鋁合金以其杰出的性能、成熟的設計方法、制造工藝和可靠的檢測技術，已成為飛機結構件的主要材料。近十年來，雖然復合材料因其輕量化、抗疲勞和耐腐蝕，不斷替代鋁合金材料，開始廣泛應用于大型商用噴氣客機的機身、機翼和其他結構部件，在一定程度上減少了鋁合金的應用，但高強度鋁合金在機身結構中仍然很重要。
鋁是一種相對較低成本、重量輕的金屬，可以熱處理并承受較高的應力水平，是最容易生產的高性能材料之一，從而降低了制造和維護成本。
近年來，飛機用鋁合金取得了重要進展，可以有效地與現代復合材料競爭，如2XXX系和7XXX系列鋁合金以及新一代鋁鋰合金。
降低飛機采購和運營成本已成為許多航空公司的發展新材料的源動力。降低成本可以通過降低油耗、維護成本、運營成本、定期控制頻率、延長使用壽命和一次載客量來實現。飛機制造商正在減輕飛機重量，降低油耗，增加有效載荷，增加航程。改進和優化材料的力學性能可以增加維修間隔，降低維修成本。
材料顯著影響成本，機體制造商和材料生產商都致力于開發新材料以滿足飛機發展的要求。當前最大的挑戰是開發可用于機身和機翼結構的材料，同時提高結構性能并降低壽命周期成本。
降低材料密度是降低飛機重量的有效途徑。密度的降低比拉伸強度、彈性模量或損傷容限的增加有效3-5倍。機身耐久性是另一個直接影響成本的參數。據估計，飛機30年壽命期內的服務和維護成本將超過原始購買價格的兩倍。因此，無論是材料生產商還是飛機設計人員都在努力減輕飛機重量，提高新型合金的損傷容限、疲勞和耐腐蝕性。不久的將來，主要飛機結構將顯著延長使用壽命，并縮減檢查頻率。
鋁合金由于出眾的力學性能、易于設計、成熟的制造工藝和檢測技術，近80年來一直是商用和軍用飛機的主要結構材料，并將在未來一段時間內重新成為主要材料。然而，由于非金屬材料具有優異的強度性能，這成為鋁合金的一個非常有競爭力的替代品。因此，鋁生產商需要繼續投資，并在提高其生產的鋁合金的熱機械性能方面作出巨大努力。
密度、強度、楊氏模量、抗疲勞性、斷裂韌性和耐腐蝕性都是需要提高的重要參數。根據所考慮的特定成分，材料性能必須優于聚合物復合材料。化學成分和工藝控制著鋁合金的微觀組織特征，如析出物、再結晶晶粒大小和形狀、晶粒織構和金屬間化合物顆粒。這些特性影響鋁合金的物理、機械和腐蝕特性。
因此，與飛機設計師密切合作的材料生產商可以設計不同類型的合金，其物理和機械性能已根據特定需求進行了定制。例如，機翼的上側在飛行時主要承受壓縮載荷，但在靜重和滑行時也暴露在張力下，而機翼的下半部分則相反，因此需要仔細優化抗拉和抗壓強度特性。損傷容限、疲勞和耐腐蝕性也使選擇和優化更具挑戰性。
圖2 民用飛機機翼
在波音777的設計過程中，要求制造商改進上翼結構。上翼結構需要較高的壓縮屈服強度，同時提高耐腐蝕性也是必要的。就機身而言，需要比現有的2024-T3更高的損傷容限和耐久性。考慮到設計師的需要，鋁制造商開發了7055-T7751板和7055-T77511擠壓件，用于上翼結構，以及包鋁2524-T3板和2524-T351板用于機身蒙皮。他們還為機身結構的支撐構件開發了7150-T7751擠壓件。這些材料的應用為波音777節省了數千磅的重量。
圖3 波音777客機
飛機制造商也在努力減少新飛機的零部件數量。這些需要可以通過應用幾種方法來滿足。第一種方法是生產具有與薄板相當疲勞和斷裂特性的大厚板。第二種方法是改進連接技術，例如摩擦攪拌焊接，允許制造可用于機翼和機身蒙皮的大型整體加筋板。
目前，7000系列鋁-鋅合金用于主要極限設計參數為強度的場合；2000系列鋁-銅合金用于需要疲勞性能的情況，因為這些合金具有更大的損傷容限，而鋁-鋰合金則用于需要高剛度和低密度的場合。
鋁-銅（2000系列）合金是用于機身結構的主要鋁合金，其主要設計標準是損傷容限。與其它系列鋁合金相比，含鎂2000系列鋁銅合金由于Al2Cu和Al2CuMg相的析出而具有更高的強度、更高的損傷容限和良好的抗疲勞裂紋擴展能力。2024和2014是鋁-銅-鎂合金的重要代表。眾所周知，由于不同的加載條件，機身的每個部件都需要不同的材料特性，以實現最佳和可靠的設計。
圖4 2024鋁合金微觀組織
機身受到機艙壓力（張力）和剪切載荷的影響，縱向縱梁由于彎曲而受到縱向張力和壓縮載荷的影響，周向框架必須保持機身形狀并將載荷重新分配到蒙皮中。強度、剛度、疲勞裂紋萌生阻力、疲勞裂紋擴展速率、斷裂韌性和耐腐蝕性都很重要，但斷裂韌性（抗裂紋擴展）通常是極限設計參數。
機翼可被視為懸臂梁，在飛行過程中承受彎曲載荷，同時也承受扭轉載荷。機翼同時支撐飛機的靜態重量和在使用中承受的任何附加載荷。額外的機翼載荷也來自滑行、起飛和著陸過程中的起落架，以及起飛和著陸過程中為了產生額外的低速升力而展開的翼面和板條的前緣和后緣。機翼上表面主要由于飛行時的向上彎曲力矩而承受壓縮載荷，但在滑行時可能承受拉伸載荷。
2024-T3是機身結構中應用最廣泛的合金之一。它具有中等的屈服強度，很好的抗疲勞裂紋擴展和良好的斷裂韌性。2024鋁合金由于其優異的損傷容限和在T3時效條件下的高抗疲勞裂紋擴展能力，仍然是一種重要的飛機結構材料。低屈服應力水平和相對較低的斷裂韌性限制了該合金在高應力區域的應用。眾所周知，夾雜對疲勞裂紋擴展有很大的影響。通過減少雜質，特別是鐵和硅，可以獲得更高的斷裂韌性值和更好的抗疲勞裂紋萌生和擴展能力。
對于機身應用，2524-T3合金的斷裂韌性提高了15-20%，疲勞裂紋擴展抗力提高了2024-T3的兩倍。這種改進可以減輕重量，延長30-40%的使用壽命。在波音777飛機上，2524鋁合金已經取代2024。對2524合金的疲勞強度為屈服強度的70%，而對于2024-T351，疲勞強度約為屈服強度的45%。
對于下機翼蒙皮應用，2224-T351和2324-T39合金提供的強度值高于現有的2024-T351，具有相似的斷裂韌性和耐腐蝕性。與2024年相比，2224-T351和2324-T39合金的成分和工藝變化均導致性能改善。較低體積分數的金屬間化合物提高了斷裂韌性。
在2224-T351中，最大鐵含量為0.12%，硅含量為0.10%，而在2024年，這兩種雜質的含量為0.50%。基于2024新開發的一種2026鋁合金，含有較少的雜質，如鐵和硅。此外，2026含有少量鋯，抑制再結晶。與2024和2224相比，2026具有更高的損傷容限、更高的拉伸強度、更高的疲勞性能和可接受的斷裂韌性。盡管銅和鎂在金屬間相中的貢獻導致了高強度，但是由于金屬間相顆粒的存在，合金的耐腐蝕性顯著下降。
7000系列鋁合金在制造上翼蒙皮、縱梁和水平/垂直穩定器時比其他等級的鋁合金顯示出更高的強度。抗壓強度和抗疲勞性能是上翼結構件設計的關鍵參數。飛機尾部又稱尾翼，由水平安定面、垂直安定面和操縱面（如升降舵和方向舵）組成。水平和垂直穩定器的結構設計與機翼基本相同。水平穩定器的上表面和下表面在彎曲引起的壓縮載荷中通常都是至關重要的。
高強度鋁合金，如7075-T6，由于其高強度重量比、可加工性和相對較低的成本，在飛機結構中得到了廣泛的應用。然而，由于其成分特性，這些合金易遭受腐蝕。眾所周知，腐蝕會降低飛機結構的壽命。在正常運行期間，由于濕度、雨水、溫度、油、液壓油和鹽水，飛機受到自然腐蝕環境的影響。在老化飛機面臨的問題中，腐蝕和疲勞是極其不應該出現的。
7000系列合金也可熱處理，鋁-鋅-鎂-銅合金提供了所有鋁合金中強度最高的合金。
7000系列合金中有一些含有約2%的銅和鎂、鋅，以提高其強度。
這些合金雖然是最強的，但它們是7000系列中抗腐蝕性最低的。
然而，新推出的7000系列合金具有更高的疲勞和耐腐蝕性，這可能會導致重量減輕。
較新的合金，如7055-T77，比7075-T6具有更高的強度和損傷容限。
7475（鋁-鋅-鎂-銅）鋁合金是7075合金的改進版。7475合金是為在空氣和腐蝕環境中要求較高強度、斷裂韌性和抗疲勞裂紋擴展能力的應用而開發的。通過降低合金中鐵和硅的含量，改變淬火和時效條件，改善了7075合金的強韌性和斷裂韌性。
7075中的總鐵和硅含量為0.90%，而7475中的總含量僅為0.22%。7075合金的這些變化推動了7475合金的發展，7475合金在高強度等級的鋁合金中具有較細的晶粒尺寸、最佳的分散性和最高的韌性值。
7475合金具有優異的耐蝕性和腐蝕疲勞性能。總的來說，它的性能優于許多商業上可買到的高強度航空鋁合金，如7050和7075合金。將2024和7075合金的屈服強度、延伸率和KIC性能與7050和7475進行比較。2024-T351合金具有較高的韌性和斷裂韌性（在TL和LT方向），但屈服強度相對較低。另一方面，在T651回火條件下，7075合金的屈服強度超過500MPa。7475-T7351合金具有更高的斷裂韌性，而與7075-T651合金相比，7475-T7351合金的屈服強度稍低，但塑性稍好。
圖5 鋁合金微觀組織：7075-T651（來源網絡）
不同鋁合金的疲勞裂紋擴展速率結果表明，與2024相比，7475具有更高的抗疲勞性能，而7075-T6具有最低的抗疲勞性能。7475合金的耐腐蝕性和疲勞性能相當于或優于許多高強度鋁合金，如7075、7050和2024。7475合金板和薄板目前正被選為高性能飛機應用的斷裂關鍵部件。
7050合金是另一種具有良好的強度、抗應力腐蝕開裂（SCC）和韌性平衡的重要合金。它特別適用于76-152mm厚度范圍內的板材應用。合金7050表現出比合金7075更好的韌性/耐腐蝕特性，因為它比大多數航空鋁合金淬火敏感性低。
7050在較厚的部分保持其強度特性，同時保持良好的應力腐蝕抗裂性和斷裂韌性水平。7050合金板的典型應用包括機身框架和艙壁，其截面厚度為50-152mm。7050合金板用于機翼蒙皮。與其他高強度鋁合金（如7075）相比，7050合金板和薄板產品在較高應力水平下仍具有相同的剝落和應力腐蝕抗力。
圖6 鋁合金7075應力腐蝕開裂（G. Bussu）
最近的一種合金7055-T7751（Al-8Zn-2.05Mg-2.3Cu-0.16Zr）的屈服應力可能超過620MPa，波音777飛機部件的預計重量節省為635千克。這種合金提供了近10%的強度增量，具有更高的韌性和顯著改善的耐蝕性。T77回火包括三步時效工藝，與7050-T76和7150-T651或T7751相比，該工藝可產生更高的強度和損傷抗力組合。斷裂韌性的提高是由金屬間粗顆粒的體積分數和未結晶晶粒結構控制的結果。強度和抗腐蝕性能的良好結合歸因于強化沉淀物的尺寸和空間分布以及單位含量。
航空鋁合金的力學性能不斷提高。這導致了高強度7xxx合金的發展（如7075、7150、7055、7449）。這些高強度鋁合金通常用于壓縮占主導地位的部件，如上機翼蒙皮，其中損傷容限考慮是次要的。然而，最近的發展表明，改變溶質含量，特別是鋅/鎂/銅比值，可以開發高強度產品，并顯著提高損傷容限，如AA7040、AA7140和AA7085。7085是新一代高強度厚板合金，可替代7050/7010產品。由于鋅含量高，銅含量低，獲得了較高的斷裂韌性和較低的淬火敏感性。該產品被選擇用于空客A380的翼梁。
努力通過應用不同的熱處理方法獲得高強度和良好的耐腐蝕性的良好組合。兩個重要的冶金原理是：降低Mg/Zn比，通過重新將成分的飽和度全面降低至理論最大溶解度。鎂濃度增加對強度（有益）和韌性（有害）。Mg/Zn調整，用Zn部分替換Mg，可以在保持足夠強度的同時增加韌性。溶質飽和度的全面降低直接影響淬火敏感性，這對高溶質合金的損傷容限性能至關重要。
AA7056-T79，為大型商用飛機的上翼蒙皮開發，是改善強韌性平衡的一個很好的例子。在鋁合金中加入Mn和Zr可形成分散相，影響再結晶特性和晶粒結構。這些分散體阻礙再結晶和晶粒生長。鋁合金中Zr的含量可形成13Zr彌散相，它與基體有一定的關系，對晶粒尺寸有重要影響。鋅的加入增加了合金的強度，而錳的加入增加了合金的斷裂韌性，這是由于形成了含有錳和鐵的第二相，從而減少了鐵對斷裂韌性的不利影響。
