摘要：本文简述了高强铝合金的定义及基本分类，以及从发展伊始，国内外高强铝合金发展的五个阶段；概述了高强铝合金所需的几大优异性能，并解释提高性能所采用的加工技术。除此之外，本文还提到了高强铝合金材料的制备加工方法，最后展望了新世纪高强铝合金材料发展的未来。
关键词：高强铝合金；发展；材料制备
俗话说，百年铝材百年航空。铝材的发展与航空领域密不可分，互相促进。随着人民生活水平地不断提高，对航空航天领域等交通运输的发展具有重大影响。航空工业领域的设计要求不断更新发展，以及一些需要运用低密度高性能铝材的设备如新能源汽车的发展，都对高强铝合金的性能提出了越来越明确的要求。在100年左右的铝合金发展的历史中，每一个发明都对其产生了不可磨灭的影响。本文将会着重概述高清铝合金的发展历程以及其材料的一些制备加工技术。
1 什么是高强铝合金
纯铝的密度低，塑性优良，因此多用于需要低密度材料的领域如航空航天中，但由于其强度不高，合金化能有效提高强度。高强铝合金，就是指以铝镁铜合金为系列的具有高强性质的合金。高强铝合金一般主要分为2xxx系（Al-Cu）、7xxx系（Al-Zn-Mg-Cu）两种，7xxx系按其强度可分为中强和高强铝合金。除此以外还有6xxx系（Al-Mg-Si）、Al-Li合金等，通常应用于航空工业领域。
2 高强铝合金的发展
多年来，高强铝合金的发展是以航空工业发展技术为背景来进行的。随着航空设计技术方面的发展，对铝合金的要求日益提高，尤其是现代飞机的轻量化、高强化、舒适化、长寿命等硬核要求，促使铝合金不断发展。依据铝合金的成分、性能等特征，将铝合金的发展大致分为五个阶段：第一阶段强调静，为高静强度铝合金；第二阶段解决金属被腐蚀的问题，强调良好的耐腐蚀性，为高强耐蚀铝合金；第三阶段将前两阶段的优点结合，形成了具有高强、高韧、耐蚀性质的高强铝合金，基本达到要求；第四阶段提出高耐损伤性能，并添加低淬火敏感性能，形成高强高模、耐蚀耐损伤、低淬火敏感性铝合金，成为新一代的高强铝合金；第五阶段是21世纪至至今，在原本新一代高强铝合金的基础上，逐渐开发如高热电阻等优异性能，以对应现代化的发展要求。
最初的合金是在1906年被Wilm发现的，他发现Al-Cu合金产生了沉淀硬化的现象，开启了合金研究的历史进程。同时Al-Cu-Mg系合金通过淬火后的过饱和固液体能够析出高密度相，极大提高了铝合金的硬度，开创了高强度铝合金的先河。1923年，国外两位科学家发现通过淬火-人工时效热处理的Al-Zn-Mg合金产生的强化相更加小、分布更散，可以使沉淀硬化效果更加显著。此时的铝合金技术已经能达到航空工业的基本安全要求，开始运用到航空航天，以其轻量化、高强度的性质代替了高静度的木材，有利于加速航空工业的技术发展进程。
上世纪60年代，由于飞机铝合金的腐蚀失效使失事事件频发，航空工业要求铝合金有进一步的发展，也就是第二阶段的高强耐蚀铝合金的发明。在此阶段，科学家们发现了一项可使铝合金的耐腐蚀性有效提高的方法，就是过时效热处理技术。过时效热处理技术与人工时效热处理技术的区别就在于增加时间，使其晶界析出相呈现不连续分布，进而可提高合金的耐腐蚀性。
60年代末期，随着对Fe、Si等杂质影响铝合金韧性性能程度研究的不断深入，美国首先研发出了低杂质含量的新一代高强铝合金。该铝合金有效降低了Fe、Si等的含量，使粗大初生相与过剩相数量减少，尺寸细化，在保证铝合金的高强度的前提下，保留耐蚀性能，优化出了铝合金的韧性，也就是第三阶段的高强、高韧、耐蚀性质的高强铝合金，进一步解决了铝合金使用性能上的缺陷。
上世纪80年代末至90年代，第四阶段高强铝合金的代表2524-T39被研发出来。在这个阶段中，高强铝合金的高韧、高耐蚀性与裂纹扩展速度出现了极大的矛盾，一时陷入低谷。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆后来Alcoa通过进一步降低杂质含量，优化主合金成分以及采用先进的过时效热处理技术，最终研发出了具有高耐损伤性能的2524-T39铝合金，被用于机身蒙皮上。进入21世纪以来，高强铝合金的应用愈加广泛，形式也多样，在性能上提升了高热电阻性。在航空工业领域中对高强铝合金的发展日益趋于舒适化，整体提升服用性能，与航空工业结构设计发展相辅相成，相互促进。
不可置否的是，铝合金的应用领域及要求直接促进了铝合金的高速发展。在我国，交通行业运用铝材的比例位居第二，高达22%，第一为建筑业33%，说明铝材在交通行业领域仍有较大的发展空间。在交通行业，除了所熟知的航空领域，迫切运用高强铝合金材料的就是新能源汽车了，作为新世纪开发出来的产物，新能源汽车的要点就在于它抛弃了传统以汽油等为动力来源的驱动方式，而采用电力驱动，绿色减排。但这使得车体重量会极大影响到汽车动力大小以及航程远近等问题，其中汽车底盘轻量化是减轻车体运行负担的重要举措，同时铝材也可用于车身、发动机等各部位，以减轻动力束缚。
3 高强铝合金材料的制备加工技术
高强铝合金自形成发展至今，涉及的主合金有铜镁锌三大类，同时涉及锰、镍等金属元素，以及掺杂少量Fe、Si杂质。由于纯铝的质量轻、可塑性好等优点，将铝作为用于航空航天、交通运输等领域上，可有效推动技术发展。但是同时由于纯铝的强度低，耐腐蚀性差，欠缺耐损伤性能和优异的韧性，为了进一步有效运用到交通行业，合金化成了改善纯铝缺陷的主要途径。对此，科学家们研究出了一系列材料优配、改善加工技术、降低杂质含量等方法，针对铝合金的各种突出问题，逐渐优化其使用性能，创造先进的高强铝合金。
2014年，在章国伟等人的专利中，提出了一种超高强铝合金材料的制备方法。专利中提到了该材料具体成分的质量百分比为Zn：12％-14％；Mg：2.4％-3.2％；Cu：1.0％-1.5％；Zr：0.2％-0.5％；Mn：0.1％-0.3％；Ni：0.1％-0.6％；余量为Al，再采用先进的人工时效热处理技术，喷射沉积工艺进行制备，得到的超高强铝合金材料大幅提高了抗拉强度以及断裂韧性等性能。
在上世纪60年代，高强铝合金的不断发展历程中，产生了能极大改善铝合金耐腐蚀性的方法，即过时效热处理加工技术。该加工技术使合金形成过程中晶界析出相不连续分布，通过降低强度的方法来提高耐腐蚀性能，后来的高强铝合金材料的加工方法基本沿用过时效热处理技术，使其有效保持抗应力腐蚀性。同时，在21世纪至今天的过程中，合金沉积工艺不仅仅局限于传统的沉淀硬化，越来越多的高强铝合金选择用喷射沉积法来进行制备。这里不对喷射沉积法多做介绍。
降低杂质含量。不论是何种材料，我们把材料中希望含量为0或极低的元素成分称为杂质，杂质含量过高往往会极大地影响材料的优异性能，因此，尽可能降低杂质含量是进行材料发展进化的必要步骤。高强铝合金中常含有Fe、Si杂质。上世纪60年代以前，由于铝合金中含杂量较高的问题一直没有得到解决，导致Fe、Si杂质影响了铝合金显现韧性性能，未能完全解决铝合金使用寿命不长的问题。随后美国研制出低杂质的高强铝合金，具有超高的韧性，进一步提高了高强铝合金的实用性。
4 结束语
高强铝合金的用途决定了对它发展的高要求。铝合金从一次意外发现到基本承包高规格的航空航天等交通运输领域的钢材之需，依靠的是世界各国科研人员的不懈追求与努力，并最终形成了具有高强高模、耐蚀耐损伤、低淬火敏感性的铝合金材料。未来，将更加致力于高强铝合金优异性能的提高，针对铝材弱点进行加成求和，以期创造出新的优异性能。同时高强铝合金的制备加工技术也需要不断优化提高，包括对原材料的有利使用，更新加工技术，改进制备方法等，技术是发展的动力所在。
参考文献：
[1]张新明，邓运来，张勇.高强铝合金的发展及其材料的制备加工技术[J].金属学报，2015，51（3）：257-271.
[2]邹田春，欧尧，秦嘉徐.高强铝合金增材制造技术的研究进展[J].热加工工艺，2018（20）：34-37.
[3]章国伟，陈伟，翟景，et al.超高强铝合金材料的制备方法.
论文作者:林明雨
论文发表刊物:《电力设备》2019年第5期
论文发表时间:2019/7/8
标签：铝合金论文; 合金论文; 性能论文; 材料论文; 技术论文; 杂质论文; 加工论文; 《电力设备》2019年第5期论文;