航空航天器铸造铝合金 - 2 - 张春波

2012，Vol．40，№12

9

航空航天器铸造铝合金（2）

12

张春波，王祝堂

（1．哈尔滨中飞新技术股份有限公司，黑龙江哈尔滨150060；2．中国有色金属加工工业协会，北京100814）

ZL105A、ZL112Y、ZL114A、ZL116及ZL2××系中的摘要：本篇是全文的第二部分，主要介绍ZL1××系中ZL105、ZL201合金的化学成分、组织、典型力学性能、热处理规范、熔炼铸造工艺、其他工艺特性，以及它们在航空航天工业中的应用情况。

关键词：铸造铝合金；力学性能；熔炼铸造工艺中图分类号：TG146．21

文献标识码：A

文章编号：1007－7235（2012）12－0009－13

Castingaluminumalloyusedforaeronauticsandaerospacevehicle（2）

ZHANGChun-po1，WANGZhu-tang2

（1．HarbinZhongfeiNewTechniqueCo．Ltd．，Harbin150060，China；2．ChinaNonferrousMetalsIndustryAssociation，Beijing，100814，China）

Abstract：Thisisthesecondpartofthecompletepaper，whichmainlydescribesthechem-structures，typicalmechanicalproperties，heattreatmentsystems，meltingicalcompositions，

andcastingprocessandotherprocesscharacteristicsofZL105，ZL105A，ZL112Y，ZL114A

whichbelongingtotheZL1××seriesandZL201alloyofZL2××series．andZL116alloys，

Theapplicationsituationoftheabovementionedalloysintheaeronauticsandaerospacein-dustrieshavebeendescribedaswell．

Keywords：castingaluminumalloy；mechanicalproperty；meltingandcastingprocess

4．5

ZL105合金

ZL105与ZL105A均为可热处理强化的Al-Si-Cu-Mg系铸造合金，具有良好的铸造性能和较高的

（AlxMg5Cu4Si4）。固溶处理后，CuAl2、Mg2Si和部分

W相溶入基体，GP并在人工时效时呈介稳相（GPⅠ、Q'）析出，Ⅱ或β'、起强化作用。合金结晶过程根据

577℃），冷却速度不同，可能形成二元共晶（α+Si、525℃），三元共晶（α+Si+CuAl2、四元共晶（α+Si

+CuAl2+Mg2Si、517℃）和五元共晶（α+Si+CuAl2+Mg2Si+W、488℃）。热处理时若过烧，则组织中可能出现Si相聚集长大、共晶复熔（球形或三角形）、晶界熔化等特征。合金的杂质相为β（Al9Fe2Si2）和Al8FeMg3Si6。4．5．1

化学成分

ZL105合金的化学成分见表22，Cu含量对合金

［1］

力学性能的影响见表23，对于要求力学性能较高

气密性，属中等热强铝合金，其高温力学性能和可切

ZL104等Al-Si-Mg系铸造合金削性能均优于ZL101、

的，但随着Cu元素的加入，其塑性和耐腐蚀性能降

金属型和熔模铸造铸件，适于铸造低。可采用砂型、

形状比较复杂和承受中等载荷工作温度至250℃的

机匣、油泵壳体各种发动机零件和附件零件（气缸、

等），它是航空及其他工业部门中广泛应用的铸铝材

ZL102和ZL104合金更高的耐热有比ZL101、料，

性能。

ZL105合金相组成为α+Si+CuAl2+Mg2Si+W

收稿日期：2011－10－11

第一作者简介：张春波(1973－)，男，黑龙江哈尔滨人，工程师。

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可以中间合金或盐类形式加入。为0．02%～0．05%，

Ti的铸件可添加少量Ti或同时加入B以细化晶粒，

B的加入量（质量分数，下同）为0．1%～0．15%%，

表22ZL105合金的标定化学成分（质量分数/%）

Tab．22NominalchemicalcompositionsofZL105alloy（massfraction/%）

主要元素

技术标准

Si4．5～5．54．5～5．5

Cu1．0～1．51．0～1．5

Mg0．4～0．60．4～0．6

Al余量余量

FeS①0．60．6

J②1．01．0

Zn0．30．3

Mn0．50．5

Ti+Zr0．150．15

杂质（不大于）

Be0．1Ti0．15

Sn0．010．01

Pb0．050．05

0．05

0．15其他单个

合计

杂质总和S1．1

J1．4

GB/T1173HB962

注：以最新实行的标准为准；①S—砂型铸造，②J—金属型铸造，下同。

表23Cu含量对ZL105合金力学性能的影响

Tab．23InfluenceofCucontentonmechanicalpropertiesofZL105alloy

w（Cu）/%1．21．52．02．5

F

Rm/（N·mm－2）

155～170160～175160～180165～185

A5/%1．5～32～30．8～1．50．8～1．4

HB50～5560～7060～7090～70

300R100h/（N·mm－2）

T6

Rm/（N·mm－2）

225～275245～295245～315245～315

A5/%1～2．31～20．5～1．50．5～1．5

HB70～8075～9080～9075～90

300

R100h/（N·mm－2）

35～4035～4545～5045～50

3030～3535～4040

4．5．2

热处理

ZL105合金可在不同热处理状态下使用。铸造1有机淬火剂淬火，件，宜采用沸水或CL-以减少内

应力和防止铸件变形。若铸件在较高温度下长期工作，最好采用T7规范，其时效温度宜接近于零件工作温度。

方法、铸件尺寸和铸件结构复杂程度一般均不受限

［1］

制，热处理规范见表24，对于形状比较复杂的铸

表24ZL105合金的热处理规范

Tab．24HeattreatmentsystemofZL105alloy

状态T1T5T7

520～530520～530

3～53～5

66～10066～100

≤25≤25

固溶处理

温度/℃

保温时间/h

冷却水温度/℃

转移时间/s

温度/℃175～185170～180220～230

时效保温时间/h5～103～103～10

冷却介质空气空气空气

4．5．3

物理化学性能

ZL105合金的铸造温度700℃～750℃，熔化温并用重铬酸钾封孔。对于针孔度严重（超氧化处理，

过3级）的铸件表面则不得施加阳极氧化处理，可采用涂漆保护，对特殊用途的也可电镀和搪瓷。4．5．4力学性能

ZL105合金单铸造试样的室温典型力学性能见表25，在不同温度的典型力学性能见表26，不同针孔等级铸板的力学性能示于表27，不同温度的低周疲劳强度见表28。ZL105合金砂型铸件的压缩屈服

2

强度Rp02=（180～260）N/mm，金属型铸件的Rp0．2

3

20℃时的电阻密度2680kg/m，度577℃～627℃，

率46．2nΩ·m，无磁性。

ZL105合金具有耐工业和海洋大气腐蚀的能力。在硝酸和大部分有机酸溶液中具有较好的抗腐蚀能力，但易受盐酸、硫酸及钠、钾、钙氢氧化物的侵蚀。Cu是降低该合金耐腐蚀性能的主要合金元素，使其耐腐蚀性能低于ZL101合金的。

ZL105合金在大气条件下可不进行表面防护处理。为提高铸件的耐腐蚀性或耐磨性，可采用阳极

=（185～275）N/mm2；T5状态砂型铸件U型切口试

2

T5合金25℃样的冲击韧性αKU=22kJ/m；ZL105-

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2

时的正弹性模量E=70GN/m，切变模量G=26．5GN/m2，泊松比μ=0．33。

11

表27针孔对ZL105合金铸板力学性能的影响

Tab．27Influenceofneedleholesonmechanical

propertiesofZL105alloycastplates

试样厚/mm针孔等级（HB963）

12

12

34512

25

34

Rm/（N·mm－2）

281265245216168245228218179154

A5/%1．81．61．51．31．11．51．41．41．11．0

HB110110106979111211010410090

表25单铸ZL105合金试样的典型室温力学性能Tab．25TypicalmechanicalpropertiesofZL105alloyseparately-castsamplebeingtestedatroomtemperature

铸造工艺

SJSJSJ

状态T1

Rm/（N·mm－2）

175195265295235285

Rp0．2/（N·mm－2）

155165175185225205

A10/0．820．52

T5

T7

表26单铸ZL105合金试样在不同温度下的

5

典型力学性能

Tab．26TypicalmechanicalpropertiesofZL105alloyseparatelycastsamplebeingtestedat

differenttemperature

状态铸造工艺T/℃T1

J

－196－7020100

T5

S

15020025030020100

T7

J

200250300

Rm/（N·mm－2）

29426524517724524521617712723523517713798

177177137118780．8

111．51．541．522．546

Rp0．2/（N·mm－2）A5/%

0．80．5

表28ZL105合金在不同温度的低周疲劳强度

Tab．28Low-cyclefatiguestrengthofZL105

alloytestedatdifferenttemperature

周期

铸造工艺

状态

T/℃

105

106

107

108

5×108

疲劳强度R－1/（N·mm－2）

24

S

T7

149204260

14512411797

103979069

83766548

76695234

72654831

形成能力（723℃浇铸宽度为7．5mrn的铸环试样时出现第一条裂纹；线收缩率1．1%，体收缩率4．5%～4．9%。

ZL105合金具有较高的气密性，厚度为4mm的

2

试样，在22．6N/mm压力下试验未出现渗漏。该合金焊接性能良好，可采用气焊、氩弧焊等法修补铸件缺陷，用同种成分的焊丝。焊后不进行热处理，焊缝区拉伸性能明显下降，热处理后，其拉伸性能与基体金属的基本相同。

ZL105合金Si含量低于其他Al-Si合金的，并含ZL102、ZL104等故其可切削性能优于Z1101、有Cu，

合金的，采用硬质合金刀具，减小切削速度和增大前

角，可获得满意的加工品质。4．6

ZL105A合金

ZL105A合金是在ZL105合金基础上降低杂质Fe、Mn、Zn的含量，并缩小Mg含量范围而得到的一个比ZL105合金力学性能更高的合金，其铸造性能、气密性以及抗腐蚀性能与ZL105合金的基本相同。

4．5．5

工艺性能

ZL105合金的熔炼工艺与常用铸造铝合金的相

同，熔体处理合格后在700℃～750℃铸造。对熔体

用C2Cl6除氢时，其用量为应进行有效的除氢处理，

炉料质量的0．5%～0．7%。

Ti或Al-Ti-B中间合作为晶粒细化可采用Al-Ti的加入量为炉料量的0．1%～0．15%，B的添剂，

加量0．02%～0．05%。

ZL105合金具有良好的铸造性能，用浇铸棒状试样流动长度法测定700℃熔体的流动性为344mm，750℃的流动性为375mn；有足够高的抗热裂纹

12

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ZL105合金的相同。4．6．1化学成分

ZL105A合金的标定化学成分见表29。

该合金可采用砂型、金属型和熔模铸造等法铸造结构形状比较复杂、承受中等载荷、在250℃以下长期工作的各种发动机零件和附件零件，即其用途与

表29ZL105A合金的标定化学成分（质量分数/%）

Tab．29ChemicalcompositionsofZL105Aalloy（wt/%）

合金元素

标准

Si4．5～5．54．5～5．54．5～5．5

Cu

Mg

Al

FeS0．2

J0．20．200．2

Zn0．10．100．1

Mn0．10．100．1

0．1

杂质，不大于Sn0．01

Pb0．05

0．050．05

0．150．15

Ti

其他单个

合计

杂质总和S0．5

J0．5

GB/T1173HB962HB5480

1．0～1．50．4～0．55余量

1．0～1．50．40～0．6余量0．201．0～1．50．4～0．60余量

0．2

ZL105A合金在平衡状态下结晶时主要由α、Si、

Al2Cu和W（AlxCu4Mg5Si）4相组成。当在不平衡状Cu含量处于下限态下结晶，而Mg含量处于上限，

时，存在Mg2Si相。Mg2Si相与Al2Cu相比较，前者

后者耐热性好。它们的数量取决室温强化效果好，

w（Cu）/w（Mg）值约为2．1于w（Cu）/w（Mg）比值，

时，组织中的Mg2Si完全消失；大于2．1时出现Al2Cu相，一般保持在2．5左右的比例。Cu和Mg的总量过少，强化效果小；而总量过大会使合金塑性变差。一般其总量控制在1．5%～2．0%。其中w（Mg）为0．6%左右，w（Cu）为1．4%左右，w（Cu）和

w（Mg）的比值在2．2左右时，室温和高温的拉伸强

度达最大值。合金中Fe的质量分数限制在0．2%以下，很少出现含Fe杂质相如β（Al9Fe2Si2）和Al3FeMg3Si。4．6．2

热处理

ZL105A合金在T5、T6、T7状态使用，其热处理

1有规范见表30。形状比较复杂的零件宜采用CL-机淬火剂淬火，以减少内应力和防止变形。对于在

较高温度下长期工作的零件，建议采用T7热处理，其时效温度应接近于工作温度。

表30ZL105A合金的热处理规范

Tab．30HeattreatmentsystemofZL105Aalloy

标准GB/T1173HB5480

状态T5T6

固溶处理

T/℃525±5520～530

保温时间/h4～126～18

冷却水温度/℃工厂自定60～100

转移时间/s

≤30≤25

T/℃160±5150～160

时效保温时间/h

3～510～12

冷却介质空气空气

4．6．3

物理化学性能

ZL105A合金的熔化温度557℃～613℃，密度特殊用途的也可以电镀和搪瓷。采用涂料保护，

4．6．1力学性能

ZL105A合金单铸造试样，室温典型力学性能示于表31；不同温度时的典型力学性能示于表32；ZL105A-T5单铸试样的抗剪强度235N/mm2，T6状

2

态的221N/mm；不同温度的冲击韧性见表33，高温

2685kg/m3，电导率40%IACS，电阻率43．4nΩ·m，

无磁性。ZL105A合金具有耐工业和海洋大气腐蚀的能力，在硝酸和大部分有机酸溶液中，具有较好的抗腐蚀能力，但易受盐酸、硫酸及钠、钾、钙、氢氧化物的侵蚀。Cu是降低该合金耐腐蚀性能的主要合金元素，其耐腐蚀性能低于ZL101合金的。ZL105A合金可不进行表面防护在大气条件下，

处理。为提高铸件的耐腐蚀性或耐磨性，可采用阳极氧化处理，并用重铬酸钾封孔。对于针孔度严重（超过3级）的铸件表面则不允许阳极氧化处理，可

持久强度见表34，各种温度下的旋转疲劳强度见表

35；金属型单铸试样ZL105A-T5合金的室温旋转疲

72

劳强度（N=2×10周）R－1=98N/mm，带缺口试2

K=2．2；室温弹性模量E=70．6样的为49N/mm，

2

GN/m2，切变模量G=26．5GN/m，泊松比μ=0．33；

ZL105A-T5合金金属型单铸试样的断裂韧性KIC=

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m。21．7N/mm2·槡表31ZL105A合金单铸试样的典型室温力学性能

Tab．31TypicalmechanicalpropertiesofZL105Aalloyseparately-castsampletestedatroomtemperature

状态T5T6

铸造工艺Rm/（N·mm－2）Rp0．2/（N·mm－2）

JJS

382358296

284227207

A5/%6．014．05．5

JS

T5T5T6

13

表34ZL105A合金的高温持久强度Tab．34High-temperatureendurancestrength

ofZL105Aalloy

铸造工艺

状态

200℃

250℃

R100/（N·mm－2）147147147

6954

表32ZL105A合金单铸试样在不同温度的

典型力学性能

Tab．32TypicalmechanicalpropertiesofZL105A

alloyseparately-castsampletested

atdifferenttemperature

·mm－2）Rp0．2/（N·mm－2）A5/%ψ/%状态铸造工艺T/℃Rm/（N

－196－70

T5

J

20200250300－195－80－2824

T6

J

100149204260315

441402382255196132386344330317296262964828

362313284225147107255234234234234241694120

2465467776610406070

12304253

表35ZL105A合金的旋转疲劳强度

Tab．35RotatingfatiguestrengthofZL105Aalloy

周期

铸造工艺

状态

T/℃

105

106

107

108

5×108

疲劳强度R－1/（N·mm－2）

20

J

T6

149204260

193186165124

13112411479

110938352

100866938

96836234

裂纹。线收缩率1．1%，有较满意的气密性，在230大气压压力下试样未泄漏。

该合金适于氩弧焊焊接，焊后经热处理，接头的强度为基体金属强度的0．95。ZL105A合金Si含量Si合金的，低于其他Al-并含有Cu，故其可切削性能ZL104等合金的。优于ZL101A、

采用硬质合金刀具，降低切削速度和增加前角，

可获得满意的加工品质。4．7

ZL112Y合金

ZL112Y合金为Al-Si-Cu系压力铸造铝合金，具有优良的铸造性能和良好的力学性能，流动性、气密

性、抗热裂性一般。但由于该合金Cu的含量较高，合金耐腐蚀性能稍差。Si主要提高合金的铸造性能，使其具有很好的流动性、气密性和抗热裂性。Cu为合金主要的强化元素。合金的Fe含量较高，提高合金压铸件性能，减少压铸时粘模，但Fe含量高会制降低合金的伸长率。该合金主要用于压力铸造，造复杂薄壁力学性能要求高的飞机附件和仪表壳体零件等。4．7．1

化学成分及组织

ZL112Y合金的标定化学成分列于表36。对于

T5合金单铸试样的冲击韧性表33ZL105A-Tab．33ImpacttoughnessofZL105A-T5alloy

separatelycastsample

状态

铸造工艺

T/℃－196

T5

J

－7020

aKU/（kJ·m－2）

36．35250

4．6．5

工艺性能

ZL105A合金浇铸温度700℃～750℃，具有良好

的铸造性能，用浇铸砂型棒状试样流动长度法测定700℃的流动性为344mm，有足够高的抗热裂能力，浇铸宽度为7．5mm的铸环工艺试样时出现第一条

w（Fe）含量控制在1．0%左右，一般铸件，但对于伸

长率要求高的铸件要降低Fe含量。适当提高合金中的Fe含量，可以提高压铸的抗粘模性能；为了提高合金流动性，可以适当提高Zn含量。按美国

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Al、Si、Al2Cu。冷室压铸。合金相组成主要为α-

ASTMB95的规定，合金含w（Fe）=1．3%～2．0%时

适用于冷、热室压铸，若w（Fe）＜1．3%，一般只用于

表36ZL112Y合金的标定化学成分（质量分数/%）

Tab．36NominalchemicalcompositionsofZL112Yalloy（wt/%）

标准HB962HB5012GB/T15115

Si7．5～9．57．5～9．57．5～9．5

Fe1．01．01．2

Mg0．30．30．3

Zn1．21．21．2

Cu2．5～4．02．5～4．03．0～4．0

Mn0．60．60．5

Ti0．20．2

Sn0．20．20．1

Pb0．30．30．1

Ni0．50．50．5

余量余量Al

注：以实行中的有效最新标准为准。

4．7．2热处理

压铸件一般不进行固溶热处理。根据具体使用要求可进行退火处理：加热温度260℃～370℃，保温时间4h～6h，随炉冷却或空冷，此热处理制度可以提高合金的伸长率。根据具体使用要求还可以进行保温时间4h消除应力热处理：温度175℃～260℃，

～6h，空冷。经热处理供应的铸件，当力学性能不合格时，允许对铸件进行重新热处理后再作检查（重新热处理其力学性能仍按原要求，若仍达不到只允许一次），

原要求，则认为该炉次合金力学性能不合格。4．7．3

物理化学性能

ZL112Y合金的熔化温度582℃～564℃，密度

3

表37ZL112Y合金在不同温度的力学性能

Tab．37MechanicalpropertiesofZL112Yalloyat

differenttemperature

·mm－2）Rp0．2/（N·mm－2）A5/%铸造工艺状态温度/℃Rm/（N

－195－80－2624

Y

F

100150205260315371

407338338330310235165904928

207165165165165152110552817

2．52．533458203035

2750kg/m，20℃时的电阻率75nΩ·m，20℃时的电导率27%IACS，无磁性，由于含Cu量较高，耐腐

蚀性能较差。4．7．4

力学性能

ZL112Y合金的室温布氏硬度HB=80，在不同

流动性2

表38ZL112Y合金的压铸工艺特性

Tab．38Diecastingprocesscharacteristics

ofZL112Yalloy

抗形成缩孔的倾向

2

气密性2

抗形成热裂的倾向

2

抗形成气孔的倾向

2

对模具的不粘附性

1

F温度时的力学性能见表37，单独压铸的ZL112Y-2

试样的旋转弯曲疲劳强度R－1=138N/mm（N=5×10周、R．R．Moore试样），正弹性模量71．0

2

GN/m2，切变模量26．5GN/m，泊松比0．33。4．7．5

工艺特性

ZL112Y合金熔体铸造温度635℃～705℃，对于

8

1表示最好，2次之，注：合金工艺性能分为1～5级，以此类推。

结构组合件。

T6状态下使用，该合金一般在T5、铸造工艺、铸

件尺寸大小和复杂程度不受限制。要求强度高时宜采用T6状态。ZL114A合金具有高的力学性能，同

即高的流动性、抗热裂性、时具有优良的铸造性能，

良好的致密性和可焊性等。适合于铸造要求承载能

力大的重要复杂薄壁结构件。

ZL114A合金属Al-Si-Mg-Ti系，其相组成是α-Al固溶体、（α+Si）共晶、Mg2Si、Al3Ti等。固溶处理

MgSi溶入α固溶体中形成过饱和固溶体，175℃时，

以下时效时，过饱和固溶体分解产生GPⅠ区或GP

有气密性要求的铸件，可以进行浸渗处理，压铸工艺

特性见表38。

压铸件可进行软钎焊与闪光电阻焊；抗蚀性能差，应涂漆或电镀保护；可切削性能和磨削性能良好。4．8ZL114A合金

ZL114A合金是在ZL101A合金基础上增加Mg

Si-Mg系高强度铸造铝合金。它含量发展起来的Al-既有优良的铸造性能，又有较ZL101A合金更高的力

利用该合金的优越特性学性能。在航空制造业中，

铸造一些重要的大型薄壁结构件代替铝合金钣金

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Ⅱ区，达到最高强化效果。进一步提高时效温度出

Sb、Si等现β'相或最终平衡相β（Mg2Si）相。用Na、元素对合金进行变质处理可以使（α+Si）共晶体细

化并改变其形貌，从而改善合金的力学性能，特别是B形成Al3Ti、TiB等伸长率。合金中添加微量的Ti、

高熔点化合物作为固溶体结晶核心弥散分布，使α-Al晶粒细化、合金力学性能提高。4．8．1

化学成分

ZL114A合金的标定化学成分见表39。严格控

15

高力学性能指标的首要条件。为此，配制合金时，需要高纯度的原材料，尤其是Fe杂质的含量应尽可能低。另外，宜使用非Fe质熔炼坩埚和其他工具。与ZL101A合金相比较，提高合金中Mg元素的含量以Be中间合金形式加提高合金力学性能。Be以Al-入，它的作用是防止合金氧化，减少Mg元素的烧损

Si脆性针状组织而降低合金和阻止杂质Fe生成Fe-的伸长率。

4．8．2热处理

ZL114A合金的热处理规范见表40。

制合金中杂质特别是Fe杂质的含量，是该合金达到

表39ZL114A合金的化学成分（质量分数/%）

Tab．39ChemicalcompositionsofZL114Aalloy（wt/%）

主要元素

标准

Si6．5～7．56．5～7．5

Cu0．45～0．60．45～0．75

Ti0．10～0．200．08～0．25

Be0．05～0．07

0．07

FeS0．2

J0．200．20

Cu0．20．10

Zn0．10．10

杂质，不大于

Mn0．10．10

杂质总和S0．750．05

J0．750．15

其他单个0．05

合计0．15

GB/T1173HB962

注：以最新实行的标准为准。

表40ZL114A合金的热处理规范

Tab．40HeattreatmentsystemofZL114Aalloy

状态T5T6

固溶处理

T/℃530～540535～545

保温时间/h4～66～10

冷却水温度/℃

60～10060～100

转移时间/s

≤25≤25

T/℃155～165160～170

时效保温时间/h

4～85～10

冷却介质空气空气

4．8．3物理化学性能

ZL114A合金的密度为2685kg/m3，熔化温度557℃～613℃，电阻率43．4nΩ·m，电导率40%IACS，无磁性。

ZL114A合金的抗蚀性高，接近于工业纯铝的，在大气条件下使用可不作表面防护处理，但为了进一步提高抗腐蚀性和耐磨损性，可以采用阳极氧化处理，如有特殊要求时，还可采用其他的防护方法，如电镀、涂珐琅、喷漆等。4．8．4

力学性能

ZL114A合金单铸试样的标定力学性能见表41，

T6状态砂型铸件单铸试样的典型力学性能见表42，2

的抗剪强度Rτ=285N/mm，金属型铸件的Rτ=295N/mm2；T6状态单铸砂型试样的弯曲疲劳强度

2

R－1=85N/mm2，金属型的R－1=110N/mm；砂型铸板的平面应变断裂韧性KIC=17．6～21．3（N/

2mm2）·槡m，优质铸件的KIC=23．1～24．2（N/mm）

·槡m；合金的正弹性模量71．7GN/m2，切变模量26．9GN/m2，泊松比0．33。硬度HB=85～115。

表41ZL114A合金单铸试样的标定力学性能

Tab．41NominalmechanicalpropertiesofZL114Aalloyseparately－castsample

标准GB/T1173HB962

铸造工艺SBJ，JBJ

状态T5T5T6

Rm/（N·mm－2）

≥290≥310≥300

≥220Rp0．2/（N·mm－2）

A5/%≥2≥3≥4

HB≥85≥90≥80

注：以最新实行的标准为准。

16

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4．9

ZL116合金

ZL116合金为可热处理强化的Al-Si-Mg系铸造

铝合金，是在ZL101基础上加入Ti和Be以提高合金的综合力学性能。ZL116合金具有良好的铸造性

可焊接性能和中等的室温力学性能，抗热裂倾向能、

强、抗腐蚀性好、气密性好。Mg是合金的主要强化Be可有效改善合金组织中的Fe相形貌，元素，使其Be还可以由针状变为块状，提高合金的力学性能，

减少合金熔炼时Mg的氧化和稍有提高合金热处理强度的作用。

该合金适用于砂型铸造和金属型铸造，也可以用于压铸和熔模铸造，制造承载飞机零件和有气密性要求的零件，在200℃下可以长期使用，状态为T5。

ZL116合金的相组成为α-AI、Si、Mg2Si、Al3Ti。Be与合金中的Fe形成化合物（Be-Fe相），呈块状，

Fe相的针状，Be-而不同于β-当合金中Fe含量高时，Fe相聚集呈团簇状。4．9．1

化学成分

ZL116合金的化学成分见表43（GB/T1173）。

表42ZL114A合金单铸试样的典型力学性能Tab．42TypicalmechanicalpropertiesofZL114A

alloyseparately-castsample

·mm－2）铸造工艺状态Rm/（N

SJ

T6T6

315345

Rp0．2/（N·mm－2）A5/%

250275

3．010．0

HBS8585

4．8．5

工艺性能

ZL114A合金大型薄壁铸件的铸造温度720℃～

785℃。此合金属共晶型，铸造性能好，其流动性、抗热裂倾向、致密性等均与ZL101A合金的相当。为使

Be等元素不过合金达到最低含气量，同时保持Mg、保温期间熔体温度宜在680℃～720℃。线分烧损，

收缩率11%～1．25%。

该合金焊接性能良好，通常采用氩弧焊或气焊法修补铸件缺陷部位，补焊的铸件经热处理后，焊缝处的拉伸性能几乎与基体金属的相等。

ZL114A合金的可切削性能良好，由于合金含Si，对刀具有一定的磨损，宜使用硬质合金刀具。为保证加工光洁度，加工时应使用煤油或其他润滑剂。

表43ZL116合金的标定化学成分（质量分数/%）

Tab．43ChemicalcompositionsofZL116alloy（wt/%）

合金元素

Si6．5～8．5

Mg0．35～0．55

Ti0．10～0．30

Be0．15～0．40

Al余量

Fe0．6

Cu0．3

Zn0．3

Mn0．1

杂质元素，不大于

Zr0．20

B0．10

Sn0．01

Pb0．05

总和1．0

注：以实行中的最新有效标准为准。

Be中间合金的形式加入熔体熔炼时Be以Al-Be被列为各种工业毒害中最严重的，Be的毒害中，

主要产生于粉尘、烟雾的吸入和接触，但对于低含Be

w（Be）＜0．5%］的熔炼认为在一般的铸造车合金［

间进行是安全的。

4．9．2热处理

ZL116合金的热处理规范见表44，大多数铸件在T5状态使用。

表44ZL116合金的热处理规范

Tab．44HeattreatmentsystemofZL116alloy

铸造工艺

状态T4T5

固溶处理

T/℃530～540530～540

保温时间/h8～168～16

冷却水温度/℃

20～10020～100

转移时间/s

≤25≤25

T/℃室温170～180

人工时效保温时间/h

≥244～8

空气冷却介质

S，J

4．9．3

物理化学性能

ZL116合金的熔化温度572℃～609℃；密度2660kg/m3，20℃时的电阻率46nΩ·m，电导率39%IACS，无磁性，具有令人满意的耐腐蚀性能。

4．9．4

力学性能

ZL116合金的单铸试样的典型力学性能见表

45，各种温度的力学性能列于表46。

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表45ZL116合金单铸试样的典型力学性能Tab．45TypicalmechanicalpropertiesofZL116

alloyseparately-castsample

铸造工艺

状态T4

S

T5T6T4

J

T5T6

Rm/（N·mm－2）

275325315295350345

305275250

Rp0．2/（N·mm－2）

A5/S5756

17

1．1%，具有良好的可焊接性能与可切削、磨削性能。

5ZL2××系合金

ZL2××系合金可分为：Al-Cu系、Al-Cu-Mn系、

A-Cu-Mn-RE系、Al-Cu-Ni系合金，Al-Cu系合金虽有高的热处理效果，但铸造性能低与抗蚀性差，已逐渐被其他铸造铝合金替代。当前在航空工业中用得多

Cu-Mn系的ZL201、204A、205A合金，Al-Cu-的是Al-Mn-RE系的ZL206、ZL207合金，Al-Cu-Ni系的

ZL208合金。5．1

合金的成分与相组成Al-Cu及Al-Cu-Si合金

Al-Cu二元合金有ZL203（w（Cu）=4．0%～5．0%）和ZL102（w（Cu）=9．0%～11．0%）合金。Al-Cu合金是可以热处理强化的合金，在淬火、时效状态下合金具有较高的力学性能。

ZL203合金的金相试验和电子探针微区分析表当合金中含有较多的Fe和Si时，除有α（Al）、明，

Al2Cu、Si外，N（Al7Cu2Fe）和β（Al9Fe2Si2）相可能出N（Al7Cu2Fe）较现。当合金中Fe含量大于Si的时，

多，β（Al9Fe2Si2）较少；当Si含量大于Fe的时，则β（Al9FeSi2）相较多。电子探针微区分析表明，在N

w（Fe）=5．7%～14%，相中w（Cu）=31%～34%，

余为Al。在β（Al9Fe2Si2）相中，除有w（Fe）=23%、

w（Si）=16%外，还有w（Cu）=7%左右。在Si含量大于Fe且缓慢冷却时，组织中还出现骨骼状α（Al-CuFeSi）相，w（Fe）=成分为：w（Cu）=8．8%、28．6%、w（Si）=7．4%、余为Al。根据该相的形态和它很可能是一种α（Al12Fe3Si）浸蚀时的颜色变化，中溶入Cu的相。

在ZL203合金中含有少量Mg时，首先析出α（Al）初晶，若为不平衡结晶，将有L→α（Al）+θ（Al2Cu）二元共晶反应及α（Al）+θ（Al2Cu）+S（Al2CuMg）三元共晶反应。Al2Cu和S（Al2CuMg）相在淬火加热时，均可溶入α（Al）中，但S相的出现，形成了低熔点的α+Al2Cu+S三元共晶组织，要求降低淬火加热温度或采用阶段加热淬火工艺，否则将引起合金过烧。

ZL202合金的金相组织与ZL203合金的相似，只是由于合金含有更多的Cu，组织中有更多的α（Al）+Al2Cu共晶体，而在淬火以后有较多Al2Cu相残留下来。

当ZL203合金用于金属型铸造时，为了改善其

Cu-铸造工艺性能，添加w（Si）=2%～3%，成为Al-5．1．1

表46ZL116合金单铸试样在不同温度的力学性能

Tab．46TypicalmechanicalpropertiesofZL114Aalloyseparately-castsampletestedatdifferenttemperature

·mm－2）Rp0．2/（N·mm－2）A5/%铸造工艺状态温度/℃Rm/（N

－196－7020

S

T5

10015020025030024

J

T6

150205260

3803353252752252251751103452208555

3052056041325285265

22244．5555．56828

ZL116-T6合金砂型铸件的室温压缩屈服强度

2

Rp0．2=250N/mm2，金型铸件的为285N/mm；砂型T6铸件的室温剪切强度Rτ=285N/mm2，金型铸件

2

T6）单铸试样的持久强度的285N/mm；砂型T6（S、

R100：200℃的120N/mm2，250℃的40N/mm2，300℃2

T5铸件的冲击韧性aKU=24．5kJ/的20N/mm；S、

T5m2；室温旋转弯曲疲劳强度（N=2×107周）：S、2

S、T6的85N/mm2，J、T6的110N/的74N/mm，

T5铸件20℃时的弹性模量E=76GN/m2。mm2；S、

4．9．5工艺性能

熔体经合金化、净化处理与添加晶粒细化剂后，在680℃～730℃铸造，精炼温度720℃～750℃，添Ti-B细化剂的温度730℃～750℃，加Al-变质处理可

Sr中间合金，用钠盐或Al-处理温度720℃～750℃。ZL116合金具有令人满意的抗蚀性，铸造性能优良，

有很好的气密性、流动性和抗热裂性，线收缩率

18

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合金的标定化学成分（GB/T1173）见表47。由表中

ZL201A合金是ZL201合金的改型，可见，两者的主要差别仅是ZL201A合金有更低的杂质含量；在ZL201A的基础上添加少量的Cd而获得ZL204A合并添加金。在ZL204A合金的基础上降低Mn含量，

Zr、B，微量V、获得ZL205A合金。

Si-Cu系的Si合金，其结晶过程和相组成与Al-ZL107合金的相似。在结晶出α（Al）以后，有α（Al）+Si二元共晶结晶，最后以α（Al）+Si+Al2Cu三元

共晶结晶结束。在合金中有杂质Fe时，还有N（Al7Cu2Fe）和β（Al9Fe2Si2）相出现。5．1．2Al-Cu-Mn合金

Al-Cu-Mn系ZL201、ZL201A、ZL204A、ZL205A

Cu-Mn系铸造合金的成分（质量分数/%）表47Al-Tab．47ChemicalcompositionsofAl-Cu-Mncastalloys（wt/%）

主要组元

合金代号

Cu4．5～5．34．8～5．34．6～5．34．6～5．3

Mn0．6～1．00．6～1．00．6～0．90．3～0．5

Ti0．15～0．350．15～0．350．15～0．350．15～0．35

0．15～0．250．15～0．25

0．05～0．3

0．05～0．2

Cd

V

Zr

B

Al

杂质，不大于FeS

J0．3

Si

Mg

Zl201ZL201AZL204AZL205A

余量0．25余量0．15余量0．12

0．005～0．06余量0．15

0．30．050．10．050．060．050．060．05

Cu-Mn三元相图（图14），根据Al-在平衡条件

ZL201、ZL201A合金的结晶过程是：首先结晶出下，α（Al），然后有L→α（Al）+Al6Mn二元共晶反应，最后有L+Al6Mn→α（Al）+T（Al12CuMn2）包共晶反应，直到结晶完毕。Cu可溶入α（Al）中，而无Al2CuZL201、ZL201A合金凝固相出现。故在平衡结晶时，

后处于α（Al）+T（Al12CuMn2）两相区。

Cu不能完全溶入合金在不平衡状态下结晶时，

α（Al）中，在包共晶反应以后，仍有液相存在，液相中含Cu量很高，产生L→α（Al）+Al2Cu+T（Al12CuMn2）三元共晶反应。由于三元共晶点的含Cu量比含Mn量高得多，所以三元共晶体中Al2Cu相的数T相为细小的质点，量比T（Al12CuMn2）相的多，在放大倍数低时不易分辨。

不平衡结晶时，包共晶反应不能充分进行，所以合金的组织中可见到Al6Mn相。

Cu-Mn合金中T（AlCuMn）相的化学成关于Al-各种资料报道不同，认为它的化学成分（质量分分，

19．8～24Mn，数/%）是可变的：12．8～19Cu，余为

Al。因此，可用多种化学式表示，如Al12CuMn2、Al20Cu2Mn3和（CuMn）Al4等。

ZL201合金中的T相，电子探针微区分析指出，w（Mn）=19%、w（Fe）=3．3%、含w（Cu）=15．4%、余为Al。

当合金中添加少量Ti时，将有Al3Ti相形成，从Al-Cu-Ti三元相图（图15）可看出，Al3Ti可以在高温

图14

Al-Cu-Mn三元相图

Fig．14DiagramofternaryphaseAl-Cu-Mnalloy

下直接从液相中析出，是初生相；在L+Al3Ti→α（Al）+Al2Cu的四相包共晶反应时，Al3Ti相的弥散质点可作为α（Al）的结晶核心，使α（Al）的晶粒细化。若包晶反应进行不完全，则有Al3Ti出现在组织

中；当Ti含量过高造成偏析，则合金组织中出现粗大的片状Al3Ti相。

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19

在杂质含量偏高时还可能有N（Al7Cu2Fe）、Al6（CuMnFe）、Al10Mn2Si和AlFeMnSi相。ZL201A合金的相组成与ZL201合金的相似，只是杂质相少。ZL204A合金的相组成，除可能出现Cd相外，其他与ZL201A合金的相同。ZL205A合金成分较复杂，在θ铸态组织中依其成分不同可能出现α（Al）、

图15

Al-Cu-Ti三元相图

（Al2Cu）、T（Al12CuMn2）、Cd、Al3Ti、Al3Zr、Al7V和TiB2相。其杂质含量偏高时还可能有N（Al7Cu2Fe）相出现。

当淬火加热时，θ（Al2Cu）可溶入α（Al）中，淬火

Cu后形成过饱和固溶体，起固溶强化作用。含Mn、的过饱和α（Al）固溶体分解，析出大量细小而弥散的T（Al12CuMn2）相质点，弥散强化，提高合金室温

和高温强度。

在淬火后的时效过程中，含Cu固溶体分解，析

进一步提高合金性能。Cd的作用出GP区和θ'相，

在许多资料中已有阐述。一般认为Cd抑制GP区的

形成而加速θ'相的析出．因此Cd减缓合金的自然时Cd抑制而加速人工时效过程。研究证明，效过程，

ZL205合金低温时效，延缓GPⅠ区的出现，但促进较高温度下的沉淀过程，加速GPⅡ区（θ″）的长大和θ'相的析出，明显提高合金强度极限和屈服极限。5．2

ZL201合金

ZL201为可热处理强化Al-Cu-Ca系铸造铝合

Fig．15DiagramofternaryphaseAl-Cu-Tialloy

Cu-Mn系合金中添加少量的Cd，在Al-在富Al

T的合金中不形成四元相，仅出现α（Al）、θ（Al2Cu）、（Al12CuMn2）、Al6Mn和Cd相。在凝固过程中由偏

晶反应形成液相Cd，当温度下降到321℃左右，由液相Cd转变为固相Cd。

由于ZL204A和ZL205A合金中含Cd量较低，且有一部分溶入α（Al）中，剩余的Cd以圆球形质点形式与T（Al12CuMn2）和θ（Al2Cu）相一起分布在枝晶间或晶界上。因Cd相小而少，一般不易发现。当合金中含Cd量偏高和在高放大倍率下才能看到少量圆球形Cd相质点。所以ZL204A合金的金相组织与ZL201A合金的相似。

V、Zr和B，在ZL205A合金中还添加少量Ti、形

Al3Zr、Al3Ti和TiB2化合物，成Al7V、它们可作为α（Al）的外来结晶核心，有效地细化晶粒和提高合金

的力学性能。

Cu-Mn合金中存在杂质Fe时，当Al-少量的Fe可溶入T（Al12CuMn2）中，形成Al12Cu（MnFe）2相，

或随Cu一起溶入Al6Mn中，形成Al6（CuFeMn）相。Fe含量较高时，则形成N（Al7Cu2Fe）相。合金中的Si含量多时杂质Si，量少时可溶入Al6（CuMnFe）中，

可形成Al10Mn2Si相。该相可溶较多Fe形成骨骼状或枝杈状AlFeMnSi相。在ZL201合金的这种相中溶入一定量的Cu，有些资料称为Al15（CuFeMn）3Si2相，其成分是可变的。

Cu-Mn合金中的Fe、Si杂质含量较高时，T当Al-（Al12CuMn2）相的数量减少，而AlFeMnSi相的数量

AlFeMnSi相含有约增多。电子探针微区分析表明，

12．3t，16．5%Mn，6．0%Si，其余为Al，并溶有部分的Cu。

Cu-Mn合金中含有Mg，如果Al-则将形成S

（Al2CuMg）相，它参与组成低熔点共晶组织，而使合金在淬火加热时产生过烧。

ZL201合金铸造状态下可能存在的相有：T（Al12CuMn2）、Al6Mn和Al3Ti。α（Al）、θ（Al2Cu）、

金，是一种常用的高强度铝合金，具有较高的室温力

优良的可切削加工性和可焊性。合金铸造学性能、

Si系合金的，有疏松、热裂倾向，不宜制性能不如Al-造形状十分复杂的铸件，而主要用于砂型铸造工作温度175℃～300℃中等复杂程度以下的飞机承力构

件，如挂架梁、支臂、翼肋等，在T4或T5状态使用。合金可用不同加热方式（电阻、重油等）的坩埚

而以感应炉熔炼品质最好。炉熔炼，

Ti是合金的晶粒细化剂。Ti的作用是形成Al3Ti，作为外来结晶核心而细化晶粒。但是Ti的含

“中毒”否则会引起现象，导致伸长率下量不宜过高，

降。同时Ti易出现偏析，所以Ti的质量分数一般控

制在0．25%左右，在熔炼过程中加强搅拌。

Fe、Si是合金的主要杂质元素，应严格防止从熔应注意Mg的影炼工具等带入而沾污合金。同时，响，即使是微量的镁（w（Mg）=0．05%），也可能导致合金塑性和可焊性的明显降低，并引起热处理过烧。

根据合金铸造性能较差的特点，铸造时应加强补缩和采用退让性较好的造型材料，以免铸件产生疏松和热裂。如有条件，大型厚壁铸件宜采用压力

20

2012，Vol．40，№12

T相不溶解，固溶处理时θ相溶入固溶体α（Al）中，

留于枝晶间，在α（Al）固溶体中有黑色细小的弥散的T相质点析出。5．2．1热处理

ZL201合金的热处理规范见表48。

22

釜浇铸，在0．5N/mm～0．6N/mm压力下凝固。

ZL201合金的显微组织示于图16，图16a为未

热处理的，在α（Al）固溶体枝晶间分布着θ（Al2Cu）、T（Al12CuMn2）相的共晶组织，白色花纹状是θ相，黑色片状与枝杈状的相为T相；图16b为T4处理的，

表48ZL201合金的热处理规范

Tab．48HeattreatmentsystemofZL201alloy

状态

固溶处理

加热温度/℃先530±5再540±5先530±5再540±5

保温时间/h5～95～95～95～9

60～10060～100

175±5

3～5

空气

冷却水温度/℃

加热温度/℃

人工时效保温时间/h

冷却介质

T4

T5

重的铸件表面可采用化学氧化或涂漆保护。

表49

ZL201合金腐蚀试验后的抗拉强度Rm与伸长率A5损失

Tab．49TensilestrengthRmlossandelongation

AslossofetchedZL201alloybeing

状态T4T5

腐蚀90d

Rm损失/%

915

43A5损失/%

腐蚀180d

Rm损失/%

1419．5

56A5损失/%

《试验室条件下铝合金腐蚀性能的试验方法》。注：按HC129

5．2．3

力学性能

ZL201合金单铸试样的典型力学性能见表50；

T4试样的冲击韧在不同温度的力学性能见表51；S、

2

S、T5试样的78kJ/m2；单铸试样（S、性98kJ/m，

T4）的高温持久强度Rm见图17；175℃的蠕变强度Rp0．2/100=127N/mm2，300℃时的为39N/mm2；合金

图16

ZL201合金砂型铸件的显微组织

sand-moldcast

Fig．16MicrostructuresofZL201alloypartsbeing

82

的弯曲疲劳强度（N=5×10）R－1=69N/mm；

ZL201合金的正弹性模量为70GN/m2、切变模量为26GN/m2。

表50ZL201合金单铸试样的典型力学性能Tab．50TypicalmechanicalpropertiesofZL201

alloyseparately－castsample

铸造方法热处理状态Rm/（N·mm－2）Rp0．2/（N·mm－2）A5/%

S

T4T5

335365

155215

125

5．2．2

物理化学性能

ZL201合金的熔化温度547．5℃～650℃；ZL201

3

合金的密度2780kg/m，电阻率为59．5nΩ·m，无

磁性。

Cu是降低铝合金耐腐蚀性能的主要元素，故ZL2××合金耐腐蚀性能低于ZL3××和ZL1××系合金的。在固溶处理和人工时效状态有晶间腐蚀倾向，强度损失试验结果见表49。

合金阳极氧化性能良好。对于针孔和疏松较严

5．2．4

工艺性能

ZL201合金熔体经合金化与净化处理后的浇注

2012，Vol．40，№12

温度为690℃～720℃，铸造温度对力学性能的影响见图18；铸件的力学性能随凝固速度的提高而上升。

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表51ZL201合金砂型铸件在不同温度的力学性能Tab．51Typicalmechanicalpropertiesofsand-moldcast

ZL201alloypartstestedatdifferenttemperature

状态

温度/℃－40－70

T4

175200250300－40－70

Rm/（N·mm－2）Rp0．2/（N·mm－2）

295295284275216149335335265265167118

196216108741772169869

A5/%9．59．59．57．56．510．07．57．57．58．07．07．0

图17ZL201合金持久强度（100h）与温度的关系testingtemperatureofZL201alloy

T5

175200250300

Fig．17Relationshipofendurancestrength（100h）with

合金铸造性能较差，用浇铸棒状试样流动长度法测定的流动性为165mm，环形试样热裂倾向性试验测定的第一个裂纹在宽度37．5mm时形成，线收

Si系合金的。为提缩率1．3%。合金气密性低于Al-高有疏松、针孔缺陷铸件的气密性，可采用浸渗处

理。根据合金热裂、疏松倾向性较大的特点，除在铸造工艺采取相应的措施外，铸件设计截面过渡应尽量均匀，并适当加大圆角。合金的可焊性能良好，易于氩弧焊接和补焊，已经热处理的铸件焊接或补焊后如其力学性能受到影响，则可按技术标准进行重复热处理。对于较复杂和容易变形的铸件，应当在热水（80℃～100℃）中淬火，以减少内应力和防止变必要时可采用专用夹具。ZL201合金具有良好形，

的可切削性能，超过各种ZL1××系合金的，可获得光洁度高的加工表面。

图18

浇注温度对ZL201合金T4状态单铸试样力学性能的影响

Fig．18Influenceofcastingtemperatureonmechanical

propertiesofZL201T4separately-castsample

（待续）

海湾地区2013年原铝产量可超过4000kt

2013年海合会国家(阿拉伯联据海湾铝业委员会预计，随着沙特阿拉伯马登铝业公司(Na'aden)的投产，合酋长国、阿曼、巴林、卡塔尔、科威特、沙特阿拉伯)的原铝产量将超过4000kt，成为世界最大的铝锭(ingot)与铝圆锭(billet)、扁锭(slab)出口基地。其中原铝产量:迪拜铝业公司1002kt，巴林铝业公司(Alba)880kt，阿联酋埃马尔铝业公司(Emal)750kt，马登铝业公司740kt，卡塔尔铝业公司(Qatalum)600kt，阿曼苏哈尔铝业公司(Sohar)370kt。海合会(海湾合作委员会)成立于1981年。

（王祝堂）

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