨勢為：高合金化元素總量、高Zn、低Cu、高Zn/Mg含量比、低Cu/Mg含量比。

除主合金元素外，微合金化元素也是影響航空鋁合金性能的一個(gè)重要因素。第三代鋁合金7050中，首次選擇Zr作為微合金化元素，細(xì)化鋁合金鑄態(tài)晶粒，經(jīng)過熱處理后生成大量細(xì)小球形共格亞穩(wěn)定L12型Al3Zr彌散相，起到細(xì)晶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化的雙重作用，顯著提高了鋁合金的綜合性能。至此，微合金化元素種類及添加量的選擇逐漸進(jìn)入了鋁合金研究者的視野。稀土元素Sc由于對鋁合金組織有強(qiáng)烈的細(xì)化作用，對晶粒的細(xì)化效果居于其他元素之首。近年來，高強(qiáng)7XXX系鋁合金添加Sc一直是研究熱點(diǎn)，復(fù)合添加Sc和Zr，可生成Al3Sc、Al3Zr和Al3(Sc, Zr)強(qiáng)化相，進(jìn)一步細(xì)化鋁合金組織，并形成核-殼結(jié)構(gòu)提高材料熱穩(wěn)定性[20-22]，如圖1所示。由于Sc的成本較高，研究者們同時(shí)致力于鋁合金低成本的微合金化研究，如添加Er[22-26]等低成本稀土元素，通過納米級Al3Er析出相釘扎位錯(cuò)和亞晶界，提高鋁合金的強(qiáng)度和再結(jié)晶溫度，改善合金的綜合性能。在其他元素微合金化方面，研究了Mn，Ti，Cr，Er，Zr，Pr元素的單獨(dú)或復(fù)合添加對材料性能的影響[27， 28]，如添加適量Mn可有效消除各向異性，F(xiàn)ang等[29]發(fā)現(xiàn)(Al, Zn, Mg, Cu, Cr)3(Zr, Pr)析出相產(chǎn)生釘扎作用，強(qiáng)化材料的同時(shí)抑制了再結(jié)晶，如圖2所示。

另外一個(gè)研究熱點(diǎn)是，隨著計(jì)算材料學(xué)技術(shù)的進(jìn)步[30]，第一性原理計(jì)算、熱力學(xué)計(jì)算、動(dòng)力學(xué)計(jì)算等方法逐漸應(yīng)用到航空鋁合金的成分設(shè)計(jì)中，科研人員不再單一依靠傳統(tǒng)的試錯(cuò)法來開展研究工作，而是越來越多地采用計(jì)算機(jī)輔助模擬計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方式進(jìn)行研究，降低研究成本，縮短研制周期。

近年來，有學(xué)者結(jié)合CALPHAD數(shù)據(jù)庫進(jìn)行相場模擬[31]，系統(tǒng)地研究了鋁合金晶界溶質(zhì)偏析與擴(kuò)散，沉淀析出，基體成分對晶界處η相生長的作用，以及這些對合金力學(xué)、電化學(xué)性能的影響，并驗(yàn)證了模型預(yù)測的一致性[32]。Johannes等[33]結(jié)合基于密度泛函理論(density functional theory，DFT)的模擬計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對7XXX系的相穩(wěn)定性和力學(xué)性能進(jìn)行了研究，對四元系合金的模擬計(jì)算具有重要意義。Zhang等[31]以位錯(cuò)密度作為關(guān)鍵參數(shù)，構(gòu)建了位錯(cuò)密度演化、形核和生長模型，對7XXX系合金的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過程進(jìn)行了模擬計(jì)算，并結(jié)合熱壓縮模擬實(shí)驗(yàn)對模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證。經(jīng)過若干年的發(fā)展，航空鋁合金的計(jì)算機(jī)輔助模擬計(jì)算從最早的基于熱力學(xué)計(jì)算、動(dòng)力學(xué)計(jì)算等的材料成分計(jì)算設(shè)計(jì)，逐漸轉(zhuǎn)向機(jī)器自學(xué)習(xí)，擴(kuò)展至組織演變規(guī)律、相穩(wěn)定性和性能預(yù)測等綜合計(jì)算方向[30]。國內(nèi)基于熱力學(xué)及動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果，初步確定合金成分范圍，結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法，成功研發(fā)出800 MPa級超高強(qiáng)鋁合金[9, 34]。

圖1 Al3(Sc, Zr, Er)核殼結(jié)構(gòu)的析出相的原子探針層析(atom probe tomography, APT) 結(jié)果[22]Fig.1 APT results of the precipitated phase of the Al3(Sc, Zr, Er) core-shell structure [22]

圖2 AlZnMgCu-0.16Zr-0.18Cr-0.26Pr合金微觀組織[29]Fig.2 Microstructures of AlZnMgCu-0.16Zr-0.18Cr-0.26Pr alloy[29]：(a, b) TEM bright field images, (c) selected area electron diffraction (SAED) pattern and (d) energy dispersive X-ray (EDX) spectrum of dispersoids

2.2 熔鑄技術(shù)

熔鑄是鋁加工生產(chǎn)的頭道工序，制備的原始鑄錠的冶金缺陷、組織形態(tài)和晶粒大小等微觀組織，直接關(guān)系到后續(xù)產(chǎn)品的質(zhì)量，具有很強(qiáng)的遺傳性，特別是隨著航空鋁合金產(chǎn)品規(guī)格的不斷增大，對傳統(tǒng)半連續(xù)鑄造大規(guī)格鑄錠的鑄造成型、冶金質(zhì)量、顯微組織控制提出了更高的要求[35]。目前，航空鋁合金熔鑄技術(shù)研究主要圍繞以下3個(gè)方面開展。

(1)鋁合金鑄錠成型技術(shù)

航空鋁合金成分的整體發(fā)展趨勢是合金化程度越來越高，隨著合金元素總量的增加，凝固溫度區(qū)間隨之加大，合金的熱裂/冷裂傾向加劇，使得超大規(guī)格鑄錠的成形極其困難。鑄錠裂紋產(chǎn)生的直接原因是鑄錠的強(qiáng)度與塑性無法承受鑄造產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，而鑄造應(yīng)力主要是在熔體結(jié)晶和鑄錠冷卻過程中徑向和軸向溫度差造成的不同步收縮而引起的。因此，改善冷卻條件將有利于減小鑄錠應(yīng)力，從而降低鑄錠開裂傾向。近幾十年來，材料研究者圍繞著如何改善鑄錠冷卻條件進(jìn)行了大量的研究[36]，如發(fā)展出低液位復(fù)合 (low head composite，LHC)鑄造、熱頂(hot-top，HT)鑄造、低壓鑄造、氣滑鑄造、ARC(annular refractory composite)鑄造等新型的鑄造技術(shù)。此外，隨著數(shù)值模擬仿真技術(shù)的發(fā)展，根據(jù)結(jié)晶器內(nèi)溫度場、液穴深度、應(yīng)力應(yīng)變以及鑄造工藝參數(shù)，建立熱裂/冷裂預(yù)測模型以指導(dǎo)工業(yè)化生產(chǎn)也是一個(gè)研究熱點(diǎn)，目前尚無統(tǒng)一的熱裂/冷裂判據(jù)定量預(yù)測熱裂的產(chǎn)生。但通過考慮鑄造過程中的液態(tài)補(bǔ)縮、應(yīng)力松弛、鑄造速度和成分、壓降孔隙等因素，發(fā)展了Feurer、Katgerman、Prokhorov、RDG等判據(jù)和模型，實(shí)現(xiàn)了熱裂的定性預(yù)測[37, 38]。基于材料熱裂形成機(jī)制，建立多元多尺度相變與微納觀力學(xué)耦合模型，將突破定量預(yù)測瓶頸技術(shù)[39]。國內(nèi)目前可實(shí)現(xiàn)厚度520 mm的2024、7050和7B50等航空鋁合金扁錠、直徑950 mm的7A85圓錠的穩(wěn)定工業(yè)化生產(chǎn)。

(2)鋁合金鑄錠冶金質(zhì)量控制技術(shù)

鑄錠的冶金質(zhì)量直接影響航空鋁合金的服役性能，鑄錠內(nèi)部的顯微疏松、第二相夾雜物、氫含量、堿金屬含量、渣含量等與鋁合金產(chǎn)品的疲勞性能息息相關(guān)，目前發(fā)展了熔體凈化技術(shù)以提高鑄錠冶金質(zhì)量。目前研究主要集中在爐內(nèi)精煉、在線除氣、在線過濾等方面。其中，爐內(nèi)精煉主要使用透氣磚精煉來替代傳統(tǒng)的六氯乙烷精煉，可在降低環(huán)境污染的同時(shí)提高凈化效率；在線除氣主要通過箱式除氣裝置，如Alpur、SNIF(spinning nozzle inert flotation)、LARS(liquid aluminum refining system)等，和流槽除氣裝置，如ACD(aluminium compact degasser)等，通過惰性氣體或氯氬混合氣體對澆鑄前的熔體進(jìn)行進(jìn)一步除氣處理；在線過濾則主要使用不同目數(shù)、層數(shù)搭配的陶瓷過濾裝置來控制熔體中的雜質(zhì)含量。

(3)鋁合金鑄錠顯微組織控制技術(shù)

盡可能減少偏析，獲得均勻細(xì)小的等軸晶組織是提升鋁合金產(chǎn)品綜合性能的有效途徑。圍繞這一目標(biāo)，材料研究者們開發(fā)了電磁鑄造、超聲鑄造等新型鑄造方式[40-44]。電磁鑄造是將中頻、低頻電磁場與傳統(tǒng)直冷式結(jié)晶器進(jìn)行耦合，所制備鑄錠的表面較為光滑，同時(shí)具有比較均勻的內(nèi)部組織[41]，幾乎無粗晶層，如圖3所示。但該技術(shù)對整個(gè)鑄造過程和各項(xiàng)參數(shù)需要控制得非常嚴(yán)格，目前在國外只有肯聯(lián)鋁業(yè)、美國鋁業(yè)公司等少數(shù)鋁加工企業(yè)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化應(yīng)用，國內(nèi)目前處于研究階段，未實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。除新型的鑄造技術(shù)外，晶粒細(xì)化劑的選擇及作用機(jī)理也是一個(gè)研究熱點(diǎn)，通過添加晶種合金，引入高效精準(zhǔn)的晶種作為異質(zhì)形核襯底來實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化是重要的研究方向。近年來，TiCx被認(rèn)為是一種有效的鋁合金形核劑，Yang等對TiCx促進(jìn)α-Al形核的科學(xué)機(jī)理進(jìn)行了深入研究[42]。

圖3 半連續(xù)鑄造(direct chill casting, DC)與電磁鑄造(low frequency electromagnetic casting, LFEC)鋁合金微觀組織[41]Fig.3 Aluminum alloy microstructures of DC and LFEC ingots[41]:(a) DC edge, (b) DC center, (c) LFEC edge, (d) LFEC center

2.3 熱變形技術(shù)

通過熱變形工藝設(shè)計(jì)和優(yōu)化獲得理想的合金組織狀態(tài)是實(shí)現(xiàn)鋁合金目標(biāo)性能的重要手段。理想的組織狀態(tài)是:控制再結(jié)晶及保持變形織構(gòu)，從而提升材料的相關(guān)性能。

國內(nèi)發(fā)展了強(qiáng)變形軋制工藝，實(shí)現(xiàn)了在較小總變形量(60%左右)的情況下制備出性能穩(wěn)定、均勻的厚板，目前已實(shí)現(xiàn)厚度155 mm、寬度2000 mm的超寬超厚板材穩(wěn)定生產(chǎn)，達(dá)到國際先進(jìn)水平；通過對反向擠壓技術(shù)的參數(shù)精確控制，實(shí)現(xiàn)長度17 000 mm的大規(guī)格型材批量生產(chǎn)；發(fā)展了單次大變形鍛造技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)投影面積達(dá)5 m2的大規(guī)格模鍛件的制備，滿足了航空應(yīng)用需求。

在基礎(chǔ)研究方面，高性能航空鋁合金熱變形過程的組織與性能演變預(yù)測是一個(gè)研究熱點(diǎn)，特別是描述熱變形過程中的顯微組織和力學(xué)性能相互關(guān)系的物理模型的構(gòu)建。航空鋁合金在擠壓、軋制、鍛造等熱加工過程中，合金產(chǎn)品因變形誘導(dǎo)使微觀組織中位錯(cuò)密度、大小角度晶界、晶粒尺寸等發(fā)生變化，并可能發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)、動(dòng)態(tài)再結(jié)晶、第二相析出、原子偏析等動(dòng)態(tài)組織演變，演變過程受溫度、變形量、應(yīng)變狀態(tài)、應(yīng)變速率等工藝參數(shù)的影響[45-51]。材料研究者在鋁合金熱加工過程中的物理模型和軟化機(jī)理研究方面不斷深入，對于深入認(rèn)知鋁合金靜態(tài)軟化機(jī)理及合金成分與工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)，以及高性能鋁合金的工程化應(yīng)用具有重要意義。研究人員在定性、定量顯微組織表征基礎(chǔ)上[46]，分別建立了析出、回復(fù)和再結(jié)晶等靜態(tài)軟化的定量物理模型，如圖4所示。通過建立熱力耦合有限元仿真模型，結(jié)合位錯(cuò)密度模型、統(tǒng)一本構(gòu)模型、粘塑性自洽模型和晶體塑性模型等跨尺度模型[52-55]，可以預(yù)測熱變形后材料的微觀組織和力學(xué)性能演變規(guī)律。在通過理論模型進(jìn)一步揭示力學(xué)性能影響機(jī)制和微觀組織演變規(guī)律的同時(shí)，通過宏微觀性能的定量分析，可不斷加快鋁合金成分、組織設(shè)計(jì)與熱變形工藝參數(shù)優(yōu)化。

2.4 熱處理技術(shù)

析出相的尺寸和分布決定了鋁合金的性能，因此，大量的研究[56-59]聚焦于航空鋁合金析出行為的調(diào)控，通過不同的時(shí)效工藝來實(shí)現(xiàn)晶內(nèi)析出相(matrix precipitates, MPs)、晶界析出相(grain boundary precipitates, GBPs)及無沉淀析出帶(precipitates free zone, PFZ)的精確調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)鋁合金力學(xué)性能、斷裂性能、腐蝕性能等綜合性能匹配。具有高綜合性能的航空鋁合金理想的組織狀態(tài)是：晶內(nèi)析出相細(xì)小彌散，晶界析出相斷續(xù)，盡量減小晶界PFZ寬度。為了得到這一理想組織，材料研究者對鋁合金時(shí)效工藝進(jìn)行了大量的研究。

回歸再時(shí)效(retrogression and reageing, RRA)技術(shù)[60-63]綜合了單級時(shí)效和雙級時(shí)效的優(yōu)點(diǎn)，T77是第一個(gè)申請專利[61]的回歸再時(shí)效工藝，可分為3個(gè)階段(如圖5和圖6所示)：低溫預(yù)時(shí)效，析出大量的GP區(qū)和小尺寸的η′相；高溫回歸，晶界析出相回溶；低溫長時(shí)時(shí)效，晶內(nèi)、晶界析出相緩慢長大。這一過程中,通過高溫回歸提升抗應(yīng)力腐蝕性能，利用再時(shí)效提升材料強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)7XXX系合金力學(xué)性能和耐蝕性能協(xié)同提升。然而，T77技術(shù)高溫回歸階段時(shí)間很短，只有幾分鐘～幾十分鐘，因此，T77技術(shù)在7XXX系厚板的實(shí)際應(yīng)用中受到極大的限制，目前，實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用的厚板最大厚度僅為80 mm。

圖6 RRA過程中組織演變示意圖[62]Fig.6 The precipitated phase evolution schematics during RRA heat treatment[62]:(a)pre-ageing, (b)retrogression, (c)re-ageing

為進(jìn)一步提高航空鋁合金的綜合性能，國內(nèi)在2000年左右率先開展了非等溫時(shí)效工藝研究，并取得了一系列研究成果。如針對厚大截面(截面厚度達(dá)300 mm)7A85鋁合金，在非等溫時(shí)效過程中通過升溫和降溫速率的適當(dāng)匹配可以使7A85合金獲得類似或優(yōu)于雙級過時(shí)效處理后的綜合性能，且使時(shí)效效率提高1倍[64-66]；針對高合金化鋁合金，如7055合金，通過非等溫時(shí)效工藝獲得了與T77相同的效果，但工藝流程更加簡單，有效節(jié)約了成本。但在工業(yè)化條件下如何準(zhǔn)確控制升/降溫速率尚未解決，因此非等溫時(shí)效工藝尚未實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用?；诜堑葴貢r(shí)效工藝，結(jié)合工業(yè)化大生產(chǎn)條件開展積分時(shí)效工藝研究，是針對高合金化厚大截面鋁合金的時(shí)效工藝的一個(gè)研究重點(diǎn)。

3 發(fā)展趨勢與展望

材料基礎(chǔ)技術(shù)的進(jìn)步是航空鋁合金發(fā)展的基礎(chǔ)和內(nèi)在動(dòng)力，需求牽引是航空鋁合金發(fā)展的外在動(dòng)力，在內(nèi)在動(dòng)力和外在動(dòng)力雙重推動(dòng)下，航空鋁合金得以充分發(fā)展。綜合航空裝備發(fā)展需求，結(jié)合航空鋁合金現(xiàn)有技術(shù)發(fā)展水平，筆者認(rèn)為航空鋁合金未來的發(fā)展重點(diǎn)在如下兩大方面。

3.1 研發(fā)新一代高性能航空鋁合金

面向國內(nèi)航空裝備的發(fā)展需求，針對不同的使用部位及服役環(huán)境，研發(fā)新一代高強(qiáng)高韌、高強(qiáng)耐蝕、耐熱鋁合金，進(jìn)一步完善航空鋁合金材料體系。

第三代7050鋁合金是目前國內(nèi)外航空應(yīng)用最為成熟、最為廣泛的鋁合金，用于國內(nèi)外多種飛機(jī)型號的主承力結(jié)構(gòu)，其強(qiáng)度水平在500 MPa級，厚板最大使用厚度可達(dá)200 mm。第四代超高強(qiáng)鋁合金7B50、7A55強(qiáng)度達(dá)600 MPa級，但韌性相比7050厚板有所下降，且使用厚度僅為80 mm，限制了其在厚大截面零部件中的應(yīng)用。航空裝備強(qiáng)烈的減重需求迫切需要高強(qiáng)高韌的高綜合性能鋁合金：材料厚度達(dá)到7050厚板規(guī)格的同時(shí)，強(qiáng)度提升10%～20%，斷裂韌度、疲勞性能等不下降，以進(jìn)一步完善第四代航空鋁合金材料體系。國內(nèi)在7050、7B50、7A55等合金研究的基礎(chǔ)上，已經(jīng)基本探究出鋁合金具有高強(qiáng)高韌高綜合性能的特征微結(jié)構(gòu)，目前正在開展第四代高強(qiáng)高韌航空鋁合金的研究工作。

在超高強(qiáng)鋁合金方面，針對飛機(jī)長桁等高剛度需求部位，進(jìn)一步發(fā)展700 MPa級第五代超高強(qiáng)鋁合金，實(shí)現(xiàn)其工程應(yīng)用，也是一個(gè)重要的發(fā)展方向。

艦載機(jī)等長期在海洋環(huán)境下服役，對鋁合金的耐蝕性能提出了更高的要求，發(fā)展強(qiáng)度500 MPa以上，有良好的抗晶間腐蝕、抗剝落腐蝕、抗應(yīng)力腐蝕能力的高強(qiáng)耐蝕鋁合金具有重要的意義。針對高強(qiáng)耐蝕鋁合金，對應(yīng)力腐蝕開裂機(jī)制的認(rèn)識也逐漸從陽極溶解轉(zhuǎn)變到氫致開裂，再到兩者共同，且研究表明陽極溶解為氫致開裂的先決條件[67]。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，為了降低應(yīng)力腐蝕開裂敏感性，一方面要控制腐蝕的起源，即晶界析出相和其他粗大析出相的尺寸和數(shù)量等；另一方面也要控制腐蝕的速率，即晶界和晶內(nèi)的電位差和PFZ的寬度等[67-69]。理想的組織特征是：尺寸適中且斷續(xù)分布的GBPs,晶界η相含有較高的Cu含量，較窄的PFZ寬度以及較少的粗大析出相等。此外，也有研究嘗試通過加入微合金化元素來定向誘導(dǎo)Cu元素的析出，降低晶界和晶內(nèi)電位差來提高鋁合金抗應(yīng)力腐蝕性能。如何平衡Cu含量，實(shí)現(xiàn)特征微結(jié)構(gòu)的精確控制，是開發(fā)高強(qiáng)耐蝕鋁合金的研究重點(diǎn)。

隨著航空裝備向更快、更高、更遠(yuǎn)的方向發(fā)展，對機(jī)體結(jié)構(gòu)材料耐熱性和減重的要求更加突出，迫切需要發(fā)展耐熱鋁合金。目前，大型結(jié)構(gòu)件用耐熱鋁合金選材空間有限，僅有2618、2219、2014等經(jīng)典鋁合金，耐熱溫度均在200 ℃以下，持續(xù)推進(jìn)高性能耐熱鋁合金的自主研發(fā)，特別是使用溫度在250～350 ℃的耐熱鋁合金，具有重要的意義。近年來，針對耐熱鋁合金的研發(fā)，研究者提出微觀組織穩(wěn)定化為核心的材料設(shè)計(jì)思路，從熱穩(wěn)定強(qiáng)化相的選擇及第二相顆粒的高溫?zé)岱€(wěn)定化兩方面開展了大量的研究[70]，Al-Cu-Mg-Ag系、Al-Zn-Mg系合金是很有潛力的耐熱鋁合金體系。通過引入耐熱型析出相[71-75]或彌散相[76](如Al3X，X=Sc，Zr等)，引導(dǎo)單一序列析出的同時(shí)構(gòu)建更為穩(wěn)定的析出相內(nèi)部[77-79]及界面[80, 81]結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提升合金耐高溫性能。

3.2 大規(guī)格航空鋁合金及構(gòu)件整體成形

隨著飛機(jī)對低成本、高可靠性的需求日益迫切，大型構(gòu)件的整體制造已經(jīng)成為飛機(jī)制造的一個(gè)重要發(fā)展方向，這就需要超大規(guī)格鋁合金材料以及適用于先進(jìn)整體制造工藝的鋁合金材料來保證。

2010年起，國內(nèi)陸續(xù)建設(shè)了航空用大規(guī)格高性能鋁合金材料生產(chǎn)裝備，如50 t級熔鑄爐、板寬4300 mm級的軋機(jī)、80 000 t鍛壓機(jī)、12 000 t預(yù)拉伸機(jī)等裝備，國內(nèi)具備生產(chǎn)超大規(guī)格鋁合金材料的裝備條件。隨著航空裝備尺寸的進(jìn)一步增大，需要超長、超寬、超厚等超大規(guī)格厚板。尺寸放大后，要著重解決超大規(guī)格鑄錠制備、熱加工過程組織性能均勻性控制、熱處理工藝精確調(diào)控等問題，實(shí)現(xiàn)工程化穩(wěn)定生產(chǎn)及應(yīng)用。

隨著蠕變時(shí)效成形[82, 83]、攪拌摩擦焊[84, 85]、激光束焊接[86]等大規(guī)格鋁合金構(gòu)件成形技術(shù)的進(jìn)步，發(fā)展超大規(guī)格鋁合金構(gòu)件整體成形是一個(gè)研究熱點(diǎn)。目前時(shí)效成形技術(shù)在歐美等國家正成為機(jī)翼翼面等重要部件的新型制造技術(shù)，空客公司對7449-T7951厚板采用時(shí)效成形技術(shù)成功制備出空客A380整體機(jī)翼壁板，并使制造周期大幅縮短。針對超大規(guī)格鋁合金構(gòu)件整體成形技術(shù)的研究也是未來航空鋁合金發(fā)展的一個(gè)重要方向。

4 結(jié) 語

經(jīng)過百余年的發(fā)展，國內(nèi)航空鋁合金的研發(fā)與應(yīng)用水平已經(jīng)與國外并駕齊驅(qū)，材料研究者已經(jīng)探索出具有優(yōu)異綜合性能的航空鋁合金的特征結(jié)構(gòu)。伴隨著計(jì)算材料學(xué)以及顯微表征手段和制備技術(shù)的快速發(fā)展，航空鋁合金研發(fā)已經(jīng)轉(zhuǎn)向?yàn)檎蛟O(shè)計(jì)：基于微觀組織設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，通過原子尺度的表征和調(diào)控，實(shí)現(xiàn)合金的目標(biāo)性能。在這種思路的指導(dǎo)下，新一代鋁合金的研發(fā)仍有大量基礎(chǔ)理論、工程化應(yīng)用方面的問題亟待解決，還需要材料工作者不斷努力，使我國成為航空鋁合金研發(fā)與應(yīng)用強(qiáng)國。