1.3.2 2×××系铝合金

2×××系合金是在Al-Cu二元合金基础上发展起来的, 是在Al-Cu二元合金基础上添加一定量的镁、 铁、 镍、 锰等形成的硬铝, 包括Al-Cu-Mg合金、 Al-Cu-Mg-Fe-Ni合金、 Al-Cu-Mn合金、 Al-Cu-Mg-Si合金等, 这些合金均属热处理可强化铝合金。该系合金的特点是强度高, 通常称为硬铝合金。

1.Al-Cu-Mg合金

(1)合金的性质和用途

Al-Cu-Mg合金耐热性能和加工性能良好, 但耐蚀性不如其他铝合金, 在一定条件下会产生晶间腐蚀。因此, 板材往往需要包覆一层纯铝或一层对芯板有电化学保护的6×××系铝合金, 以提高其耐腐蚀性能。主要包括2A01、 2A02、 2A04、 2A06、 2B06、 2A10、 2A11、 2B11、 2A12、 2B12、 2A13、 2017、 2024等。其中, 2A01、 2A10等合金主要用于制作铆钉线; 2A12合金是硬铝中的典型合金, 综合性能好, 用于制造飞机蒙皮、 主要受力件、 使用温度在150 ℃以下的零件等; 2A11合金强度低于2A12, 主要用于中等强度的飞机结构件, 如骨架、 模锻件等, 其锻造性能优于2A12合金; 2A02、 2A06合金是高温下使用的硬铝, 在200 ℃下2A02合金强度较高, 主要用于涡轮喷气发动机轴向叶片和其他高温的工作零件, 常用于制造锻造件; 温度超过200 ℃时, 2A06的强度较高, 可用于生产在150~250 ℃温度范围内工作的结构板材。

(2)各合金元素及杂质的作用

铜、 镁: 铜、 镁含量不同, 合金的主要强化相也不相同。合金中含少量镁时, 主要强化相为θ(CuAl2)相。随着镁含量的增加, θ相的作用减小, 而S(Al2CuMg)相起主要作用。铜和镁总含量越高, 比值越大, 合金的力学性能越高。Cu+Mg总含量接近, 但比值不同, 合金性能也不相同。2A11合金中θ相较多。当硅含量较高时, 有较多的Mg2Si相, 个别的还有S相。2A12合金中主要强化相为S相, 还有少量的θ相和Mg2Si相。因此2A12合金的强度和耐热性比2A11的高。铜、 镁含量不同, 合金的力学性能、 耐热性、 耐蚀性也都不同。合金中镁含量为1%~2%, 铜含量从1.0%增加到4.0%时, 合金的抗拉强度增加; 铜含量在1%~4%范围内, 镁从0.5%增加到2.0%时, 合金的抗拉强度增加, 继续增加镁含量时, 合金的强度降低。含4.0%Cu和2.0%Mg的合金抗拉强度值最大; 含Cu 3.5%~6%和Mg 1.2%~2.0%的合金, 持久强度最大, 这时合金位于Al-S(Al2CuMg)伪二元截面上或这一区域附近。远离伪二元截面的合金, 即当镁含量小于1.2%或大于2.0%时, 其持久强度降低。若镁含量提高到3.0%或更多时, 合金持久强度将迅速降低。铜含量为3%~5%时, 合金在淬火自然时效状态下的耐蚀性能很低。加入0.5%Mg可降低α固溶体的电位, 部分改善合金的耐蚀性。镁含量大于1.0%时, 合金的局部腐蚀增加, 腐蚀后伸长率急剧降低。对于铜含量大于4%、 镁含量大于1.0%的合金, 镁降低了铜在铝中的溶解度。合金在淬火状态下, 有未溶解的θ相和S相, 这些相的存在加速了腐蚀。晶间腐蚀是Al-Cu-Mg系合金的主要腐蚀倾向。

镁: 随着合金中镁含量的升高, 合金在液态下氧化膜致密性降低, 吸气量大, 因此铸锭形成疏松的倾向大。

锰: 在Al-Cu-Mg合金中加锰, 主要是为了消除铁的有害影响和提高耐蚀性。锰能稍许提高合金的室温强度, 但使塑性降低。锰还能延迟和减弱Al-Cu-Mg合金的人工时效过程, 提高合金的耐热强度。锰也是使Al-Cu-Mg合金具有挤压效应的主要因素之一。锰的添加量一般低于1.0%, 若含量过高, 则形成粗大的(FeMn)Al6脆性化合物, 降低合金的塑性。

钛: 合金中加钛能细化铸态晶粒, 减少铸造时形成裂纹的倾向。

锆: 少量的锆和钛有相似的作用, 细化铸态晶粒, 减少铸造和焊接裂纹的倾向性, 提高铸锭和焊接接头的塑性。加锆不影响含锰合金冷变形制品的强度, 对无锰合金的强度稍有提高。