铝合金的许用应力是多少

碳钢

未故意添加任何合金元素的铁（Fe）--碳（C）合金为碳钢，碳在钢中有提高强度的作用

，含碳量越高，强度越好，但含碳量高于0.8%时，含碳量越高，钢越脆，因此在车架及

前叉的材料为强度适中，塑性佳，易加工的中低碳钢，碳含量约0.25%---0.35%。

碳纤维 （CERP)

碳素纤维的学名叫“聚丙烯晴基碳纤维”由碳纤维与相关的基体树脂（如环氧树脂）备制的复合材料其多项物理力性能如：比强度、比弹性率等可以与金属媲美，但是比重却比金属轻得多。碳纤维车架的特徵是「轻、不弯曲、冲击吸收性好」，但是，充分发挥碳纤维的优异性能，在技术上看起来不是那么容易，各碳纤维材料厂家之间的品质差异也较大。自行车厂家考虑到成本问题，不大可能使用高等级的碳纤维来制作车架。虽然存在上述的现实问题，但是碳纤维车架还是具有其他素材所没有的优点，可以制造8、9kg左右的轻量自行车，这种碳纤维轻量自行车，登坡时最能体现其优点，登坡顺利而爽快。而不会像一些轻的铝合金车架，登坡时感到有一种向后拉的力量。

碳纤维是把碳纤维用树脂凝固成形的东西。非常轻，但它是具有方向性的材料(拉伸强但容易断)，因此采用把薄料层层重叠的方法来解决缺点。

通常每束含3000根碳素纤维的称为3K编织的碳纤维布，按照每平方厘米的编织密度计算可分为：5束、6束、7束、8束等，其单层厚度约在0.25——0.29mm之间，密度越大、厚度越厚。每束含1000千根的称为1K，其编织密度会大大超过3K碳纤维布，但是它的厚度却只有0.15—0.2mm左右。由于工艺复杂1K碳纤维布的价格几乎是3K碳纤维布的3倍，也许是性价比的缘故，多数制造商均采用3K碳纤维布制作。

●碳纤维车架的优点

(1).可以制作重量轻的车架

碳纤维车架是把碳纤维对着发生应力的方向层层叠而得到强度。碳纤维车架非常轻，这是它的密度和强的拉伸强度构成的。

捷安特的碳纤维车架非常轻，2000年的型号1.2kg重

(2).冲击吸收性好

碳纤维用来制作残疾者运动时用的假腿，或者特殊的弹簧等被用在各领域。利用它的吸收冲击力优异的性能，制作不用避震器的自行车。如SCOTT厂的ELEVATED车架是著名的。但是各个厂家之间的品质差异较大，有的很硬，因此这种车架乘骑后才能知道好或者不好。

(3).可以制造各种形状的车架

碳纤维的基本成型方法是，在模具上铺上纤维片然后流入树脂并烧固。可以制成各种形状的车架。如TREK的Y车架是著名的。

●碳纤维车架的缺点

(1).复杂的应力计算

构成碳纤维车架的是碳纤维，它的特点是拉伸强度强，但剪断强度弱，加工时需要进行复杂的应力计算(纵刚性、横刚性)，根据计算把碳纤维片重叠成型。加工技术各厂家各异，应选择有经验而可靠厂家的制品是很重要的。

(2).难于更改尺寸

由于作好模具后成型，难于更改尺寸。无法相应多尺寸多款式的订单。

(3).老化？

使用树脂因此会不会老化？这是一个存在的课题，它放置在阳光下时会逐渐变白。当然这种现象关系到厂家的技术。最好不要放置在阳光下。

CrNiMo铬钼钢

铬钼钢 （Fe-Cr-Mo)

在自行车的100年历史当中，铁素材是刚性与重量方面都均衡的理想素材。铁制车架的最大特徵是可在各种成份，各种粗细厚薄的铁管中，任意选择所需要的铁管进行加快。因此可以选择最适合于的尺寸、刚性、骑感的车架，这对于数毫米的差异也敏感的老车手来说是很有好处的。它的最大的缺点是比起其他的素材重(过去)。但是最近的铁素材车架经过热处理，把薄的管道做成粗的管来使用，其重量不会输给轻的合金。

铬钼钢是铬、钼的合金。它的性能如下：

○淬火性好。

○对回火处理的抵抗性大。

○回火脆性倾向少。

○高温加工性好，加工后美观。

○熔接性好。

●铬钼钢车架的优点

(1).加工性好

铬钼钢的车架是历史最久的车架，因此对它的研究时间也最长。现在能做到车架所需强度的极薄的管道。

(2).冲击的吸收性能好

骑感极好，如「像弹簧般的骑感」。构成车架的铬钼钢管道有优异的吸收冲击的性能。

(3).焊接容易

铬钼钢比起钛、铝焊接容易。可以设计成名种形状。另外，焊接后也不需要热处理，因此不需要大型的热处理设备，成本低。

(4).价格便宜

虽然有些高挡次的铬钼钢车架价格贵，但一般价格便宜。也可以说，用便宜的价格买到高挡次的车架。

●铬钼钢车架的缺点

(1).容易生锈

车架用的铬钼钢含有铬，但是添加量少(不锈钢含有12%的铬)的铁系合金。若没有施有表面处理的话，有伤口时容易生锈。但是一般都有进行防锈加工。自行车的场合，管道的肉压薄，生锈后的影响将会非常大。生锈→肉压减少→强度下降(应力集中)。

(2).金属的疲劳显著(应力集中引起的金属疲劳)

若使用肉薄的铬钼钢车架时需要注意！当然金属疲劳这个现象任何金属都会产生包括铝等在内。金属疲劳现象简单地说：金属虽然具有防止塑性变形的小小的力量，但是反复施加应力时，金属可能被破坏(被称为微细的应力集中)。飞机出事时，有时候也是某部分的金属疲劳引起。对自行车来说，由于金属疲劳的原故，可能出现强度不能保持。例如，进行DH时产生的冲击缩短了自行车的寿命。若感觉到踩踏时不那么顺利前进时很有可能是金属已发生疲劳。

焊接部位，如从管道侧(母体)到溶融的部位(溶接部)，结晶的特性都会显著变化。为使这些组织均一化，本来应该再次结晶化(详细内容后述)。但是车架加工厂不一定有这种大型炉，另一方面，这种加工使已经冷却过的再次硬化，使得变增强的管道的强度降低。

由于存在上述原因，焊接时采用各种方法来加工。如利用低温焊接等方法制造车架。不管是任何优秀的焊接，，焊接部位(1000°C以上)和另管道侧(室温)之间的温度差，冷却时收缩而发生残留应力。该部位受到应力集中时，可能会产生裂缝。结果自行车骑的时间长时可能会引起金属疲劳，微观的硬化加工也使冲击的吸收性也变得差.

铝合金 （Al-Mg-Si,Al-Zn-Mg-(Cu)）

很久以前就有用铝合金制作的车架。轻而价格低是它的优点。但是从「轻」来说，当前与铁素材比较相差并不大。老车手对它的反应是「虽轻但易弯曲　」。虽然经过多次改进，但是始终克服不了杨氏弹性模量低的缺点。最近的铝合金车架，为了提高杨氏弹性模量，加大管道外径，使用扁平管，或者对铝管进行热处理等，制造出轻而有刚性的车架，这种最新的铝合金车架对车手来说，具有足够的轻量与刚性。

铝合金是纯铝中加入Mg，Zn，Si，Cu等金属的合金。铝本身具有轻量、可塑性好、耐腐蚀等优点，加入其他金属后显著提高了机械性能。自行车所使用的铝合金多数为6000系（Al-Mg-Si）和7000系（Al-Zn-Mg-Cu)两种，经过热处理(铝耐高温，在高温下能改变性质)可以制成名种各样的材料。

6000系被认为是耐腐蚀、强度好、焊接性也好的材料。下表表示使用最多的6061合金的机械强度。

7000系是铝合金中最强的材料。尤其是7075是特超硬铝(制造飞机的材料)，但是它的焊接难度大，耐腐蚀性差(会发白)等。下表表示使用最多的7005和7075合金的机械特性。表中的有关热处理以如下数字来表示：

-0：完全退火

-T5：人工时效(无溶体化处理)

-[T6]：溶体化处理后人工时效

-T7：溶体化处理后稳定化处理

-T8：溶体化、硬化加工、人工时效

●铝合金车架的优点

(1).可以制作重量轻的车架

铝的比重轻但不够硬，为了增强强度把它制成合金并施予热处理。[热处理技术]采用时效析出增强法，简单地说，在金属内形成一种妨碍金属变形的物质。在某种高温下进行热处理时，会引起时效析出，若没有经过这个程式的车架，也会引起常温时效。就是说把车架放置在房间内也会逐渐变强。

许多铝合金制车架用6061T6材料来制造。T6标志表示经过热处理、时效。若没有热处理的话强度只能达到1/2，或者1/5的程度。

有7075标志的自行车零件(如XTR曲柄等)，严格来讲没有经过热处理。也就是说因没有时效，因此是常温时效。7075合金本来就必要进行热处理，通过热处理其强度可以增加5倍。

另外，7005合金也常用来制造车架，它的强度比不上7075，但是它在常温下也能够进行足够的时效的材料。这种材料也可用Padded加工制成薄料。但是材料本身的强度及杨氏弹性模量低，因此加粗管道直径来提高刚性。通常被称作铝制粗管道的是这种类型。

(2)长时间使用外观不怎么变化

铝本身是很容易受腐蚀的金属，在空气中几乎不存在没有被氧化的铝，放置在空气中马上被氧化而形成很薄的氧化膜。为什么不生锈呢？原因是该氧化膜达到一定的程度时防止继续生锈。该氧化膜几乎是无色因此外观上不容易发现变化(有时会发白)。

另一方面，骑这种材料制造的自行车时，骑的次数越多，应力发生的次数也高，强度也显著引起变化。近来为了谋求轻量，许多车架使用薄料来制作(薄的程度已达到极限)。这些都是使用没有疲劳极限的铝合金来制作车架，到底长时间使用后强度变化将是如何呢！Dedacciai公司制作的SC61-10A等是表面施有喷丸硬化加工(KET处理)的管道，这种加工的目的是延长疲劳的寿命。根据公开的资料，能提高140%。，KET处理是：疲劳破坏是在金属表面上所发生的裂缝为起因，因此用硬化加工技术来提高金属表面的硬度。

●铝合金车架的缺点

1).铝是弹性率及刚性低的材料。因此采用粗的管道，或者改变形状如cross-over管、padded管等。

(2).需要进行热处理

必需进行热处理，否则强度不够。因此一般的规模不大的工厂无能力购买热处理设备。尤其是6000系的铝合金管，多数情况是管道厂家指定热处理条件。

●铝合金的分类 : 工业上对铝合金有一个以4位数规格编号来表示其材质，特性与主要用途如下列：

1000系列 纯铝（Al含量（质量分数）不小于99.00%） :

1050,1070

高纯铝、电导性、热传导性、耐蚀性

导电材料、热交换装置 化工类装置配管。

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2000系列 以铜为主要合金元素的铝合金 :

2011,2014,2017,2117,2024

切削性优秀、高强度、 耐蚀性不强

杜拉铝总称、切削材、零件螺丝等结构材、飞机材、锻 造用素材、汽机车油压零件、运动用品 。

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3000系列 以锰为主要合金元素的铝合金 :

3003,3203

耐热性比纯铝好、强度高、耐蚀性良好

化学装置配管、热交换装置、 复印机用感光筒。

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4000系列 以硅为主要合金元素的铝合金 :

4032

耐热、耐磨耗性良好

VCR 磁头、活塞构件、锻造用。

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5000系列 以镁为主要合金元素的铝合金 :

5052,5056

中强度合金、耐蚀、熔接性良好

化工业配管、机器零件、照相机镜筒。

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6000系列 以镁、硅为主要合金元素，并以Mg2Si相为强化相的铝合金 :

6061

耐蚀性优秀的中强度结构合金，可熔接、加工性好

路上车辆、船舶、海上运输机材、道路用建材、运动用品等。

6063

耐蚀性、表面处理性良好、挤压性优秀

占挤压材的大半建材、建设材、装饰品材、家电制品材及其他一般泛用品。

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7000系列 以锌为主要合金元素的铝合金

7005

中强度

熔接用结构合金、车辆、汽车、机车零件。

7075

称为超杜拉铝、为最高强度合金、耐蚀性、熔接性差

高强度用材： 飞机等机械零件、运动用品等。

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8000系列 以其他合金元素为主要元素的铝合金

8090,8091

实用合金极少

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9000系列 备用合金组

9000系列铝合金材质，是被美国国防工业保护，目前自行车工业只有 Klein 及 Trek 有在使用， 9000系列铝合金材质特性是超轻、超高强度、熔接加工性优良，大多用在航太工业上。

●铝合金在自行车产业的运用

在自行车工业上有用到的铝合金材料的零件实在是非常的多， 举凡看得到的金属零件部分将近95%皆可以使用铝合金材料。像是轮圈 、辐丝头、花鼓、曲柄、歯盘、飞轮、车手、煞车夹器、龙头、座管、座垫弓、前叉碗.....等等。

大部分的材料皆是2000、5000、6000及7000系列，车架及前叉部份则以7000系列用的最多。

另外在2000及6000系列的部分也用的很多，例如车手、煞车夹器、曲柄、龙头、座管....等等。铝合金材料的大量运用在自行车工业上也不过是近 20年来的事，虽然铝合金材料已经在自行车工业上使用很久了，但是加工层次的进步及普及才是铝合金材料被大量运用大力的推手。

以台湾为例：铝合金自行车车架是约1986年出现， 当时热处理及焊接技术尚未成熟，大家对铝合金的特性也不是非常了解，但是经过4-5年的摸索，大家已经能抓到生产的窍门并开始大量生产了，尤其是在管材及加工层次的运用。

但是各位一定会问到：铝合金这样软的材料如何可以做自行车的车架及其他的零件呢 ?

答案很简单，那就是将铝合金变硬就好了。也就是说加上[热处理技术]的过程，就可以将铝合金材料变硬了，这样一来就达到自行车车架及其他零件的安全标准了。

钪合金Sc-Al

Sc-Al中间合金,铝镁基合金的最有效改进剂；生产导弹和制造航天器、汽车、船舶等的特种合金。钪对铝合金具有非常神奇的合金化作用，在铝中只要加入千分之几的钪就会生成Al3Sc新相，对铝合金起变质作用，使合金的结构和性能发生明显变化。加入0.2%~0.4%Sc可使合金的再结晶温度提高150~200OC，且高温强度、结构稳定性、焊接性能和抗腐蚀性能均明显提高，并可避免高温下长期工作时易产生的脆化现象。

通过添加微量钪有希望在现有铝合金的基础上开发出一系列新一代铝合金材料，如超高强高韧铝合金、新型高强耐蚀可焊铝合金、新型高温铝合金、高强度抗中子辐照用铝合金等，在航天、航空、舰船、核反应堆以及轻型汽车和高速列车等方面具有非常诱人的开发前景。据报道，在该方面研究最早、最深入的俄罗斯已经开发出了一系列性能优良的铝合金，并正在走向推广应用和工业化生产。1420合金已广泛用作米格-29、米格-26型飞机，图-204客机及雅克-36垂直起落飞机等的结构件。1421合金还以挤压异形材的形式用于安东诺夫运输机作机身的纵梁。此外，美、日、德和加拿大以及中国、韩国等也相继展开对钪合金的研究。近几年，美国已将钪铝合金用于制造焊丝和体育器械（例如棒球和垒球棒，曲棍球杆，自行车横梁等），钪铝合金制造的棒球棒和垒球棒已在多项世界大赛及夏季奥运会的比赛中得到使用。

由于钪的熔点（1540℃）远比铝的熔点（660℃）高，钪的密度（3.0g/cm2）则与铝的密度（2.7g/cm3）相近，曾考虑用钪代替铝作火箭和宇航器中的某些结构材料。美国在研究宇宙飞船的结构材料时要求在920℃下材料还应具有较高的强度和抗腐蚀稳定性，且比重要小，据认为钪钛合金和钪镁合金是具有熔点高，比重小和强度大等特点的理想材料之一。钪也是铁的优良改化剂，少量钪可显著提高铸铁的强度和硬度。钪也可用作高温钨和铬合金的添加剂。

镁合金

镁是极易燃烧的金属，早期摄影用镁光灯，即燃烧镁粉所造成强光，镁合金的重

量及强度约为铝合金的2/3，虽然轻，但不易加工，且较脆，一般车架，极少使用。

镁是工程应用中最轻的金属结构材料，其密度仅为1.8克/厘米3，是钢的1/4，铝的2/3。由于镁合金质量轻、比强度和比刚度高、阻尼减震性好，还具有优良的切削加工性能，在航空、航天、汽车、轨道交通和电子工业中具有十分广阔的应用前景。虽然镁元素的发现时间同铝接近，相对于全世界年用铝量2700万吨的水平，镁的使用量还较小，因此发展镁产业还具有巨大的机会和潜力。在镁科学与技术研究方面，全世界包括西方发达国家对镁的研究和开发还十分有限，国内与发达国家的差距远远不如在铝和钢铁方面那么大，只要我们抓住机会，开展原创性的研究开发工作，完全有可能在镁产业发面实现跨越发展，形成创新—设计—制造的完整产业链。

一、高品质特殊钢。以满足装备制造和重大工程需求为目标，发展高性能和专用特种优质钢材。重点发展核电大型锻件、特厚钢板、换热管、堆内构件用钢及其配套焊接材料，加快发展超超临界锅炉用钢及高温高压转子材料、特种耐腐蚀油井管及造船板、建筑桥梁用高强钢筋和钢板，实现自主化。积极发展节镍型高性能不锈钢、高强汽车板、高标准轴承钢、齿轮钢、工模具钢、高温合金及耐蚀合金材料。

重大装备关键配套金属结构材料

1、电力

核电用汽轮机转子锻件、发电机转轴锻件、承压壳体材料、换热管材、堆内构件材料、锆合金包壳管等；超超临界火电机组锅炉管、叶片、转子；燃机用高温合金叶片、高温合金轮盘锻件；水电机组用大轴锻件、抗撕裂钢板、薄镜板锻件等。

2、交通运输

轨道列车用大型多孔异型空心铝合金型材、高速铁路车轮车轴及轴承用钢；车辆用第三代汽车钢及超高强钢、高品质铝合金车身板、变截面轧制板、大型镁合金压铸件、型材及宽幅板材等。

3、船舶及海洋工程

船用高强度易焊接宽厚板、特种耐腐蚀船板、货油舱和压载舱等相关耐蚀管系材料、殷瓦钢等；海洋工程用高强度特厚齿条钢、大口径高强度无缝管、不锈钢管及配件、深水系泊链、超高强度钢等。

4、航空航天

高强、高韧、高耐损伤容限铝合金厚、中、薄板，大规格锻件、型材、大型复杂结构铝材焊接件、铝锂合金、大型钛合金材、高温合金、高强高韧钢等。

二、新型轻合金材料。以轻质、高强、大规格、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳为发展方向，发展高性能铝合金、镁合金和钛合金，重点满足大飞机、高速铁路等交通运输装备需求。积极开发高性能铝合金品种及大型铝合金材加工工艺及装备，加快镁合金制备及深加工技术开发，开展镁合金在汽车零部件、轨道列车等领域的应用示范。积极发展高性能钛合金、大型钛板、带材和焊管等。

什么是高端金属结构材料的关键技术和装备

1、高品质特殊钢技术

开发超高纯铁（S+P＜35ppm）冶炼、大规格铸锭熔铸、大锻件最佳化学成分配比、成型和热处理工艺技术，低成本、低能耗高品质特钢流程技术。

2、新型轻合金材料技术

发展高洁净、高均匀性合金冶炼和凝固技术，大规格铸锭均质化半连铸技术，大型材等温挤压、拉伸与校正技术，复杂锻件等温模锻、铝合金板材新型轧制、中厚板（80-200mm）固溶淬火、预拉伸与多级时效技术，高性能铸造镁合金及高强韧变形镁合金制备、低成本镁合金大型型材和宽幅板材加工、腐蚀控制及防护技术，钛合金冷床炉熔炼、15吨以上铸锭加工、2吨以上模锻件锻压、型材挤压、异型管棒丝材成型和残料回收技术。

3、高端金属结构材料关键装备

开发高功率（单枪功率≥500Kw）电子束炉和等离子炉，大型特钢精炼真空电渣炉，高纯净大规格铝锭半连铸装备，等温模锻、等温挤压、固溶淬火、三级时效等装备，大型厚板预拉伸、时效成型热压及超声摩擦搅拌焊接装备，8吨以上钛合金熔炼真空自耗电弧炉，30MN以上镁合金压铸机和挤压机，大面积等温焊接等成套装备。

1 前言

早在50年代我国仿制的飞机和导弹的蒙皮、框架及发动机机匣已采用稀土镁合金，70年代后，随着我国稀土工业的迅速发展，航空稀土开发应用跨入了自行研制的新阶段。新型稀土镁合金、铝合金、钛合金、高温合金、非金属材料、功能材料及稀土电机产品也在歼击机、强击机、直升机、无人驾驶机、民航机以及导弹卫星等产品上逐步得到推广和应用。

2 稀土材料及其在航空工业中的应用

2.1 稀土镁合全

稀土镁合金比强度较高，对减轻飞机重量，提高战术性能具有广泛的应用前景。中国航空工业总公司(简称：中航总)研制的稀土镁合金包括铸造镁合金及变形镁合金约有10多个牌号，很多牌号已用于生产，质量稳定。例如：以稀土金属钕为主要添加元素的ZM6铸造镁合金已扩大用于直升机后减速机匣、歼击机翼肋及30KW发电机的转子引线压板等重要零件。中航总与有色金属总公司联合研制的稀土高强镁合金BM25已代替部分中强铝合金，在强击机上获得应用。 “八、五”期间，为了扩大稀土镁合金的推广应用，还开展了稀土镁合金在医学工程上的应用。目前该材料正在做医学生物实验，有望稀土镁合金作为人工骨接材料代替现用金属夹具，减少病人第二次取出夹具的手术，又将开辟了一个新的广阔的应用天地。

稀土铸造镁合金主要用作200～300℃以下长期使用，它具有好的高温强度和长期抗蠕变性能。各种稀土元素在镁中的溶解度不同，增加的顺序为镧、混合稀土、铈、镨、钕。它对常温、高温力学性能的良好影响也随之增加。中航总研制的以钕为主要添加元素的ZM6合金在热处理后不但具有高的室温力学性能，而且还有良好的高温瞬时力学性能和抗蠕变性能，可在室温下使用，也可在250℃下长期使用。随着含钇抗蚀新型铸造镁合金的出现，近年来铸造镁合金重新受到国外航空工业的青眯。

在镁合金中添加适量的稀土金属以后，可以增加合金的流动性，降低微孔率，提高气密性，显著改善热裂和疏松现象，使合金在200～300℃高温下仍具有高的强度和抗蠕变性能。 2.2稀土钛合金

70年代初，北京航空材料研究院(简称：航材院)在Ti-A1-Mo系钛合金中用稀土金属铈(Ce)取代部分铝、硅，限制了脆性相的析出，使合金在提高耐热强度的同时，也改善热稳定性能。以此基础上，又研制出了性能良好的含铈的铸造高温钛合金ZT3。它与国际同类合金相比，在耐热强度及工艺性能方面均具有一定的优势。用它制造的压气机匣用于WPI3Ⅱ发动机，每架飞机减重达39公斤，提高推重比1.5%，此外减少加工工序约30%，取得了明显的技术经济效益，填补了我国航空发动机在500℃条件下使用铸钛机匣的空白。研究表明，含铈的ZT3合金组织中存在着细小的氧化铈质点。铈化合了合金中的一部分氧，形成了难熔的、高硬度的稀土氧化物质点Ce203。这些质点在合金形变过程中阻碍了位错运动，提高了合金高温性能，铈夺取了一部分气体杂质(尤其是在晶界上的)，就有可能在使合金强化的同时，保持良好的热稳定性能。这是在铸造钛合金中应用难溶质点强化理论的首次尝试。

此外航材院在钛合金溶模精密铸造工艺中，经多年研究，采用了特殊的矿化处理技术，研制出了稳定廉价的氧化钇砂料与粉料，它在比重、硬度和对钛液的稳定性上，都达到了较好的水平，而在调节控制壳料浆性能上，表现出更大的优越性。用氧化钇型壳制造钛铸件的突出优点是：在铸件质量和工艺水平与钨面层工艺相当的条件下，能制造比钨面层工艺更薄的钛合金铸件。目前，该工艺已广泛用于制造各种飞机、发动机及民品铸件。

2.3 稀土铝合金

中航总研制的含稀土耐热铸造铝合金HZL206，与国外含镍的合金比较，具有优越的高温和常温力学性能，并已达到国外同类合金的先进水平。现已用于直升机和歼击机工作温度达300℃的耐压阀门，取代了钢和钛合金。减轻了结构重量，已投入批量生产。稀土铝硅过共晶ZL117合金在200～300℃ 下的拉伸强度超过西德活塞合金KS280和KS282，耐磨性能比常用活塞合金ZL108提高 4～5倍，线膨胀系数小，尺寸稳定性好，已用于航空附件KY-5，KY-7空压机和航模发动机活塞。稀土元素加入铝合金中，明显改善显微组织和机械性能。稀土元素在铝合金中的作用机制为：形成分散分布，细小的铝化合物起着显著的第二相强化作用稀土元素的加入起到了除气净化作用，从而减少合金中气孔的数量，提高合金的性能稀土铝化合物作为异质晶核细化晶粒和共晶相，也是一种变质剂稀土元素促进了富铁相的形成和细化，减少了富铁相的有害作用。α-A1 中Fe的固溶量随稀土加入量的增加而减少。也对提高强度和塑性有利。

2.4 稀土非全属材料

稀土有机灌注料XZ-1已用于高性能发动机控油系统的燃油电磁开关，液压电磁开关等八种电磁铁产品，由于成本低，施工简便，因此可以大量取代环氧灌注料，具有很好的经济效益。系统防老化橡胶涂料KF-1的研制成功，解决了长期以来飞机油箱使用寿命短的难题，KF-1的投入使用，使得飞机油箱使用寿命由原来的3～5年延长到15～20年，并提高了使用性能，取得了显著的技术经济效益。含Y2O3的MCrAIY 涂层是发动机涡轮叶片、导向叶片等发动机热端部件用的可设计成分的第三代涂层，已在国外高性能、长寿命发动机上得到应用。航材院采用磁控溅射沉积工艺和多弧离子镀技术已研制成功这种涂层系列，其抗热腐蚀及综合性能已达到国外同类涂层的先进水平。该涂层系列已被高温合金、定向凝固合金、单晶合金和Ni-A1 基合金涡轮叶片、导向叶片选用，作为高温抗氧化涂层已在先进发动机和地面燃气涡轮机上使用。Y2O3在该系列涂层中起着涂层与基体合金的“钉扎”作用，显著提高了涂层与基体的结合力。

稀土添加剂在化学热处理方面也起到了重要的作用，由于稀土元素具有特定的电子结构和很高的化学活性，在化学热处理中有显著的活化作用，对改善渗层的组织和性能及提高渗层速度有明显的效果。中航总310厂将常规渗碳、氮和碳氮共渗与加入稀土添加剂工艺进行比较，渗剂中加入稀土元素，初步试验研究表明渗速可提高30%。加入稀土的高速钢氮碳共渗硬度Hv从933～946可提高1350～1478。稀土元素用于化学热处理的方法简便易行，对设备无特殊要求，对提高产品重量和节省能源都具有重要意义，有很好的推广应用价值。

2.5 稀土永磁材料

稀土永磁材料发展十分迅速，现已在许多领域里得到了广泛的应用，成为当代新技术的重要物资基础。自80年代以来利用钐钴合金做稀土永磁电机。产品类型包括伺服电动机、驱动电动机、汽车启动机、地面军用电机、航空电机等，部分产品出口，钐钴永磁合金的主要特点是：(1)退磁曲线基本上是一条直线，其斜率接近于逆磁导率，即回复直线近似与去磁曲线重合(2)具有极大的矫顽力，有很强的抗去磁能力(3)具有很高的最大磁能积(4)可逆温度系数很小，磁性的温度稳定性较好，由于以上特点，稀土钐钴永磁合金特别适合在开路状态、压力场合、退磁场情况或动态情况下运用，并适合制造体积的小的元件。

中航总125厂生产的160LY?.2永磁直流力矩电机使用钕铁硼(NTP200/64)磁钢。用钕铁硼永磁代替钐钴永磁成本降低，性能提高。该厂生产的QZDM01-H稀土永磁浅车启动机，使用了钕铁硼磁钢，该产品为稀土减速启动机。使用稀土磁钢，使启动机体积小、效率高、输出力矩大、启动速度快。国内SmCo系永磁材料的温度系数待改进，NdFeB系永磁材料的高温稳定性和耐腐蚀性需要进一步提高，粘结NdFeB系永磁材料还处于研制开发阶段。

永磁材料的发展先后经历了铁氧体阶段(磁能积4.6MGOe)，AINiCo合金阶段(磁能积11.5MGOe)，SmCo阶段(磁能积 31.0MGOe)，NdFeB阶段(磁能积43MGOe)。钛铁硼稀土永磁材料的研制成功，使耳机、扬声器、步进电机、无芯电机等实现了超小型化。美国通用汽车公司在1000cc汽车发动机上采用NdFeB永磁体，使发动机重量减少40～50%，尺寸减少45%。若能提高该材料的使用温度，将开辟该材料更为广泛的应用前景。

3 稀土元素在航空材料发展中的作用

稀土元素在航空材料发展中的作有是由稀土元素的性质决定的。稀土元素的原子半径大于常见金属如Al、Mg等，因此稀土元素在这些金属中的固溶度极低，几乎不能形成固溶体由于稀土元素具有很高的化学活性，稀土元素在化学反应中异常活泼，极易与气体(如氧)、非金属(如硫)及金属作用，生成相应稳定的化合物这些新形成的化合物多数是溶点高、密度小、化学性质稳定，稀土元素在金属中的作用大体可归纳为如下几个方面：

(1)减轻非金属杂质的有害影响。氢是钢和铝合金的有害杂质，溶入液态金属的氢凝固时以原子态析出，聚集成分子，导致出现晶间裂纹、疏松和针孔等氢致缺陷，给铸造、塑性加工和性能带来严重危害，实验表明铝及其合金中加入适量稀土(0.1～0.3%)将明显的降低氢的含量，起到减少氢的危害作用提高合金的性能，此外稀土金属也有降低铝中硫和氧含量的效果。其化学反应式如下：

4/3[RE]+2[O]→2/3RE203(固)

[RE]十[H]→REH(固)

RE(瓶)十MnS(固)→RES(固)+ Mn(瓶)

反应生成的稀土化合物，熔点高、比重轻，上浮成渣。而它们的微小的质点则成为铝结晶过程的异质晶核。

(2)细化晶粒和枝晶组织，提高热塑性。稀土可细化合金的铸态组织，使枝晶网络更为清晰，从而改善合金的热塑性。稀土化合物微小的固态质点提供了异质晶核或在结晶界面上偏聚阻碍晶胞的长大，为钢液结晶细化提供了较好的热力条件。

(3)改变夹杂物的形态和分布。稀土与杂质形成化合物，在晶界析出，改变了原来的固溶存在方式，使夹杂物量降低。

(4)产生强化作用，稀土加入合金中使氢氧和夹杂物量降低，又细化了晶粒和枝晶网络，稀土与非金属元素作用产生高溶点的化合物弥散于基体中，稀土与金属元素生成高溶点的金属问化合物，即消除粗大块状组织，又稳定晶界，这些都起到了提高材料强度的作用。(5)稀土的引入提高了含稀土合金材料的耐腐蚀性和抗高温氧化性能。稀土元素的加入在铸造、锻造、焊接、热处理及表面涂层技术中也作了一些研究，许多都取得了正的效应，但稀土元素在这些热工艺过程中及制件中所超的作用机理有待进一步开发研究。

4 稀土在航空材料上的应用展望

由于稀土金属的原子半径大，极易失掉最外层2个s电子和次层的5d一个电子或4f的一个电子，而成三价离子。因此稀土金属在化学反应中异常活泼，极易与其它物质反应。又由于稀土元素具有电子未完全充满4f层的特性，而引导出各种磁、电和光的特性效应以及其它特殊性能。稀土元素的这些有吸引力的性能及广阔的潜在用途，引起了航空材料科学家的极大重视及广泛的研究，近期的研究重点：

4.1 稀土陶瓷材料

稀土材料在高推比航空发动机上的应用出现新进展。近年来中航总公司开展了稀土在结构陶瓷方面的应用研究。氮化硅陶瓷具有高温下强度高、抗热震性能好、高温蠕变小等优良的性能，是一种最有希望用于高推重比发动机的新型结构陶瓷材料。氮化硅陶瓷仍遵循着液相烧结机理，需加入一些氧化物添加剂与Si3N4，颗粒表面的出SiO2层反应，生成液相以促进烧结。引入A1203，、MgO等氧化物为烧结助剂后，氮化硅陶瓷的断裂韧性和强度并不高，但引人稀土氧化物Y2O3即Y203一A1203，或Y2O3一MgO为烧结助剂，氮化硅陶瓷的常温断裂韧性和强度得到明显的改善，但高温性能并不好。近年来的研究发现以稀土氧化物Y203和La203为添加剂，材料的力学性能大幅度提高，尤其是高温断裂韧性得到明显改善。研究表明：Y2O3和La203的引入对氮化硅陶瓷中β一Si3N4，晶粒的生长行为有重要影响，从而影响了氮化硅陶瓷的结构和性能。选适当比例和含量的Y203和La2O3作添加剂，可得到轴比较大的β一Si3N4晶粒，这样使氮化硅陶瓷产生了自增韧的效果。陶瓷属脆性材料，一般不能用于结构件。为了克服其脆性。通常引入纤维、晶须等增强组份，但这就产生了不同形态的组份难以均匀分散，给制造工艺带来困难。目前这一问题正是限制陶瓷料在高技术领域里应用的关健。将稀土氧化物引入陶瓷粉未中，能够在陶瓷烧结过程中产生原位增韧即自增韧的效果，恰好克服了上述引入纤维、晶须等带来的制造上的困难。因此在陶瓷材料中引入稀土氧化物，将为陶瓷材料在高新技术领域里开阔一个更为广阔的应用前景。专用集成电路为适应作战需要，必须抗辐射加固，提高可靠性，同时集成电路和计算机技术向更高电路密度和更快运算速度发展，均推动陶瓷材料基片及其封装向更高性能和更精细工艺方向发展。作为基片材料，必须满足低介电常数，高热导率，高机械强度，与半导体芯片相匹配的热膨胀系数。氮化铝(AIN)多层基片与传统的氧化铝(A1203)基片相比，有较高的导热率，适用于高功耗、高引线数和大尺寸芯片，成为近年来航空及军工行业开发的重点。采用稀土氧化钇(Y203，)和氧化钙混合添加剂，可以降低氮化铝的烧结温度，促进烧结。这种掺杂后的氮化铝(AIN)陶瓷，导热率260W/(m.K)，适于高密度布线，热阻仅为同样结构和相同引线数的氧化铝封装的1/4,这种基片已用于含1800个输入/输出头的计算机系统的多层布线阵列的封装。

4.2 稀土永磁材料

稀土永磁材料是制备高性能微波功率管一行波管的关键材料。现代军事通讯、雷达、导弹制导和电子战都需要各种行波管，其特点是工作频带宽(2～18GHz)，效率高(达50%)。海湾战争中美国使用的电子干扰设备、预警飞机、火控雷达、精密制导系统，都用了大量高性能宽带大功率行波管，制造这些高功率行波管的关键是高磁能积、低温度系数的稀土永磁材料。这材料对实现军用电机的高效率、小型化和轻质化，以及促进军用计算机性能的提高也是十分重要的。根据我国目前稀土永磁材料发展的实际情况，今后在航空航天领域里稀土永磁材料研制开发的主要方向有：(1)高稳一性SmCo系永磁材料(2)高工作温度NdFeB系永磁材料(3)快淬 NdFeB磁粉及粘结NdFeB系永磁材料(4)新型SmFeN系永磁材料(5)低成本、高性能第四代稀土永磁材料。 4.3稀土铝合金航空用A1-Cu-Mg-Fe-Ni系耐热铝合金LD7和LD8的工作温度不能超过270℃，Al-Cu-Mn系的LYI6或2021的工作温度不能超过 300℃，除了烧结铝粉末外，还没有可在350～400℃下工作的铝合金。Sc能将铝合金的再结晶温度提高到450～550℃，共格沉淀相A13Sc特别是与Zr复合形成的A13(ScZr)的热稳定性极高，在350℃或450℃长时间加热时质点尺寸长大速度极慢，而且能长期保持共格性不破坏，是开发工作温度大于350℃的耐热铝合金最有希望的合金元素。目前，航空用综合性能最好的高强高韧铝合金是A1-Zn-Mg-Cu-Zr系的7075、7150和7010，它用Zr代替了Mn和Cr，显著提高了合金的淬透性，适于生产厚板(≥75mm)。但是，这类合金的铸造性能极差，厚向强韧性还不够高。若加入0.1～0.2%Sr与Zr形成共格沉淀相A13(ScZr)，除了增加强度外，还能使再结晶温度提高。A13Sc质点抑制合金的再结晶，得到未再结晶组织，起到亚结构强化的作用，能改善板材厚向的强韧性。经过充分时效，疲劳强度、断裂韧性(K1c。)和抗应力腐蚀能力(SCR)得到明显的提高，为火箭和飞行器开发出新一代超高强高韧铝合金是完全有可能的。

4.4 稀土高温合全

稀土元素对改善高温合金的性能作用显著。高温合金用于航空发动机的热端部件，但由于在高温下抗氧化、耐腐蚀及强度的下降，使得航空发动机性能的进一步提高受到限制。近期的研究表明：镍基合金中添加少量稀土后，提高了抗硫化性能及高温强度和热塑性。钴基合金中加入0.1～0.2%钇、镍基合金中加入铜或铈，能使材料的耐腐蚀性能提高10倍。在镍铬合金中，稀土对提高合金的抗氧化性能有明显的作用，如在Ni-30Cr合金中加0.3%Y0.05% La和Ce，合金在1200℃和1300℃下的寿命分别为2970小时和613小时，而未加稀土同一镍铬合金，在上述温度下，其寿命仅为1518小时和 270小时。稀土元素对高技术新材料研究与发展有密切的关系，更深入地研究稀土元素在航空材料中的作用及其机理，稀土元素对性能变化的影响规律，从而更广泛地探求新的航空材料，开发高技术产品乃是稀土材料研究者的历史使命。近年来偏重于研究稀土对改善材料性能的作用，而对稀土的作用机理研究得不够，为使稀土在材料中的应用建立在扎实的科学基础上，为了开发更多更好的稀土金属及非金属新材料，必须就稀土对材料的改性机理进行系统深入的研究。结合我国丰富的稀土元素(La、Ce、Nd、Yb、Dy、Sc等)，开展这些稀土与材料学的系统深入研究，旨在为有效合理利用各个稀土的特性开拓新的应用途径，取得更多的稀土一材料专利，将我国稀土材料建立在自己的知识产权上。

航空稀土开发应用在“七五”、“八五”期间，通过稀土元素对新材料的作用及提高材料的应用功能，延长其使用寿命，提高经济效益等方面做了许多工作。但在稀土材料的开发应用方面，在更好发挥航空稀土材料功能方面还远没有挖掘出巨大的潜力，仍需要我们继续不懈的努力开发，更进一步的深入研究与应用。稀土作为我国在国际上的优势产业，其国际市场的占有率逐年提高，其地位也越来越重要。我们应该抓住机遇，加速稀土在航空工业的开发和应用。综上所述，稀土元素有强化金属材料，减少其杂质的有害影响、改变夹杂物的形态和分布、提高抗腐蚀和抗氧化性能等作用。已经发展了许多航空用稀土镁合金、铝合金、钛合金、高温合金及功能材料，并在应用中取得了良好的技术经济效益，但这些已取得的成就与稀土在航空材料发展中特殊作用及其潜在的用途相比，只能说是开发稀土的一个良好开端，这点成绩与我们稀土大国的地位也极不相称。为充分满足国民经济和高技术发展的需求，今后应该在航空稀土材料应用基础理论和科研究成果的工程应用两个方面加强研究，并加大投资力度，为稀土的深入开发，加速我国稀土材料发展，建立具有中国特色的材料科学及其工程应用体系，充分发挥我国稀土资源优势。

2)密封性能好：铝合金本身易于挤压，型材的横断面尺寸精确，加工精确度高。可选用的防水性、弹性、耐久性都比较好的密封材料，比如橡胶压条和和硅酮系列的密封胶。在型材方面，各种密封条固定凹槽，已经随同断面在挤压成型过程中同一完成，给安装封缝材料创造了有利条件。

3)造型美观：铝合金表面经阳极电话处理后，可呈现古铅肝铜、金黄、银白等色，可任意选用，经过氧化光洁闪亮。窗扇框架大，可镶较大面积的玻璃，让室内光线充足明亮，增强了室内外之间立面虚实对比，让居室更富有层次。

(4)耐腐蚀性强：铝合金氧化层不褪色，不脱落，不易涂漆，易于保养，不用维修。

7075铝合金

化学成份：

硅Si：0.40

铜Cu：1.2～2.0

镁Mg：2.1～2.9

锌Zn：5.1～6.1

锰Mn：≤0.30

钛Ti：≤0.20

铬Cr：0.18～0.28

铁Fe：0.50

注：单个:≤0.05合计:≤0.15

铝Al：余量

7075铝合金棒的加工特性

7075铝被称为超高强铝合金，合金的屈服强度接近与抗拉强度，屈服比高，比强度也很高，但塑性和高温强度较底，宜做常温、120℃以下使用的承力结构件，合金易于加工，有姣好的耐腐蚀性能和较高的韧性。该合金广泛用于航空和航天领域，并成为这个领域中最重要的结构材料之一。

物理特性及机械性能:

抗拉强度:524Mpa

0.2%屈服强度455Mpa

伸长率:11%

弹性模量:E/Gpa:71.

7075铝板产品特点：

1.高强度可热处理合金。

2.良好机械性能。

3.可使用性好。

4.易于加工，耐磨性好。

5.抗腐蚀性能、抗氧化性好

7075简介：

7075是一种冷处理锻压合金，强度高，远胜于软钢。7075是商用最强力合金之一。普通抗腐蚀性能、良好机械性能及阳极反应。细小晶粒使得深度钻孔性能更好，工具耐磨性增强，螺纹滚制更与重不同。

铝7075是一种冷处理锻压合金，强度高，远胜于软钢。7075铝合金是商用最强力合金之一。普通抗腐蚀性能、良好机械性能及阳极反应。细小晶粒使得深度钻孔性能更好，工具耐磨性增强，螺纹滚制更与重不同。