2.2 有色金屬材料

2.2.1 鋁合金材料

在純鋁中配制添加合金元素就成為鋁合金，其綜合性能可明顯提高，成為具有優良性能的輕型結構材料。鋁合金可分為變形鋁合金與鑄造鋁合金。變形鋁合金一般分為防銹鋁、硬鋁、超硬鋁、鍛鋁等。

防銹鋁：屬于Al-Mg、Al-Mg系合金，其抗蝕性能高，具有良好的塑性和焊接性，有較高的強度，可冷態壓力加工，可冷作硬化，但不能進行熱處理強化。防銹鋁可用于制造低負荷的深壓延零件、各種低壓容器及生活器具。

硬鋁：屬于Al-Cu-Mg、Al-Cu-Mg系合金，可熱處理強化，其強度高，在退火及剛淬火狀態時塑性和焊接性良好，可冷態壓力加工，多數硬鋁均在淬火并自然時效狀態下使用。硬鋁適用于制造承受中等或高荷載的焊接件及結構零件，如飛機骨架、蒙皮、翼梁等。

超硬鋁：屬于Al-Mg-Cu系基礎上加入Zn而形成的鋁合金，其強度高，但有應力腐蝕傾向，缺口敏感性大，工藝性差。適用于制造承力結構，如飛機大梁、桁條、翼肋、起落架等。

鍛鋁：主要屬于Al-Mg-Si系合金，可進行熱處理強化，中等強度，耐蝕性高，無應力腐蝕傾向，焊接性良好。在Al-Mg-Si系合金中加入Cu，成為Al-Cu-Mg-Si合金，其強度有所提高，接近于硬鋁，工藝性優于硬鋁，但耐蝕性稍差。這類鋁合金具有良好的鑄造性能，俗稱鍛造鋁合金。

鑄造鋁合金按其基本合金元素的不同，可分為Al-Si系、Al-Cu系、Al-Mg系和Al-Zn系鑄造鋁合金。

Al-Si系合金的鑄造性能好，抗腐蝕性高，密度小于其他鑄造鋁合金，力學性能良好。主要缺點是：產生薄膜和吸氣性傾向大，易使鑄件產生廢品。這類合金適用于制造各種形狀復雜、承受一定負荷、耐沖擊、耐腐蝕的結構件。

Al-Cu系合金的強度較高、熱強性較好(使用溫度可達300℃)，形成氧化膜傾向小。其缺點是：密度大，耐蝕性差，鑄造性能不好。可用于制造高強度、高溫條件下工作的零件及形狀簡單、對耐蝕要求不高的零件。

Al-Mg系鑄造合金的耐蝕性好，含鎂7%~8%的合金，其耐蝕性與純鋁相近，強度高，密度低。但是鑄造性差，熔鑄工藝復雜，熱強性差，可用于制造耐腐蝕、負荷較大的鑄件。

Al-Zn系鑄造合金的優點是強度高、鑄造工藝簡單、自然時效能力強。在Al-Zn合金中加入一定量的硅和少量的鎂、鉻、鈦等元素，其性能更佳，但密度較大，熱強性差，抗蝕能力不高。

2.2.2 鎂合金材料

在純鎂中配制添加合金元素就成為鎂合金，其綜合性能高于純鎂。鎂合金的分類有3種依據：合金的化學成分、成型工藝和是否含鋯。

按化學成分不同，鎂合金可分為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三元系及其他多組元系鎂合金。按成型工藝不同，鎂合金可分為變形鎂合金和鑄造鎂合金。按是否含鋯，鎂合金可分為無鋯鎂合金和含鋯鎂合金。工業上主要使用第三種分類方法。

1．無鋯鎂合金

Mg-Al系合金。鋁是鎂合金中最主要的合金元素。Mg-Al合金共晶溫度較低，隨著Al含量的增加，其鑄造性能提高，但是鋁的含量不可過高，否則將導致鋁合金的形變性能下降。Mg-Al系合金具有優異的力學性能及良好的抗蝕性。德國曾因軍事需要首先使用Mg-Al系鑄造鎂合金。在Mg-Al二元合金的基礎之上，開發了Mg-Al-Zn、Mg-Al-Mn、Mg-Al-Si和Mg-Al-Re等三元系合金。其中，鋅能提高鎂合金的拉伸性能，錳能改善鎂合金的抗腐蝕性能。

Mg-Mn系合金。Mg-Mn系合金屬于變形鎂合金。其鑄造工藝性能很差，凝固收縮很大，熱裂傾向大，合金強度低，合金的強化主要依靠形變強化。Mn在加熱時能阻礙晶粒的長大，因此Mg-Mn系合金在熱變形或退火后力學性能下降不大。在Mg-Mn合金中添加適量的Ce能起到細化晶粒的作用，使合金的強度和塑性提高。Mg-Mn系合金具有優良的耐蝕性和焊接性，可用于制造飛機蒙皮、內壁及內部構件等。

Mg-Zn系合金。Zn固溶于Mg得到Mg-Zn合金，當Zn的含量少于6%時，Mg-Zn合金的屈服強度和抗拉強度隨Zn含量的增加而提高，延伸率相應地下降；當Zn的含量大于6%時，其抗拉強度隨Zn含量的增加而下降，延伸率下降更快。Zn在Mg中的最大固溶度為6.2%，并且固溶度隨溫度的降低而下降，因此Mg-Zn系合金可時效強化。由于Mg-Zn合金在凝固過程中形成連續的GP區以及有半連續的中間相析出，因此不可通過熱處理或變質處理來細化晶粒。鎂鋅二元合金結晶溫度區間大，流動性差，容易產生顯微疏松，并且晶粒細化困難，從而不能用于工業用鑄件和鍛件，大大限制了其工業應用。為了擴大Mg-Zn合金的應用范圍，人們開發了Mg-Zn-Cu、Mg-Zn-Mn及Mg-Zn-Re三元合金。其中，Cu能顯著提高合金的延展性并增強時效硬化效應，稀土元素可以提高合金的流動性和抗蠕性能。

Mg-Li系合金。鎂鋰合金是最具有代表性的超輕高比強合金。根據Li含量和合金組織的不同，可分為以下3類：

①Li含量小于5.5%的合金，其組織為Li在密排六方晶格Mg中固溶體。

②Li含量為5.5%~10.2%的合金，其組織為固溶體和不規則的片狀β相。

③Li含量大于10.2%的合金，全部由β固溶體的晶粒組成。

Mg-Li合金由于含有Li，其化學活性很高，Li很容易與空氣中的氧、氫、氮發生反應生成穩定的化合物，因此Mg-Li合金的熔煉和鑄造必須在惰性氣體氛圍中進行。Mg-Li合金的抗蝕性低于一般的鎂合金，應力腐蝕傾向嚴重。但其比強度高，振動衰減性好，切削加工性好，是宇航工業的理想結構材料。

2．含鋯鎂合金

Mg-Zn-Zr系合金。Mg-Zn系合金容易產生晶粒長大，而Zr能細化晶粒，是Mg-Zn鑄態合金中最有效的細化晶粒元素。由此發展了Mg-Zn-Zr系合金，它可以通過時效處理強化，其中Zn是最主要的強化元素。Mg-Zn-Zr系合金隨著Zn元素的增加，結晶溫度區間加大，熱裂傾向增大，焊接性能變差，因此一般不宜用于制造形狀復雜的鑄件及焊接結構。我國目前的Mg-Zn-Zr系合金只有MB15一個牌號，是工業變形鎂合金中強度最高、綜合性能最好、應用廣泛的結構合金。

Mg-Re-Zr系合金。鎂能與稀土元素Ce、La和Nd等形成固溶體，其富鎂區為低熔點簡單共晶并在晶界處形成網絡，抑制微孔形成，因此具有良好的鑄造性。其中，Nd能使鎂合金在常溫和高溫下同時獲得強化，Ce和含Ce的混合稀土雖然對改善耐熱性效果較好，但其常溫強化作用差，La在兩方面都不如Ce。Mg-Re合金具有較高的抗腐蝕性，一般可在423~523 K下使用。

Mg-Th系合金。釷能提高合金的抗蠕變性，這與沉淀強化相Mg3 Th、Mg23 Th6在晶內及晶界不連續分布有關。Mg-Th合金的工作溫度高于623 K，并且Th和其他元素一起能改善合金的鑄造性能和焊接性能。Mg-Th合金中的Zn沿晶界形成針狀組織，進一步提高了抗蠕變強度。Mg-Th合金曾應用于導彈和飛機上。

Mg-Ag系合金。銀能明顯改善Mg-Re合金的時效強化效應，目前人們已經開發了幾種不同成分的高溫合金，如QE22、QH21和QE22。QE型合金抗疲勞性能優良，蠕變性能較好。QE22 A是航空領域應用最為廣泛的鑄造Mg-Ag合金，主要應用于落地輪、齒輪箱等。

2.2.3 鈦合金材料

鈦是同素異構體，熔點為1668℃，在低于882℃時呈密排六方晶格結構，稱為α鈦；在882℃以上時呈體心立方晶格結構，稱為β鈦。利用鈦的上述2種結構的不同特點，添加適當的合金元素，使其相變溫度及相分含量逐漸改變而得到不同組織的鈦合金。室溫下，鈦合金有3種基體組織，也就分為以下3類：α合金、α+β合金和β合金。我國分別以TA、TC、TB表示。

α鈦合金。它是α相固溶體組成的單相合金，不論是在一般溫度下還是在較高的實際應用溫度下，均是α相，組織穩定，耐磨性高于純鈦，抗氧化能力強。在500~600℃的溫度下，仍保持其強度和抗蠕變性能，但不能進行熱處理強化，室溫強度不高。

β鈦合金。它是β相固溶體組成的單相合金，未熱處理即具有較高的強度，淬火、時效后合金得到進一步強化，室溫強度可達1372~1666 MPa；但熱穩定性較差，不宜在高溫下使用。

α+β鈦合金。它是雙相合金，具有良好的綜合性能，組織穩定性好，有良好的韌性、塑性和高溫變形性能，能較好地進行熱壓力加工，能進行淬火，時效使合金強化。熱處理后的強度比退火狀態提高50%~100%；高溫強度高，可在400~500℃的溫度下長期工作，其熱穩定性次于α鈦合金。

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

鈦合金按用途可分為耐熱合金、高強合金、耐蝕合金(鈦-鉬、鈦-鈀合金等)、低溫合金以及特殊功能合金(鈦-鐵儲氫材料和鈦-鎳記憶合金)等。鈦合金通過調整熱處理工藝可以獲得不同的相組成和組織。一般認為細小等軸組織具有較好的塑性、熱穩定性和抗疲勞強度；針狀組織具有較高的持久強度、蠕變強度和斷裂韌性；等軸和針狀混合組織具有較好的綜合性能。