2.2 有色金属材料

2.2.1 铝合金材料

在纯铝中配制添加合金元素就成为铝合金，其综合性能可明显提高，成为具有优良性能的轻型结构材料。铝合金可分为变形铝合金与铸造铝合金。变形铝合金一般分为防锈铝、硬铝、超硬铝、锻铝等。

防锈铝：属于Al-Mg、Al-Mg系合金，其抗蚀性能高，具有良好的塑性和焊接性，有较高的强度，可冷态压力加工，可冷作硬化，但不能进行热处理强化。防锈铝可用于制造低负荷的深压延零件、各种低压容器及生活器具。

硬铝：属于Al-Cu-Mg、Al-Cu-Mg系合金，可热处理强化，其强度高，在退火及刚淬火状态时塑性和焊接性良好，可冷态压力加工，多数硬铝均在淬火并自然时效状态下使用。硬铝适用于制造承受中等或高荷载的焊接件及结构零件，如飞机骨架、蒙皮、翼梁等。

超硬铝：属于Al-Mg-Cu系基础上加入Zn而形成的铝合金，其强度高，但有应力腐蚀倾向，缺口敏感性大，工艺性差。适用于制造承力结构，如飞机大梁、桁条、翼肋、起落架等。

锻铝：主要属于Al-Mg-Si系合金，可进行热处理强化，中等强度，耐蚀性高，无应力腐蚀倾向，焊接性良好。在Al-Mg-Si系合金中加入Cu，成为Al-Cu-Mg-Si合金，其强度有所提高，接近于硬铝，工艺性优于硬铝，但耐蚀性稍差。这类铝合金具有良好的铸造性能，俗称锻造铝合金。

铸造铝合金按其基本合金元素的不同，可分为Al-Si系、Al-Cu系、Al-Mg系和Al-Zn系铸造铝合金。

Al-Si系合金的铸造性能好，抗腐蚀性高，密度小于其他铸造铝合金，力学性能良好。主要缺点是：产生薄膜和吸气性倾向大，易使铸件产生废品。这类合金适用于制造各种形状复杂、承受一定负荷、耐冲击、耐腐蚀的结构件。

Al-Cu系合金的强度较高、热强性较好(使用温度可达300℃)，形成氧化膜倾向小。其缺点是：密度大，耐蚀性差，铸造性能不好。可用于制造高强度、高温条件下工作的零件及形状简单、对耐蚀要求不高的零件。

Al-Mg系铸造合金的耐蚀性好，含镁7%~8%的合金，其耐蚀性与纯铝相近，强度高，密度低。但是铸造性差，熔铸工艺复杂，热强性差，可用于制造耐腐蚀、负荷较大的铸件。

Al-Zn系铸造合金的优点是强度高、铸造工艺简单、自然时效能力强。在Al-Zn合金中加入一定量的硅和少量的镁、铬、钛等元素，其性能更佳，但密度较大，热强性差，抗蚀能力不高。

2.2.2 镁合金材料

在纯镁中配制添加合金元素就成为镁合金，其综合性能高于纯镁。镁合金的分类有3种依据：合金的化学成分、成型工艺和是否含锆。

按化学成分不同，镁合金可分为Mg-Al、Mg-Mn、Mg-Zn、Mg-Re、Mg-Zr、Mg-Th、Mg-Ag和Mg-Li等二元系，以及Mg-Al-Zn、Mg-Al-Mn、Mg-Mn-Ce、Mg-Re-Zr、Mg-Zn-Zr三元系及其他多组元系镁合金。按成型工艺不同，镁合金可分为变形镁合金和铸造镁合金。按是否含锆，镁合金可分为无锆镁合金和含锆镁合金。工业上主要使用第三种分类方法。

1．无锆镁合金

Mg-Al系合金。铝是镁合金中最主要的合金元素。Mg-Al合金共晶温度较低，随着Al含量的增加，其铸造性能提高，但是铝的含量不可过高，否则将导致铝合金的形变性能下降。Mg-Al系合金具有优异的力学性能及良好的抗蚀性。德国曾因军事需要首先使用Mg-Al系铸造镁合金。在Mg-Al二元合金的基础之上，开发了Mg-Al-Zn、Mg-Al-Mn、Mg-Al-Si和Mg-Al-Re等三元系合金。其中，锌能提高镁合金的拉伸性能，锰能改善镁合金的抗腐蚀性能。

Mg-Mn系合金。Mg-Mn系合金属于变形镁合金。其铸造工艺性能很差，凝固收缩很大，热裂倾向大，合金强度低，合金的强化主要依靠形变强化。Mn在加热时能阻碍晶粒的长大，因此Mg-Mn系合金在热变形或退火后力学性能下降不大。在Mg-Mn合金中添加适量的Ce能起到细化晶粒的作用，使合金的强度和塑性提高。Mg-Mn系合金具有优良的耐蚀性和焊接性，可用于制造飞机蒙皮、内壁及内部构件等。

Mg-Zn系合金。Zn固溶于Mg得到Mg-Zn合金，当Zn的含量少于6%时，Mg-Zn合金的屈服强度和抗拉强度随Zn含量的增加而提高，延伸率相应地下降；当Zn的含量大于6%时，其抗拉强度随Zn含量的增加而下降，延伸率下降更快。Zn在Mg中的最大固溶度为6.2%，并且固溶度随温度的降低而下降，因此Mg-Zn系合金可时效强化。由于Mg-Zn合金在凝固过程中形成连续的GP区以及有半连续的中间相析出，因此不可通过热处理或变质处理来细化晶粒。镁锌二元合金结晶温度区间大，流动性差，容易产生显微疏松，并且晶粒细化困难，从而不能用于工业用铸件和锻件，大大限制了其工业应用。为了扩大Mg-Zn合金的应用范围，人们开发了Mg-Zn-Cu、Mg-Zn-Mn及Mg-Zn-Re三元合金。其中，Cu能显著提高合金的延展性并增强时效硬化效应，稀土元素可以提高合金的流动性和抗蠕性能。

Mg-Li系合金。镁锂合金是最具有代表性的超轻高比强合金。根据Li含量和合金组织的不同，可分为以下3类：

①Li含量小于5.5%的合金，其组织为Li在密排六方晶格Mg中固溶体。

②Li含量为5.5%~10.2%的合金，其组织为固溶体和不规则的片状β相。

③Li含量大于10.2%的合金，全部由β固溶体的晶粒组成。

Mg-Li合金由于含有Li，其化学活性很高，Li很容易与空气中的氧、氢、氮发生反应生成稳定的化合物，因此Mg-Li合金的熔炼和铸造必须在惰性气体氛围中进行。Mg-Li合金的抗蚀性低于一般的镁合金，应力腐蚀倾向严重。但其比强度高，振动衰减性好，切削加工性好，是宇航工业的理想结构材料。

2．含锆镁合金

Mg-Zn-Zr系合金。Mg-Zn系合金容易产生晶粒长大，而Zr能细化晶粒，是Mg-Zn铸态合金中最有效的细化晶粒元素。由此发展了Mg-Zn-Zr系合金，它可以通过时效处理强化，其中Zn是最主要的强化元素。Mg-Zn-Zr系合金随着Zn元素的增加，结晶温度区间加大，热裂倾向增大，焊接性能变差，因此一般不宜用于制造形状复杂的铸件及焊接结构。我国目前的Mg-Zn-Zr系合金只有MB15一个牌号，是工业变形镁合金中强度最高、综合性能最好、应用广泛的结构合金。

Mg-Re-Zr系合金。镁能与稀土元素Ce、La和Nd等形成固溶体，其富镁区为低熔点简单共晶并在晶界处形成网络，抑制微孔形成，因此具有良好的铸造性。其中，Nd能使镁合金在常温和高温下同时获得强化，Ce和含Ce的混合稀土虽然对改善耐热性效果较好，但其常温强化作用差，La在两方面都不如Ce。Mg-Re合金具有较高的抗腐蚀性，一般可在423~523 K下使用。

Mg-Th系合金。钍能提高合金的抗蠕变性，这与沉淀强化相Mg3 Th、Mg23 Th6在晶内及晶界不连续分布有关。Mg-Th合金的工作温度高于623 K，并且Th和其他元素一起能改善合金的铸造性能和焊接性能。Mg-Th合金中的Zn沿晶界形成针状组织，进一步提高了抗蠕变强度。Mg-Th合金曾应用于导弹和飞机上。

Mg-Ag系合金。银能明显改善Mg-Re合金的时效强化效应，目前人们已经开发了几种不同成分的高温合金，如QE22、QH21和QE22。QE型合金抗疲劳性能优良，蠕变性能较好。QE22 A是航空领域应用最为广泛的铸造Mg-Ag合金，主要应用于落地轮、齿轮箱等。

2.2.3 钛合金材料

钛是同素异构体，熔点为1668℃，在低于882℃时呈密排六方晶格结构，称为α钛；在882℃以上时呈体心立方晶格结构，称为β钛。利用钛的上述2种结构的不同特点，添加适当的合金元素，使其相变温度及相分含量逐渐改变而得到不同组织的钛合金。室温下，钛合金有3种基体组织，也就分为以下3类：α合金、α+β合金和β合金。我国分别以TA、TC、TB表示。

α钛合金。它是α相固溶体组成的单相合金，不论是在一般温度下还是在较高的实际应用温度下，均是α相，组织稳定，耐磨性高于纯钛，抗氧化能力强。在500~600℃的温度下，仍保持其强度和抗蠕变性能，但不能进行热处理强化，室温强度不高。

β钛合金。它是β相固溶体组成的单相合金，未热处理即具有较高的强度，淬火、时效后合金得到进一步强化，室温强度可达1372~1666 MPa；但热稳定性较差，不宜在高温下使用。

α+β钛合金。它是双相合金，具有良好的综合性能，组织稳定性好，有良好的韧性、塑性和高温变形性能，能较好地进行热压力加工，能进行淬火，时效使合金强化。热处理后的强度比退火状态提高50%~100%；高温强度高，可在400~500℃的温度下长期工作，其热稳定性次于α钛合金。

3种钛合金中最常用的是α钛合金和α+β钛合金。α钛合金的切削加工性最好，α+β钛合金次之，β钛合金最差。

钛合金按用途可分为耐热合金、高强合金、耐蚀合金(钛-钼、钛-钯合金等)、低温合金以及特殊功能合金(钛-铁储氢材料和钛-镍记忆合金)等。钛合金通过调整热处理工艺可以获得不同的相组成和组织。一般认为细小等轴组织具有较好的塑性、热稳定性和抗疲劳强度；针状组织具有较高的持久强度、蠕变强度和断裂韧性；等轴和针状混合组织具有较好的综合性能。