轻质合金材料及其应用.ppt

轻质合金材料铝、镁、钛等轻金属密度小：铝、镁、钛等轻金属密度小：镁镁(1.74 g/cm3)、铝、铝(2.70 g/cm3)、钛、钛(4.5 g/cm3)。其相应的铝合金、镁合金和钛合金则被称为轻合金。其相应的铝合金、镁合金和钛合金则被称为轻合金。.一一 铝合金铝合金 1 1、铝及铝合金性能特点、铝及铝合金性能特点 纯铝具有银白色金属光泽纯铝具有银白色金属光泽,密密度小度小(2.72),(2.72),熔点低熔点低(660.4),(660.4),导电、导热性能优良。导电、导热性能优良。耐大气腐蚀，易于加工成形耐大气腐蚀，易于加工成形.具有面心立方晶格，无同素具有面心立方晶格，无同素异构转变，无磁性。异构转变，无磁性。铝合金制造的机翼铝合金制造的机翼.铝合金既具有高强度又保持纯铝的优良特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铝合金常加入的元素主要有CuCu、MnMn、Si Si、MgMg、ZnZn等，此外还有等，此外还有CrCr、NiNi、TiTi、Zr Zr 等辅加元素。等辅加元素。铝合金型材铝合金型材铝铸件铝铸件.铝合金的用途 铝合金在铝合金在铝合金在铝合金在2020世纪初才开始工业应用。世纪初才开始工业应用。世纪初才开始工业应用。世纪初才开始工业应用。铝合金在二战期间主要用于军用飞机。铝合金在二战期间主要用于军用飞机。铝合金在二战期间主要用于军用飞机。铝合金在二战期间主要用于军用飞机。战后，铝合金开始转入民用，范围由航空扩展到建筑、战后，铝合金开始转入民用，范围由航空扩展到建筑、战后，铝合金开始转入民用，范围由航空扩展到建筑、战后，铝合金开始转入民用，范围由航空扩展到建筑、包装、交通运输、机械制造等行业。包装、交通运输、机械制造等行业。包装、交通运输、机械制造等行业。包装、交通运输、机械制造等行业。知道目前，铝合金用量和范围仅次于钢铁，成为第二知道目前，铝合金用量和范围仅次于钢铁，成为第二知道目前，铝合金用量和范围仅次于钢铁，成为第二知道目前，铝合金用量和范围仅次于钢铁，成为第二大金属材料。大金属材料。大金属材料。大金属材料。高强度、高韧性是铝合金的主要方向。高强度、高韧性是铝合金的主要方向。高强度、高韧性是铝合金的主要方向。高强度、高韧性是铝合金的主要方向。.常用铝合金常用铝合金 防锈铝合金防锈铝合金主要是主要是Al-MnAl-Mn和和Al-MgAl-Mg系合金。系合金。MnMn和和MgMg主要作用是主要作用是卫星天线卫星天线（LF2）提高抗蚀能力和塑性，并起固溶强化作用。提高抗蚀能力和塑性，并起固溶强化作用。l防锈铝合金锻造退火后组织为单相固溶体，抗蚀性、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。焊接性能好，易于变形加工，但切削性能差。l不能进行热处理强化，常利用加工硬化提高其强度。不能进行热处理强化，常利用加工硬化提高其强度。.汽化汽化汽化汽化器器器器(热热热热交换交换交换交换管为管为管为管为LF21LF21)常用的常用的Al-MnAl-Mn系合金有抗蚀性和强度高于纯铝，用系合金有抗蚀性和强度高于纯铝，用于制造油罐、油箱、管道于制造油罐、油箱、管道、铆钉等需要弯曲、冲压铆钉等需要弯曲、冲压加工的零件。加工的零件。常用的常用的Al-MgAl-Mg系合金有系合金有 LF5LF5（5A05 5A05）,其密度比其密度比 纯纯铝铝小小，强强度度比比Al-Mn合合金金高高，在在航航空空工工业业中中得得到到广广泛泛应应用用，如如制制造造管管道道、容容器器、铆铆钉钉及及承承受受中中等等载载荷荷的零件。的零件。.硬铝合金硬铝合金主要是主要是Al-Cu-MgAl-Cu-Mg系合金，并含少量系合金，并含少量MnMn。可进行时效强化，也可进行变形强化。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。强度、硬度高，加工性能好，耐蚀性低于防锈铝。l常用硬铝合金如用于常用硬铝合金如用于制造冲压件制造冲压件、模锻件模锻件和铆接件，如螺旋桨、和铆接件，如螺旋桨、梁、铆钉等梁、铆钉等.飞机翼梁飞机翼梁(腹板腹板为硬铝合金为硬铝合金).超硬铝合金超硬铝合金属属Al-Zn-Mg-CuAl-Zn-Mg-Cu系合金，并含系合金，并含有少量有少量CrCr和和MnMn。时效强化效果超过硬铝合金时效强化效果超过硬铝合金.热态塑性好，但耐蚀性差。热态塑性好，但耐蚀性差。常用合金有主要用于工作温常用合金有主要用于工作温度较低、受力较大的结构件度较低、受力较大的结构件,如飞机大梁如飞机大梁、起落架等起落架等.飞飞机机主主起起落落架架.锻铝合金锻铝合金Al-Cu-Mg-SiAl-Cu-Mg-Si系合金系合金 可锻可锻性好，力学性能高，用性好，力学性能高，用于形状复杂的锻件和模于形状复杂的锻件和模锻件，如喷气发动机压锻件，如喷气发动机压气机叶轮、导风轮等气机叶轮、导风轮等.压气机叶片压气机叶片压气机叶片压气机叶片lAl-Cu-Mg-Fe-Ni系耐热锻铝合金系耐热锻铝合金 用于制造用于制造150 225下工作的零件，如压气机叶片、超音速飞下工作的零件，如压气机叶片、超音速飞机蒙皮等。机蒙皮等。.美美F-117隐身战斗机隐身战斗机(所用材料大部分是铝合金所用材料大部分是铝合金)高比强铝合金机翼高比强铝合金机翼.铸造铝合金铸造铝合金 包括：包括：Al-SiAl-Si系、系、Al-CuAl-Cu系、系、Al-MgAl-Mg系、系、Al-ZnAl-Zn系。系。Al-SiAl-Si系铸造铝合金系铸造铝合金.加入其他合金元素的铝硅铸造加入其他合金元素的铝硅铸造合金。合金。Al-SiAl-Si系铸造铝合金的铸造性能系铸造铝合金的铸造性能好，具有优良的耐蚀性、耐热好，具有优良的耐蚀性、耐热性和焊接性能。性和焊接性能。活塞活塞(裙部为铝硅合金裙部为铝硅合金)l用于制造飞机、仪用于制造飞机、仪表、电动机壳体、表、电动机壳体、汽缸体、风机叶片汽缸体、风机叶片、发动机活塞等。发动机活塞等。.Al-CuAl-Cu系铸造铝合金系铸造铝合金这类合金的耐热性好，强度较高；但密度大，铸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，强度低于造性能、耐蚀性能差，强度低于Al-SiAl-Si系合金。系合金。汽缸头汽缸头l主要用于制造在较高温主要用于制造在较高温度下工作的高强零件，度下工作的高强零件，如内燃机汽缸头、汽车如内燃机汽缸头、汽车活塞等。活塞等。.Al-MgAl-Mg系铸造铝合金系铸造铝合金这类合金的耐蚀性好，强度高，密度小；但铸造性这类合金的耐蚀性好，强度高，密度小；但铸造性能差能差,耐热性低。耐热性低。主要用于制造外形主要用于制造外形简单、承受冲击载简单、承受冲击载荷、在腐蚀性介质荷、在腐蚀性介质下工作的零件下工作的零件,如舰如舰船配件、氨用泵体船配件、氨用泵体等。等。鼓风机密封件等鼓风机密封件等(ZL102、301).Al-ZnAl-Zn系铸造铝合金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。强化；但密度大，耐蚀性较差。大型空压机活塞大型空压机活塞大型空压机活塞大型空压机活塞(ZL401)(ZL401)l主要用于制造形状复主要用于制造形状复杂受力较小的汽车、杂受力较小的汽车、飞机、仪器零件。飞机、仪器零件。.其它非铁合金二 镁及其合金镁及其合金 纯纯镁镁：1.74 1.74 g/cmg/cm3 3，Tm651651，密密排排六六方方结结构构。纯纯镁镁强强度度不不高高，室室温温塑塑性性较较低低，耐耐蚀蚀性性较较差差，易易氧氧化化。工工业业纯纯镁镁代代号号用用M M顺顺序序号号表表示示。纯纯镁镁主主要要用用于于配配制制镁镁合合金和其它合金，还可用作化工与冶金的还原剂。金和其它合金，还可用作化工与冶金的还原剂。镁镁合合金金：纯纯镁镁中中加加入入AlAl、ZnZn、MnMn、ZrZr及及稀稀土土等等元元素素，制制成成镁镁合合金金。主主要要有有Mg-MnMg-Mn系系、Mg-Al-Zn Mg-Al-Zn 系系、Mg-Zn-ZrMg-Zn-Zr系系 和和Mg-Re-ZrMg-Re-Zr系系等等合合金金系系。它它们们分分为为变变形形镁镁合合金金和和铸铸造镁合金两大类。造镁合金两大类。.其它非铁合金、镁及其合金镁及其合金.手机、电脑、笔记本电脑等手机、电脑、笔记本电脑等3C3C产品产品全镁合金手机、笔记本电脑等全镁合金手机、笔记本电脑等3C3C产品产品.兵器（兵器（减重减重）.汽车、摩托车、飞机零件汽车、摩托车、飞机零件（减震、节能、提高驾乘舒适度）（减震、节能、提高驾乘舒适度）轿车用镁合金轮毂轿车用镁合金轮毂 直升机变速箱壳体直升机变速箱壳体.轿车用镁合金齿轮箱轿车用镁合金齿轮箱.镁合金曲轴发镁合金曲轴发动机左、右箱体动机左、右箱体盖；盖；镁合金曲轴镁合金曲轴发动机后盖；发动机后盖；镁合金前、镁合金前、后轮毂；后轮毂；镁合金后扶镁合金后扶手；手；镁合金锁扣镁合金锁扣。全镁概念摩托车，全镁概念摩托车，12个零部件个零部件用镁合金替代（减重用镁合金替代（减重6Kg）.Mg-MnMg-Mn系合金，具有良好的耐蚀性和焊接性，使用温度系合金，具有良好的耐蚀性和焊接性，使用温度不超过不超过150150。主要用于制作飞机蒙皮、壁板及宇航结。主要用于制作飞机蒙皮、壁板及宇航结构件。构件。Mg-LiMg-Li系合金是一种新型的镁合金，它密度小，强度高，系合金是一种新型的镁合金，它密度小，强度高，塑性、韧性好，焊接性好，缺口敏感性低，在航空、塑性、韧性好，焊接性好，缺口敏感性低，在航空、航天工业中具有良好的应用前景。航天工业中具有良好的应用前景。.Mg-Al-ZnMg-Al-Zn系系的的ZM5ZM5和和Mg-Zn-ZrMg-Zn-Zr系系的的ZM1ZM1、ZM2ZM2、ZM7ZM7、ZM8ZM8具具有有较较高高的的强强度度，良良好好的的塑塑性性和和铸铸造造工工艺艺性性能能，但但耐耐热热性性较较差差，主主要要用用于于制制造造150150以以下下温温度度工工作作的的飞飞机机、导导弹弹、发发动动机机中中承承受受较较高高载载荷荷的的结结构构件件或或壳壳体体。Mg-Re-ZrMg-Re-Zr的的ZM3ZM3、ZM4ZM4和和ZM6ZM6具具有有良良好好的的铸铸造造性性能能，常常温温强强度度和和塑塑性性较较低低，但但耐耐热热性性较较高高，主主要要用用于于制制造造250250以以下下温温度度工作的高气密零件。工作的高气密零件。.阻燃镁合金抗氧化方法阻燃镁合金抗氧化方法(1)(1)熔剂保护阻燃法。在镁合金整个熔炼过程中，在熔剂保护阻燃法。在镁合金整个熔炼过程中，在熔剂保护下隔绝大气进行。镁合金采用熔剂保护防燃熔剂保护下隔绝大气进行。镁合金采用熔剂保护防燃使用最早也最广泛，具有工业应用价值。使用最早也最广泛，具有工业应用价值。(2)(2)气体保护阻燃法。常用气体为气体保护阻燃法。常用气体为SFSF6 6、COCO2 2和和SOSO2 2。其。其中中SFSF6 6为无色无味无毒气体，是最常用的镁合金保护气为无色无味无毒气体，是最常用的镁合金保护气氛。氛。但但SFSF6 6、COCO2 2等气体具有强烈的等气体具有强烈的“温室效应温室效应”，由，由于它们对环境的污染需要找到一种合适的替代气体。于它们对环境的污染需要找到一种合适的替代气体。(3)(3)添加合金元素阻燃法。在镁合金中只需加入少量添加合金元素阻燃法。在镁合金中只需加入少量的的BeBe、CaCa，可制备出燃点很高的阻燃镁合金。，可制备出燃点很高的阻燃镁合金。BeBe与与O O2 2生成生成BeOBeO膜致密，也有明显的阻燃作用，但膜致密，也有明显的阻燃作用，但BeBe、CaCa的加的加入量需要严格控制，否则会强烈恶化组织，造成晶粒入量需要严格控制，否则会强烈恶化组织，造成晶粒长大和热裂倾向加大。长大和热裂倾向加大。.耐腐蚀镁合金耐腐蚀镁合金合金元素对镁腐蚀速率的影响合金元素对镁腐蚀速率的影响提高镁合金耐蚀性能的工作：提高镁合金耐蚀性能的工作：提高镁及镁合金的纯度；提高镁及镁合金的纯度；添加新合金化元素开发新合金；添加新合金化元素开发新合金；表面保护；表面保护；化学处理、阳极氧化、有机物涂层、化学处理、阳极氧化、有机物涂层、电镀电镀 采用新工艺和新技术；采用新工艺和新技术；快速凝固技术、离子注入快速凝固技术、离子注入激光表面熔覆激光表面熔覆.高温应用的铸造镁合金高温应用的铸造镁合金 普通普通Mg-AlMg-Al、Mg-ZnMg-Zn系铸造镁合金使用温度限于系铸造镁合金使用温度限于150200C150200C。应用于更高。应用于更高温度下的耐热镁合金主要是温度下的耐热镁合金主要是Mg-REMg-RE、Mg-ThMg-Th系合金。系合金。钍是提高镁合金高温性能最有效的合金元素，但钍的低放射性限制了钍是提高镁合金高温性能最有效的合金元素，但钍的低放射性限制了Mg-ThMg-Th合金的应用。合金的应用。Mg-RE Mg-RE合金中加入少量的锆（合金中加入少量的锆（ZrZr）、）、LaLa、CeCe等能够起到晶粒细化、提高等能够起到晶粒细化、提高抗拉强度等作用。抗拉强度等作用。添加钪、钇对镁合金的有益影响是又一个非常重要的发现，添加钪、钇对镁合金的有益影响是又一个非常重要的发现，DritsDrits等开等开发了一系列耐热高强发了一系列耐热高强WEWE型镁合金。该类合金良好的力学性能使其广泛应用于型镁合金。该类合金良好的力学性能使其广泛应用于赛车及飞行器变速箱壳体上。赛车及飞行器变速箱壳体上。.变形镁合金变形镁合金与铸造镁合金相比，变形镁合金材料比铸造镁合金材料具有更高的强度，更好的与铸造镁合金相比，变形镁合金材料比铸造镁合金材料具有更高的强度，更好的延展性，更多样化的力学性能，从而满足更多样的结构件的需求。延展性，更多样化的力学性能，从而满足更多样的结构件的需求。常用变形镁合金常用变形镁合金Mg-Al-ZnMg-Al-Zn系、系、Mg-Zn-ZrMg-Zn-Zr、Mg-MnMg-Mn系；系；超轻超轻Mg-LiMg-Li系变形镁合金；系变形镁合金；Mg-40%LiMg-40%Li(1.0 g/cm 1.0 g/cm3 3).三 钛合金 钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，钛合金因具有比强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于各个领域。世界上许多国家都认识到钛合金材料的重要性，相继对其进行研究开发，并得到了实际应用。第一个实用的钛合金是1954年美国研制成功的Ti-6Al-4V合金，由于它的耐热性、强度、塑性、韧性、成形性、可焊性、耐蚀性和生物相容性均较好，而成为钛合金工业中的王牌合金，该合金使用量已占全部钛合金的7585。其他许多钛合金都可以看做是Ti-6Al-4V合金的改型。.钛合金20世纪5060年代，主要是发展航空发动机用的高温钛合金和机体用的结构钛合金，70年代开发出一批耐蚀钛合金，80年代以来，耐蚀钛合金和高强钛合金得到进一步发展。耐热钛合金的使用温度已从50年代的400提高到90年代的600650。.钛合金钛合金纯钛加入合金元素形成钛合金。纯钛加入合金元素形成钛合金。钛合金几乎都含有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铝。铝能提高钛合金的强度、比强度和再结晶温度.l按退火组织，钛合金可分按退火组织，钛合金可分为为 型钛合金、型钛合金、型钛合金型钛合金和和+型钛合金三类，它型钛合金三类，它们的牌号分别用们的牌号分别用TA、TB、TC加顺序号表示加顺序号表示。如。如TA5、TB2、TC4等。其等。其中中TA0TA3为工业纯钛。为工业纯钛。钛合金泵钛合金泵.钛合金（1.1.型型钛合金钛合金 ）性性能能：室室温温强强度度低低，高高温温强强度度高高；具具有有良良好好的的抗抗氧氧化化性性、焊接性和耐蚀性，不可热处理强化，退火态使用；焊接性和耐蚀性，不可热处理强化，退火态使用；牌牌号号：TA4TA4、TA5TA5、TA6TA6、TA7TA7、TA8TA8等等，常常用用的的有有TA5TA5、TA7TA7等，以等，以TA7TA7最常用。最常用。TA7TA7还具有优良的低温性能；还具有优良的低温性能；用用途途：用用于于制制造造500500以以下下温温度度工工作作的的火火箭箭、飞飞船船的的低低温温高高压压容容器器，航航空空发发动动机机压压气气机机叶叶片片和和管管道道、导导弹弹燃燃料料缸等。缸等。TA5TA5主要用于制造船舰零件。主要用于制造船舰零件。.型钛合金型钛合金主加元素为铝，还有主加元素为铝，还有锡、硼等。锡、硼等。不能热处理强化，通不能热处理强化，通常在退火状态下使用常在退火状态下使用,组织为单相组织为单相 固溶体固溶体.强度低于另两类钛合强度低于另两类钛合金，但高温强度、低金，但高温强度、低温韧性及耐蚀性优越温韧性及耐蚀性优越.钛合金氢泵钛合金氢泵诱导轮诱导轮钛合金氢泵壳体钛合金氢泵壳体.主要用于制造主要用于制造500500以下工以下工作的零件，如飞机压气机叶作的零件，如飞机压气机叶片、导弹的燃料罐、超音速片、导弹的燃料罐、超音速飞机的蜗轮机匣及飞船上的飞机的蜗轮机匣及飞船上的高压低温容器等。高压低温容器等。钛合金卫星框架钛合金卫星框架钛合金液下泵钛合金液下泵-Ti合金组织合金组织.钛合金（钛合金（2.2.型钛合金型钛合金 ）牌牌号号：有有TB21TB21、TB2TB2两两个个，可可热热处处理理强强化化，实实际际 应用的为应用的为TB2TB2。性能：性能：合金的强度高、焊接性好。热稳定性差。合金的强度高、焊接性好。热稳定性差。用用途途：用用于于制制造造350350以以下下温温度度工工作作的的飞飞机机压压气气 机叶片、弹簧、紧固件等。机叶片、弹簧、紧固件等。.型钛合金型钛合金加入的合金元素有钼、加入的合金元素有钼、铬、钒、铝等。铬、钒、铝等。经淬火加时效处理后，经淬火加时效处理后，组织为组织为 相基体上分布相基体上分布着细小的着细小的 相粒子。相粒子。这类合金强度高，但冶这类合金强度高，但冶炼工艺复杂，难于焊接炼工艺复杂，难于焊接,应用受到限制。应用受到限制。钛合金管钛合金管钛合金管应用钛合金管应用.主要用于主要用于350350以下工作以下工作的结构件和紧固件的结构件和紧固件,如飞如飞机压气机叶片机压气机叶片、轴轴、弹簧弹簧、轮盘等轮盘等.钛合金棒钛合金棒钛合金眼镜架钛合金眼镜架钛离心泵钛离心泵.钛合金【3.3.()型钛合金】型钛合金】性性能能：具具有有型型和和型型钛钛合合金金的的优优点点，但但焊焊接接性性能能不不如如型钛合金，可通过热处理来强化。型钛合金，可通过热处理来强化。牌牌号号：TC1TC1TC11TC11，常常用用的的有有TC3TC3、TC4TC4、TC6TC6、TC10TC10等等，以以TC4TC4最常用。最常用。用用途途：制制造造400400以以下下工工作作的的航航空空发发动动机机压压气气机机叶叶片片，火火箭箭发发动动机机外外壳壳，火火箭箭和和导导弹弹的的液液氢氢燃燃料料箱箱部部件件，船船舰舰耐耐压压壳壳体体等等。TC10TC10是是在在TC4TC4基基础础上上发发展展起起来来的的，具具有有更更高的强度和耐热性。高的强度和耐热性。.+型钛合金型钛合金加入的合金元素有铝、钒、加入的合金元素有铝、钒、钼钼 铬等。铬等。可进行热处理强化，强度高，塑性好，具有良好的可进行热处理强化，强度高，塑性好，具有良好的热强性、耐蚀性和低温韧性。热强性、耐蚀性和低温韧性。钛钛合合金金列列管管式式换换热热器器.+型钛合金型钛合金主要用于制造主要用于制造 400 400 以下工作的飞机压气以下工作的飞机压气机叶片、火箭发动机外壳、机叶片、火箭发动机外壳、火箭和导弹的液氢燃料箱部火箭和导弹的液氢燃料箱部件及舰船耐压壳体等件及舰船耐压壳体等.生物医用材料生物医用材料飞飞机机压压气气机机叶叶片片.钛合金钛合金（TiTi合金的发展）合金的发展）一般：一般：最高使用温度为最高使用温度为500500。中国：中国：Ti-Al-Sn-Mo-Si-NdTi-Al-Sn-Mo-Si-Nd系，使用温度达系，使用温度达550550。英美：英美：Ti-5.5Al-4Sn-4Zr-1Nb-0.3Mo-0.5SiTi-5.5Al-4Sn-4Zr-1Nb-0.3Mo-0.5Si合金合金 和和Ti-6Al-2.75Sn-4Zr-0.4Nb-0.45SiTi-6Al-2.75Sn-4Zr-0.4Nb-0.45Si合金，合金，使用温度可达使用温度可达600600。最高：最高：以钛铝金属间化合物为基的以钛铝金属间化合物为基的TiTi3 3AlAl基高温钛合基高温钛合 金和金和TiAlTiAl基高温钛合金，使用温度将可达基高温钛合金，使用温度将可达 700700以上。以上。.医用钛合金 钛无毒、质轻、强度高且具有优良的生物相容性，是非常理想的医用金属材料。目前，在医学领域中广泛使用的仍是Ti-6Al-4V ELI合金。但后者会析出极微量的钒和铝离子，降低了其细胞适应性且有可能对人体造成危害，这一问题早已引起医学界的广泛关注。美国早在20世纪80年代中期便开始研制无铝、无钒、具有生物相容性的钛合金，将其用于矫形术。日本、英国等也在该方面做了大量的研究工作，并取得一些新的进展。例如，日本已开发出一系列具有优良生物相容性的+钛合金。.