铝钪合金在航空航天领域的应用

用微量Sc（0.07％～0.35％，质量分数，以下同）合金化的铝合金称为Al-Sc合金或含Sc的铝合金。与不含Sc的同类合金相比，Al-Sc合金强度高、塑性好、耐蚀性和焊接性能优异，是继Al-Li合金之后新一代航天、航空、舰船用轻质结构材料。20世纪70年代以后，苏联已经对Sc在铝合金中的存在形式和作用机制进行了系统的研究，并开发了Al-Mg-Sc、Al-Zn-Mg-Sc、Al-Zn-Mg-Cu-Sc、Al-Mg-Li-Sc和Al-Cu-Li-Sc等5个系列17个牌号的Al-Sc合金，产品主要瞄准航天、航空、舰船的焊接承重结构件以及碱性腐蚀介质环境用铝合金管材、铁路油罐高速列车的关键结构件等。使用了Al-Sc合金的米格29飞机如图5-4所示。

图5-3 航天飞机用2915铝锂合金 外部低温燃料箱

图5-4 使用了Al-Sc合金的米格29飞机

1.Al-Mg-Sc系合金

在俄罗斯，这个系的合金有以下7个品种：01570、01571、01545、01545K 01535、01523和01515。这些合金除Mg含量不同外，都是用Sc和Zr微量合金化的Al-Mg系合金，其中，01571是一种焊丝合金。此外，合金中还添加有微量的Mn和Ti等表5-10列出了Al-Mg-Sc系合金热加工态或退火态的拉伸力学性能。

表5-10 Al-Mg-Sc系合金热加工态或退火态的拉伸力学性能

（续

01570合金中w（Mg）5.3％～6.3％，w（Mn）0.2％～0.6％，w（Sc）＋w（Zr）0.25％～0.40％，w（Ti）0.01％～0.05％。合金的熔炼和铸造可以采用传统的熔炼、半连续激冷铸造方式，微量Sc采用Al-Sc中间合金的形式加入，铸锭均匀化后经热轧、热挤或热锻成材，热轧板材冷轧后需经退火处理，以增强抗剥落腐蚀和抗应力腐蚀的能力01570合金在很宽的温度（440～500℃）和应变速率（10－4～10－1／s）范围内，具有天然的超塑性。01570合金的焊接性能非常好，可以用氩弧焊焊接，也可以用电子束进行熔焊。焊接接头在有余高时，试验温度为－196～250℃，焊接接头强度与基体金属相同；无余高时，焊接接头的强度由焊缝铸态金属的强度决定，约为基体金属强度的85％，在不需热处理强化的铝合金中焊接系数是最高的，航天工业中已用这种合金作焊接承力件。(www.xing528.com)

01545合金含4.0％～4.5％（质量分数）的Mg以及微量的Sc和Zr。由于Mg含量较01570合金的低，加工成形性能比01570合金的好。在此基础上，俄罗斯又开发了一种称为01545K的合金，这种合金在液氢温度下（20K）有很高的强度和塑性，可用于液氢-液氧作燃料的航天器贮箱和相应介质条件下的焊接构件。

2.Al-Zn-Mg-Sc系合金 在俄罗斯，这个系的合金有01970和01975两个牌号。其中Zn的质量分数为4.5％～5.5％，Mg的质量分数约为2％，Zn／Mg质量比为2.6。此外，还含0.3％～1.0％（质量分数）的Cu，以及总量为0.30％～0.35％（质量分数）的Sc、Zr等。

01970合金有很高的抵抗再结晶的能力。即使进行了很强的冷变形，合金的起始再结晶温度仍比淬火加热温度高。例如，冷变形量为83％的冷轧板，经450℃固溶处理后水淬，仍然保留了完整的非再结晶组织。01970合金板材有很好的综合力学性能，冷轧板具有天然的超塑性，01970合金的过饱和固溶体稳定性高且存在较宽的温度范围。超塑成形的零件空冷后进行人工时效，合金的力学性能可达到抗拉强度R_m＝530MPa，断后伸长率A＝8％。这种独特的性能为气动成形生产高强度、形状复杂的精密零件提供了广阔的前景。

3.Al-Mg-Li-Sc系合金 在工业01420Al-Li合金基础上加入微量Sc，形成了2种新的称之为01421、01423 的合金。与所有Al-Li合金一样，含Sc的Al-Li合金均可在惰性气体保护下进行熔炼和铸造。铸锭均匀化处理后再进行热加工、冷加工和固溶-时效处理。这3种合金的密度约为2.5g／cm³，焊接性也很好，已成功地应用于航天和航空部门。表5-11列出了含Sc（01421）和不含Sc（01420）Al-Mg-Li-Zr合金的力学性能。

表5-11 Sc对Al-Mg-Li合金的性能影响

4.Al-Cu-Li-Sc系合金

Al-Cu-Li-Sc系合金包括01460、01464等一系列合金。

01460的合金成分为Al-3Cu-2Li-0.2～0.3（Sc，Zr），时效态合金力学性能为抗拉强度R_m＝550MPa，断后伸长率A＝7％。可以用氩弧焊方法进行焊接，焊接性能和低温性能好。测试温度从室温降到液氮温度，抗拉强度从550MPa增加至680MPa，断后伸长率则由7％增至10％，俄罗斯已将这种材料用于航天低温燃料贮箱。

01464合金是俄罗斯在01460的基础上对Al-Cu-Li-Sc系合金的成分和工艺进行调整，研制出了01464合金。该合金的成分和制备工艺没有公开报道，但合金的性能已公开。合金的密度为2.65g／cm³时，弹性模量为70～80GPa，经形变热处理后，合金同时具有高的强度、高的塑性、耐蚀性、焊接性、抗冲击性和抗裂性。这种合金还具有高的热稳定性，可用于120℃下长期工作的航天航空结构件。