铝合金的分类及特性

铝合金按加工方法可以分为铸造铝合金和变形铝合金。

铸造铝合金按其化学成分可以分为铝硅系合金、铝铜系合金、铝镁系合金和铝锌系合金等。

变形铝合金又分为不可热处理强化型铝合金和可热处理强化型铝合金。不可热处理强化型铝合金不能通过热处理来提高力学性能，只能通过冷加工变形来实现强化，主要包括高纯铝、工业纯铝以及防锈铝等。可热处理强化型铝合金可以通过淬火和时效等热处理手段来提高力学性能，主要包括硬铝、锻铝、超硬铝和特殊铝合金等。

1.铸造铝合金

（1）Al-Si系铸造铝合金 这类合金即著名的硅铝明，具有优良的铸造工艺性和气密性，中等强度，适合在常温下使用，可生产形状复杂的铸件，应用很普遍。Al-Si系合金是航空工业应用最广泛的一类铸造铝合金，具有良好的工艺性和耐蚀性。简单二元Al-Si系合金，如ZAlSi12，铸造性很好，但强度较低，大多用于金属型铸造和压力铸造，生产形状复杂、受力小的仪表壳体。除了上述简单二元Al-Si系外，其他合金均单独或同时加入Cu、Mg生成强化相Mg₂Si、CuAl₂或W相（Alx Mg₅ Si₄ Cu₄），赋予合金以热处理强化的能力。Al-Si-Mg系铸造铝合金，如ZAlSi7Mg、ZAlSi9Mg等。在Al-Si二元合金中添加Mg，形成强化相Mg₂Si，能显著提高合金的时效强化能力，改善合金的力学性能。ZAlSi7Mg合金铸造性能接近ZAlSi12，主要用于铸造壁薄、形状复杂和承受中等负载的零件。ZAlSi9Mg在铝硅合金中，强度高，铸造性能也好，但吸氢性强，容易生成气孔，因此需在压力下结晶，用于铸造承受大负载的复杂零件。Al-Si-Mg-Cu系铸造铝合金和前述铝硅合金相比，降低了硅含量并增添了铜，改善了合金的耐热性，如ZAl-Si5Cu1Mg。ZAlSi5Cu1Mg合金一般在人工时效状态下使用，强化相为Mg₂Si及CuAl₂室温性能与ZAlSi9Mg合金相当，但高温性能超过ZAlSi9Mg，除可在常温下使用外，也适于制作250℃以下工作的零件，ZAlSi5Cu1Mg合金的缺点是耐蚀性差。

（2）Al-Cu系铸造铝合金 该系合金的主要强化相是CuAl₂，它本身具有较强的时效硬化能力和热稳定性，适合在高温工作，同时也有较高的室温强度，缺点是铸造工艺性及耐蚀性较差。航空领域常用的此类合金有ZAlCu₄、ZAlCu5Mn。ZAlCu₄合金属于简单的Al-Cu二元合金，该合金耐蚀性较差，人工时效状态尤为明显，适用铸造200℃以下的承受中等负荷的形状简单零件。ZAlCu5Mn属于添加了少量Ti的Al-Cu-Mn系合金基本相组成为α（Al）＋CuAl₂＋T（Al12CuMn₂）。CuAl₂是主要时效强化相，T相有很高的热稳定性，固溶在α相中的Mn，有降低基体原子扩散速度、延缓时效过程的作用，使合金的沉淀硬化效果保持到更高的温度，从而使合金具有优良的常温和高温性能，可在250℃以下使用。该合金的缺点是铸造工艺性较差，气密性较低。为了进一步提高Al-Cu系铸造铝合金的耐热性，同时改善合金的综合性能，在Al-Cu系合金中，发展出了一系列的新型高强或耐热铝合金，如属于Al-Cu-Mn-Cd系的ZAlCu5MnCd及ZAlCu5MnCdV合金，属于Al-Cu-RE系的ZAlCu8RE2Mn1及ZAlRE5Cu3Si2合金，属于Al-Cu-Ni系的ZAlCu5NiCoZr合金等。

（3）Al-Mg系铸造铝合金 Al-Mg系铸造铝合金又称耐蚀铸造铝合金，属于高强和高耐蚀性合金，具有良好的切削加工性能，在造船工业和食品、化工部门应用较多。缺点是耐热性和铸造工艺性差。属于此系的常用合金有ZAlMg10与ZAlMg8Si1。ZAlMg10是高镁铝合金，固溶处理和淬火后（T4），具有高的综合力学性能，并具有良好的耐蚀性能，但组织和性能的稳定性差。ZAlMg8Zn1针对上述缺陷，添加了Zn，降低了Mg的含量，提高了铸造性能和时效稳定性，淬火后自然时效10年，塑性也不降低。适合于铸造强度高、耐蚀性好、承受较大载荷的铸件，如海水泵壳体、舷窗框和支架等。

（4）Al-Zn系铸造铝合金 Al-Zn系铸造铝合金的特点是具有自淬火效应，铸造成形后即可直接进行人工时效，因而省去了淬火工序，铸件的内应力大为减少。它适于制造尺寸稳定性要求高的铸件，其缺点是密度较大，耐热性很差，耐蚀性也比铝硅系合金差，故其应用受到限制。属于此系的常用合金有ZAlZn11Si7。这种合金的耐热性差，强度不高，耐蚀性中等，适于压铸工作温度低于200℃的压铸件。ZAlZn6Mg合金取消了Si，增加了Mn和Ti，改善了耐蚀性，提高了强度和塑性，适于砂型铸造空压机活塞气缸座和仪表壳等。

2.变形铝合金

（1）不可热处理强化型铝合金

1）高纯铝。美国通常把纯度（铝的质量分数）大于99.80％的铝就叫作高纯铝（high pure aluminium）并细分为次超高纯铝（铝的质量分数99.95％～99.949％）、超高纯度铝（铝的质量分数99.996％～99.999％）和极高纯度铝（铝的质量分数99.999％以上）。我国则将纯度超过99.996％的纯铝称为高纯铝。高纯铝呈银白色，表面光洁具有清晰结晶纹，不含有夹杂物。高纯铝具有低的变形抗力、高的电导率及良好的塑性等性能，主要被应用于科学研究、电子工业、化学工业及制造高纯合金、激光材料及一些其他特殊用途。

2）精铝。一般指纯度为99.95％～99.996％的铝。我国塑性变形加工工业纯铝的牌号有（括号前为新牌号、括号内为曾用牌号）1A99（LG5）、1A97（LG4）、1A95 1A93（LG3）、1A90（LG2）、1A85（LG1），我国以1A99的纯度最高（99.99％），依次下降，1A85的纯度为99.85％。主要杂质为铁、硅和铜。(www.xing528.com)

精铝除具有铝的一般特性外，由于纯度高，还具有以下特点：导电导热性好，退火状态20℃时的电导率为64.5％IACS；经电解抛光的表面对可见光的反射率高，可达85％～90％；耐蚀性和焊接性能极好；切削性能差；强度比工业纯铝的低，并随冷变形量的增大而提高，以1A99为例，冷变形量为10％～75％时，抗拉强度R_m＝59～120MPa，规定塑性延伸强度R_p0.2＝57～115MPa，断后伸长率A＝40％～50％。强度差别取决于晶粒的大小和杂质铁、硅、铜的含量。铝的纯度越高，再结晶温度越低，纯度≥99.99％的高纯铝，在16℃即可发生再结晶，因而容易引起晶粒粗大化。此外，纯度较高的铝在熔炼时也容易受杂质污染。

3）工业纯铝。一般指纯度为99.00％～99.85％的铝。我国塑性变形加工工业纯铝牌号有1080、1080A、1070、1070A（L1）、1370、1060（L2）、1050、1050A（L3）、1A50（LB2）、1350、1145、1035（L4）、1A30（L4-1）、1100（L5-1）、1200（L-5）、1235等。铁和硅是其主要杂质，并按牌号数字增加而递增。

工业纯铝不能热处理强化，可通过冷变形提高强度，唯一的热处理形式是退火，再结晶开始温度与杂质含量和变形度有关，一般在200℃左右。退火板材的抗拉强度R_m＝80～100MPa，规定塑性延伸强度R_p0.2＝30～50MPa，断后伸长率A＝35％～40％，硬度为25～30HBW。经60％～80％冷变形，虽然R_m能提高到150～180MPa，但A值却下降到1％～1.5％。增加铁、硅杂质含量能提高强度，但会降低塑性、导电性和耐蚀性。

4）防锈铝。这类合金的曾用牌号以LF为字头表示，包括不能热处理强化的铝-锰系3A21合金和铝-镁系5A02（LF2）、5A03（LF3）、5A06（LF6）、5B05（LF10）合金，在退火和冷加工硬化状态下应用，具有高塑性、低强度、优良的耐蚀性及焊接性，通常用于油箱、容器、导管等零件。这类合金还包括可热处理强化的7A33合金（属铝-锌-镁-铜系），它在防锈铝合金中强度最高，与5A12合金相当，具有优良的耐海水腐蚀性能良好的断裂韧度，低的缺口敏感性和良好的工艺成形性能，适用于制造水上飞机的蒙皮和其他要求耐蚀性好和强度高的钣金零件，可以部分代替5A12合金钣金件，从而解决了应力腐蚀和晶间腐蚀问题。

（2）可热处理强化型铝合金

1）硬铝合金。硬铝合金属于可热处理强化合金，曾用牌号均以LY为字头表示包括铝-铜-镁系2A01（LY1）、2A02（LY2）、2A10（LY10）、2A11（LY11）和2A12（LY12合金，以及铝-铜-锰系的2A16和2B16合金。这类合金的主要特点是，主要组分铜镁、锰都处在铝的饱和溶解或过饱和溶解状态，因此合金的强度较高，通常抗拉强度R_m为400～460MPa，而且有较好的高温性能和满意的塑性，广泛用于飞机的承力构件在硬铝型合金中，最重要的是2A12合金，其抗拉强度是这类合金中最高的，成形性能好，除了锻件和模锻件外，该合金可以生产所有的半成品。但以板材和型材为最多。合金的耐热性比铝-镁系、铝-镁-硅系和铝-锌-铜系合金高，可在高温下使用。该合金主要在固溶自然时效状态下应用，但也可在固溶后过时效状态下使用，具有较好的抗应力腐蚀性能，特别是当合金中的铁、硅杂质含量降低时，抗应力腐蚀性能及断裂韧度随之提高，由于上述一系列的特点，所以在航空工业中应用最广泛，主要用于制造飞机的蒙皮、隔框、翼肋、翼梁和骨架等重要受力构件。硬铝型合金的缺点是耐蚀性差，故对这类合金的制品需要进行防腐保护，如包铝、阳极氧化和涂漆等。

2）锻铝合金。这一类合金也是属于可热处理强化合金，曾用牌号均以LD为字头表示，包括三个系列：铝-镁-硅系合金6A02（LD2）具有很好的耐蚀性和塑性，高的抗疲劳性能和好的焊接性能，用于直升机的旋翼梁和焊接构件；铝-铜-镁-硅系合金2A50（LD5）、2B50（LD6）、2A14（LD10），具有良好的锻造性能和工艺塑性，可以制造大型和复杂的锻件和模锻件，如叶轮等，该合金强度中等，但耐蚀性差，在国外逐渐被铝-铜-镁-锌系的合金所代替；铝-铜-镁-铁-镍系合金2A70（LD7）含有铁和镍，具有较好的耐热性能，可在200～250℃下使用，合金中不含锰与铬，无挤压效应，零件在各方向上具有一致的性能，常用于制造活塞、叶轮和轮盘等零件。

3）超硬铝合金。以Al-Zn-Mg-Cu系为主，是变形铝合金中强度最高的一类，热处理后室温强度可超过600MPa，超过硬铝，故有超硬铝之称。超硬铝的曾用牌号以LC为字头，属于此系的常用合金有7A03（LC3）、7A04（LC4）、7A09（LC9）。超硬铝的发展历史较硬铝短，20世纪40年代才有定型产品，20世纪50年代开始大批生产和应用。这类合金除强度高外，在相同强度水平下，断裂韧度也优于硬铝，同时具有很好的热加工性能，适合生产各种类型和规格的半成品。因此，在航空工业中，特别是飞机制造业中，超硬铝是主要结构材料之一。其主要缺点是抗疲劳性较差，对应力集中敏感，有明显的应力腐蚀倾向，耐热性也低于硬铝。近十几年来，通过调整成分，提高冶金质量和采用一系列新的加工工艺和热处理制度，其综合性能有了明显改善。常用超硬铝的主要相组成为α（Al）＋MgZn₂＋T（Mg3 Zn3 Al₂）＋S（CuMgAl₂）。此外尚有少量含Fe、Si、Cu Mn等元素的杂质相。7A04合金与俄罗斯的合金牌号B95相当，是应用最早和最广泛的一种超硬铝，可生产板、型材和模锻件，用作飞机结构，如翼梁、蒙皮、起落架等，但7A04及其他超硬铝的一个共同缺点是耐热性差，例如在125℃环境下工作超过100h强度降低10％，在175℃环境下工作则降低70％。7A03属铆钉用铝，强度与7A04相同，但塑性较高。7A05是在7A04合金基础上发展起来的超硬铝，由于不含Cr，又降低了Mg、Cu含量，故提高了塑性，适合于锻造螺旋桨叶。7A06是含有大量锌、镁铜的高合金化超硬铝，是强度最高的一种铝合金。7A06的缺点是热强性差，对应力集中敏感。7A09合金与美国的合金牌号7075合金相当，它在人工时效状态的强度最高可生产各种尺寸的板材、棒材、型材、厚壁管材及锻件。近年来研究出的时效制度，可使7A09合金同时具有高的强度和高的耐应力腐蚀性能。7A09合金的热强性低，一般长期使用温度不应超过125℃。

4）耐热铝合金。属Al-Cu-Mg-Ni系和Al-Cu-Mn系。属于Al-Cu-Mg-Ni系耐热铝合金的常用合金有2A70（LD7）、2A80（LD8）和2A90（LD9），一般用作锻件，因此也可归入锻铝一类。其中应用最广泛的是2A70，可在150～225℃使用。这类合金的化学成分复杂，除含铜、镁外，还含较多的铁和镍。在2A80和2A90合金中，还含硅，2A70则含钛。和硬铝比较，这类合金的铜与镁含量有所降低，使合金成分处于Al-Cu-Mg系三元相图的（α＋S）相区内，以获得足够数量的S相，从而得到良好的耐热性能。铁镍对提高合金的耐热性能是有益的，但是单独加入铁或镍，反而会使高温性能下降。若只加入铁，则在低铁时形成Cu2FeAl，高铁时形成CuFeAl₃相；只加镍，则形成AlCuNi或（CuNi）2Al₃，这些都是难溶相，它们的形成消耗了铜，使固溶体铜含量及S相数量减少，因而耐热性能降低。同时加入铁和镍，当铁、镍比等于1时，则形成FeNiAly相此相不含铜，而且本身有很好的热稳定性，在热处理过程中不参与溶解析出过程，但在工作温度下能阻止晶界滑移，提高合金的耐热性。2A70合金的主要相组成为α（Al）、S（CuMgAl₂）、FeNiAl及少量AlCuNi、Mg₂Si相。2A70等合金皆在人工时效状态下使用它们的室温强度与2A12接近，但高温性能则超过2A12。在航空工业中用于制作叶片叶轮、盘类等高温工作零件。

Al-Cu-Mn系耐热铝合金是20世纪50年代发展起来的，属于此系的常用合金有2A16和2A17，可加工成板材、棒材、型材和模锻件等半成品。挤压和模锻制品可在200～300℃正常工作，板材用作常温和高温使用的焊接件。在铝合金中，除了铜以外锰也是提高合金耐热性比较显著的元素。锰在铝中扩散系数小，能明显提高合金的再结晶温度及减少固溶体分解倾向，此外锰在合金中形成T（CuMn₂Al₂）相，热稳定性较高这些因素对改善合金耐热性都能发挥良好的作用。2A16和2A17合金在人工时效状态下使用，主要时效强化相为CuAl₂。在淬火加热过程中，同时进行两个过程：CuAl₂相溶入基体；T（CuMn₂Al₂）相从基体析出，并呈点状弥散分布。两者均有助于增加合金的高温强度。2A16和2A17的缺点是由于铜含量高，耐蚀性比硬铝还差，使用前应采用阳极氧化和涂漆等保护措施。这类合金可制作发动机零件，如叶片、盘，还可用作焊接容器等。

5）铝锂合金。属于可热处理强化合金，在铝中加入锂可以提高合金的弹性模量降低密度。若强度相当，铝锂合金的密度比常用铝合金的密度低约10％，而弹性模量却高约10％。铝锂合金具有高强度、高弹性模量、低密度，耐蚀性好等优点，是一种理想的航空航天结构材料。