《航空材料与腐蚀防护》讲义 罗mm中国民航大学理学院材料化学教研室苏景新 第一章航空材料概论 11航空材料是航空工业主要基础 航空材料与航空技术的关系极为密切,航空航天材料在航空产品发展中具有极其重要的 地位和作用:航空材料既是研制生产航空产品的物质保障,又是推动航空产品更新换代的技 术基础 一、航空产品特殊的工作环境对航空材料的性能要求集中表现在“轻质高强、高温耐蚀” 所谓“轻质高强”是指,要求材料的比强度高,即要求材料不但强度(静强度高、能承 受大过载、疲劳强度高)高而且密度小。航空工业有一句口号叫做“为每一克减重而奋斗”, 反映了减重对于航空产品的重大经济意义(见表11)。而且材料减重对飞机减重的贡献也越 来越大,所以轻质高强是航空材料必须满足的首要性能要求 表1.1飞行器结构减重带来的效益(1990年数据) 用飞机直升机先进 小型民 商用 超音速与高超 机种 航天飞机 战斗机运输机 音速运输机 美元磅50 3000 0000 “髙温耐蚀”的“髙温”是指航空材料要能耐受较高的工作温度。对机身材料,气动力 加热效应使表面温度升高,需要结构材料具有好的髙温强度:对发动机材料,要求涡轮盘和 涡轮叶片材料要有好的高温强度和耐高温腐蚀性能 “耐蚀”是指航空材料要有优良的抗腐蚀,特别是抗应力腐蚀、腐蚀疲劳的能力 当然,除以上性能外,对某些材料还要求有其他方面的性能,如:非金属材料要具有良 好的耐老化性能和耐气候性能:透明材料要具有良好的光学性能;电工材料具有良好的电学 性能;以及防火安全性能等等。 二、航空产品的高可靠性、多样性对航空材料提出了更高的质量要求 航空器是技术密集、高集成度的复杂产品,只有采用质地优良的航空材料才能制造出安 全可靠、性能优良的飞机、发动机 航空产品的多样性和小批量生产,导致了航空材料研制和生产上的多品种、多规格、小 批量、技术质量要求高等特点 三、航空产品降低成本的需求导致要发展低成本航空材料
《航空材料与腐蚀防护》讲义 中国民航大学理学院材料化学教研室 苏景新 1 / 58 第一章 航空材料概论 1.1 航空材料是航空工业主要基础 航空材料与航空技术的关系极为密切，航空航天材料在航空产品发展中具有极其重要的 地位和作用：航空材料既是研制生产航空产品的物质保障，又是推动航空产品更新换代的技 术基础。 一、航空产品特殊的工作环境对航空材料的性能要求集中表现在“轻质高强、高温耐蚀”。 所谓“轻质高强”是指，要求材料的比强度高，即要求材料不但强度（静强度高、能承 受大过载、疲劳强度高）高而且密度小。航空工业有一句口号叫做“为每一克减重而奋斗”， 反映了减重对于航空产品的重大经济意义（见表 1.1）。而且材料减重对飞机减重的贡献也越 来越大，所以轻质高强是航空材料必须满足的首要性能要求。 表 1.1 飞行器结构减重带来的效益（1990 年数据） 机种 小型民 用飞机 直升机 先进 战斗机 商用 运输机 超音速与高超 音速运输机 航天飞机 美元/磅 50 300 400 800 3 000 30 000 “高温耐蚀”的“高温”是指航空材料要能耐受较高的工作温度。对机身材料，气动力 加热效应使表面温度升高，需要结构材料具有好的高温强度；对发动机材料，要求涡轮盘和 涡轮叶片材料要有好的高温强度和耐高温腐蚀性能。 “耐蚀”是指航空材料要有优良的抗腐蚀，特别是抗应力腐蚀、腐蚀疲劳的能力。 当然，除以上性能外，对某些材料还要求有其他方面的性能，如：非金属材料要具有良 好的耐老化性能和耐气候性能；透明材料要具有良好的光学性能；电工材料具有良好的电学 性能；以及防火安全性能等等。 二、航空产品的高可靠性、多样性对航空材料提出了更高的质量要求。 航空器是技术密集、高集成度的复杂产品，只有采用质地优良的航空材料才能制造出安 全可靠、性能优良的飞机、发动机。 航空产品的多样性和小批量生产，导致了航空材料研制和生产上的多品种、多规格、小 批量、技术质量要求高等特点。 三、航空产品降低成本的需求导致要发展低成本航空材料
中园氏航大学 《航空材料与腐蚀防护》讲义 Civil Aviation University of Chin。中国民航大学理学院材料化学教研室苏景新 新型号的先进飞机价格不断攀升,各航空技术领先的国家和地区都先后对航空产品提出 了“买得起”的要求。而材料在航空产品的成本和价格构成中占有相当份额,所以科学地选 材和努力发展低成本材料技术是航空材料发展的重要方向。 12航空材料的分类 航空材料有不同的分类方式 按成份可分为四大类: 金属材料:铝合金、镁合金、钛合金、钢、高温合金、粉末冶金合金等 ●无机非金属材料:玻璃、陶瓷等 高分子材料:透明材料、胶粘剂、橡胶及密封剂、涂料、工程塑料等 先进复合材料:聚合物基复合材料、金属基复合材料、无机非金属基复合材料、碳 碳复合材料等。 按使用功能可分为两大类 结构材料 ●功能材料 本课程主要介绍结构材料。所谓结构,是指由板、杆等承力单元件构成的承力系统,在 载荷作用下,该系统只产生小的弹性形变,即系统应具有几何不变性。如承力系统是几何可 变的,则承力系统不是结构,而是机构。以飞机为例,航空产品中典型的结构包括:机身 机翼、垂直尾翼、水平尾翼、各种操纵面、起落架(除传动机构之外的部分)等。用于加工 制造这些结构的单元件的材料都属于结构材料。 13航空材料的演变 飞机结构材料的演变 早期飞机的结构以木材、蒙布、金属丝绑扎而成(图1.1),后来又发展为木材与金属的 混合结构
《航空材料与腐蚀防护》讲义 中国民航大学理学院材料化学教研室 苏景新 2 / 58 新型号的先进飞机价格不断攀升，各航空技术领先的国家和地区都先后对航空产品提出 了“买得起”的要求。而材料在航空产品的成本和价格构成中占有相当份额，所以科学地选 材和努力发展低成本材料技术是航空材料发展的重要方向。 1.2 航空材料的分类 航空材料有不同的分类方式： 按成份可分为四大类： ⚫ 金属材料：铝合金、镁合金、钛合金、钢、高温合金、粉末冶金合金等。 ⚫ 无机非金属材料：玻璃、陶瓷等。 ⚫ 高分子材料：透明材料、胶粘剂、橡胶及密封剂、涂料、工程塑料等。 ⚫ 先进复合材料：聚合物基复合材料、金属基复合材料、无机非金属基复合材料、碳 /碳复合材料等。 按使用功能可分为两大类： ⚫ 结构材料 ⚫ 功能材料 本课程主要介绍结构材料。所谓结构，是指由板、杆等承力单元件构成的承力系统，在 载荷作用下，该系统只产生小的弹性形变，即系统应具有几何不变性。如承力系统是几何可 变的，则承力系统不是结构，而是机构。以飞机为例，航空产品中典型的结构包括：机身、 机翼、垂直尾翼、水平尾翼、各种操纵面、起落架（除传动机构之外的部分）等。用于加工 制造这些结构的单元件的材料都属于结构材料。 1.3 航空材料的演变 一、飞机结构材料的演变 早期飞机的结构以木材、蒙布、金属丝绑扎而成（图 1.1），后来又发展为木材与金属的 混合结构
中园氏航大学 《航空材料与腐蚀防护》讲义 I Aviation University of ch中国民航大学理学院材料化学教研室苏景新 图11飞行者一号(复制品) 到了二十世纪三十年代,随着铝合金材料的发展,全金属承力蒙皮逐渐成为普遍的结构 形式(图1.2)。 Hispano HA 1112 Buchon D- FEHD at La Ferte Alais (a)Me109型战斗机(德国,1935年)
《航空材料与腐蚀防护》讲义 中国民航大学理学院材料化学教研室 苏景新 3 / 58 图 1.1 飞行者一号（复制品） 到了二十世纪三十年代，随着铝合金材料的发展，全金属承力蒙皮逐渐成为普遍的结构 形式（图 1.2）。 （a）Me 109 型战斗机（德国，1935 年）
《航空材料与腐蚀防护》讲义 I Aviation University of ch中国民航大学理学院材料化学教研室苏景新 (b)喷火式战斗机(英国,1936年) 图12二十世纪三十年代出现了全金属承力蒙皮结构的飞机 十世纪三、四十年代,镁合金开始进入航空结构材料的行列。四、五十年代,不锈钢 成为航空结构材料。 到五十年代中期开始出现钛合金,嗣后并被用于飞机的高温部位。 二十世纪六十年代,开发出树脂基先进复合材料,后来在树脂基复合材料的基础上又出 现了金属基复合材料。 现代飞机大量采用新型材料。如F-14(美国,1970年,图1.3)的机体结构中有25%的 钛合金、15%的钢、36%的铝合金、还有4%的非金属材料和20%的复合材料。 图13F14“雄猫”可变后掠翼战斗机 由于采用了可变后掠翼,F-14背部有着结构复杂的箱形结构—一翼盒。翼盒两端容纳可变翼翼根转轴。 此部分是可变翼设计飞机的重点,也是飞机死重的来源。为了使翼盒重量尽可轻而又不应影响强度 格鲁曼采用高强度轻重量的钛合金来制造
《航空材料与腐蚀防护》讲义 中国民航大学理学院材料化学教研室 苏景新 4 / 58 （b）喷火式战斗机（英国，1936 年） 图 1.2 二十世纪三十年代出现了全金属承力蒙皮结构的飞机 二十世纪三、四十年代，镁合金开始进入航空结构材料的行列。四、五十年代，不锈钢 成为航空结构材料。 到五十年代中期开始出现钛合金，嗣后并被用于飞机的高温部位。 二十世纪六十年代，开发出树脂基先进复合材料，后来在树脂基复合材料的基础上又出 现了金属基复合材料。 现代飞机大量采用新型材料。如 F-14（美国，1970 年，图 1.3）的机体结构中有 25%的 钛合金、15%的钢、36%的铝合金、还有 4%的非金属材料和 20%的复合材料。 图 1.3 F-14“雄猫”可变后掠翼战斗机 由于采用了可变后掠翼，F-14 背部有着结构复杂的箱形结构——翼盒。翼盒两端容纳可变翼翼根转轴。 此部分是可变翼设计飞机的重点，也是飞机死重的来源。为了使翼盒重量尽可轻而又不应影响强度， 格鲁曼采用高强度轻重量的钛合金来制造
中园氏航大学 《航空材料与腐蚀防护》讲义 Civil Aviation University of china中国民航大学理学院材料化学教研室苏景新 新近投入使用或正在开发中的先进飞机(包括军机和民航机)的机体结构用材料的主要 特点是:大量采用高比强度和高比模量的轻质、高强、高模材料,从而提高飞机的结构效率, 降低飞机结构重量系数。其中又以先进复合材料和钛合金用量的增加,传统铝合金和钢材的 用量相应减少的特点最为突出。先进复合材料和钛合金的用量、材料本身的性能指标、结构 设计水平和零组件加工质量已成为这些航空产品先进性的主要表现之一。 从各种材料的角度分析,今后航空产品结构用材的发展趋势是 铝合金 铝合金因其技术成熟、成本低、使用经验丰富等优势,在相当长的时期内,仍将是亚音 速飞机和低超音速飞机的主要结构用材之 2.结构钢 些新型超高强度钢在今后仍然还会是起落架、主要接头、隔框等一些主要承力构件的 备选材料。 3.钛合金 钛合金在飞机结构用材中所占的重要地位已确定无疑,但是钛合金的较贵的价格和较差 的工艺性,是影响使用的很大因素。 4.先进复合材料 由于先进复合材料具有比钢、铝、钛高得多的比强度、比模量和耐疲劳等优点,在未来 高性能的飞机结构材料中,先进复合材料将会占据越来越重要的地位,甚至完全有可能出现 全复合材料结构的飞机 、航空发动机用材的演变 早期的活塞式发动机的结构材料以普通碳素钢为主。 涡轮喷气发动机(包括涡轮风扇发动机和涡轮桨叶发动机)的性能水平很大程度上依赖 于高温材料的发展。其中尤以涡轮部件材料最为关键 1.涡轮叶片材料 在二十世纪四十年代,尽管喷气式发动机的原理早已提出,但由于没有合适的高温材料 用于制造涡轮,所以发展迟缓。 到五十年代初,英国的Whte公司开发出了镍基高温合金 到六十年代,开始使用真空熔炼方法制造高温合金,合金的纯度得到提高,性能更好。 七十年代,开发出定向凝固、单晶铸造等高温部件制造工艺,使叶片的最高工作温度和 耐疲劳性能进一步提高
《航空材料与腐蚀防护》讲义 中国民航大学理学院材料化学教研室 苏景新 5 / 58 新近投入使用或正在开发中的先进飞机（包括军机和民航机）的机体结构用材料的主要 特点是：大量采用高比强度和高比模量的轻质、高强、高模材料，从而提高飞机的结构效率， 降低飞机结构重量系数。其中又以先进复合材料和钛合金用量的增加，传统铝合金和钢材的 用量相应减少的特点最为突出。先进复合材料和钛合金的用量、材料本身的性能指标、结构 设计水平和零组件加工质量已成为这些航空产品先进性的主要表现之一。 从各种材料的角度分析，今后航空产品结构用材的发展趋势是： 1. 铝合金 铝合金因其技术成熟、成本低、使用经验丰富等优势，在相当长的时期内，仍将是亚音 速飞机和低超音速飞机的主要结构用材之一。 2. 结构钢 一些新型超高强度钢在今后仍然还会是起落架、主要接头、隔框等一些主要承力构件的 备选材料。 3. 钛合金 钛合金在飞机结构用材中所占的重要地位已确定无疑，但是钛合金的较贵的价格和较差 的工艺性，是影响使用的很大因素。 4. 先进复合材料 由于先进复合材料具有比钢、铝、钛高得多的比强度、比模量和耐疲劳等优点，在未来 高性能的飞机结构材料中，先进复合材料将会占据越来越重要的地位，甚至完全有可能出现 全复合材料结构的飞机。 二、航空发动机用材的演变 早期的活塞式发动机的结构材料以普通碳素钢为主。 涡轮喷气发动机（包括涡轮风扇发动机和涡轮桨叶发动机）的性能水平很大程度上依赖 于高温材料的发展。其中尤以涡轮部件材料最为关键： 1. 涡轮叶片材料 在二十世纪四十年代，尽管喷气式发动机的原理早已提出，但由于没有合适的高温材料 用于制造涡轮，所以发展迟缓。 到五十年代初，英国的 White 公司开发出了镍基高温合金。 到六十年代，开始使用真空熔炼方法制造高温合金，合金的纯度得到提高，性能更好。 七十年代，开发出定向凝固、单晶铸造等高温部件制造工艺，使叶片的最高工作温度和 耐疲劳性能进一步提高
中园氏航大学 《航空材料与腐蚀防护》讲义 I Aviation University of ch中国民航大学理学院材料化学教研室苏景新 2.涡轮盘材料 二十世纪四十年代的涡轮进口温度约为800~900℃,采用了16-25-6铁基合金。 五十年代,随着涡轮进口温度提高到950℃,出现了沉淀硬化合金,应用沉淀强化原理 使合金具有更高的高温强度 到七十年代,进口温度提高到了1240℃,出现了Rene95合金和粉末冶金高温合金。 对航空产品性能的要求日益攀升,要求使用推重比更高、经济性更好的航空发动机。军 用发动机的推重比已经达到10,如美国的F119发动机已装备了F22战斗机。大推力涡轮风 扇发动机如GE90、Pw4073/4084、 Trent80o等早已为B77A3等大型宽体客机所选用 在这些先进航空发动机中,高温材料仍属于核心技术。如军用发动机中的高温钛合金(压 气机盘和叶片)、高温合金板材(燃烧室)和粉末冶金材料和单晶叶片材料(涡轮)等,民 用发动机中使用的单晶叶片材料和粉末高温合金涡轮盘材料
《航空材料与腐蚀防护》讲义 中国民航大学理学院材料化学教研室 苏景新 6 / 58 2. 涡轮盘材料 二十世纪四十年代的涡轮进口温度约为 800~900℃，采用了 16-25-6 铁基合金。 五十年代，随着涡轮进口温度提高到 950℃，出现了沉淀硬化合金，应用沉淀强化原理 使合金具有更高的高温强度。 到七十年代，进口温度提高到了 1240℃，出现了 Rene 95 合金和粉末冶金高温合金。 对航空产品性能的要求日益攀升，要求使用推重比更高、经济性更好的航空发动机。军 用发动机的推重比已经达到 10，如美国的 F119 发动机已装备了 F22 战斗机。大推力涡轮风 扇发动机如 GE90、PW4073/4084、Trent800 等早已为 B777、A330 等大型宽体客机所选用。 在这些先进航空发动机中，高温材料仍属于核心技术。如军用发动机中的高温钛合金（压 气机盘和叶片）、高温合金板材（燃烧室）和粉末冶金材料和单晶叶片材料（涡轮）等，民 用发动机中使用的单晶叶片材料和粉末高温合金涡轮盘材料
《航空材料与腐蚀防护》讲义 I Aviation University of ch中国民航大学理学院材料化学教研室苏景新 第二章轻合金 21铝合金 铝合金的发展历史 在历史上,先后有几种金属材料得到广泛应用,推动了生产力的发展和人类自身的进步。 首先得到应用的是金。随后是铜,特别是青铜,几大文明发源地都先后出现了灿烂的青铜文 化。铜的发展历史有8000多年。铁和锡也有5000多年。另外还有铅和汞也都有几千年的 历史了 而人类到公元1825年才首次制得几毫克铝粉。铝发现得晩,炼铝技术成熟得更晩。无 论是在人们发现的金属元素,还是作为一种结构材料,铝及其合金都是小字辈。但是铝和铝 合金的出现,却极大地推动了工业文明,特别是航空航天科技和工业的发展。 在1746年,波特(.H.Pott)用明矾制得一种氧化物。我们都知道明矾是铝和钾的复 合硫酸盐。把它在高温下灼烧分解,失去二氧化硫和水,再将氧化钾用水洗去就剩下氧化铝 了。当然那个时代的人们没有我们现在这么丰富的化学知识罢了。当时其他的科学家,如法 国的拉瓦锡(A.L. Lavoisier)认为,这是一种与氧结合很牢的未知金属的氧化物,用碳和其 他还原剂都夺取不了它所结合的氧。这样,就拉开了提炼单质铝的帷幕 1807年,英国的戴维(H.Day)用铂片做阳极,铁丝做阴极,用直流电电解熔融的钾 碱与这种氧化物的混合物,结果只制得少量的合金。戴维虽然没有成功地提炼出单质金属, 但他坚信这种金属的存在,并命名为 Aluminium,后来去掉第二个i,改称 Aluminum,但有 些国家仍称为 Aluminium 1825年3月,丹麦物理学家奥尔斯泰( Hans Christan oersted)用钾汞齐还原无水氯化 铝,然后在真空条件下把得到的铝汞齐中的汞蒸馏掉,得到了几毫克的铝粉。奥尔斯泰的报 告中说,铝具有与锡相同的颜色和光泽 1845年,德国化学家沃勒( Priedrich Wohler)也用钾还原氯化铝的方法得到了一些 10~15mg的铝珠,并初步测定了它的密度、延展性和熔点等 以上还只是在实验室中出于研究的目的少量制取铝。到了1854年,法国冶金学家戴维 尔( Henri sainte claire deⅷle)用便宜的钠代替钾,用吸水性较小,稳定性较好的复盐 NaLcO 代替极易吸水而水解的无水氯化铝,制得纯度为97~97.3%的铝。同年,在拿破仑三世( 破仑一世的侄子)的支持下建厂进行工业生产 1855年,一件稀世之宝一一银光闪闪的铝标本呈现在巴黎博览会上。它无穷的魅力立 即引起了全世界的巨大反响。美英德等国相继建厂生产珍贵的铝。铝自问世即得到显贵们的 宠爱。这个时候生产出来的铝比白金还贵,每千克价格达到600美元,只能用来制作昂贵的 首饰以显耀豪富。当时,西欧的国王和往后视铝如宝石,戴在头上或挂在胸前以示其尊贵。 法兰西帝国皇帝拿破仑三世(1808-1873)喜欢宴请四方宾客,每次设宴时,宾客用的都是 银碗,惟有他一人用铝碗。后来虽然经过30年的改进,铝加逐步降到9美元一公斤,仍然
《航空材料与腐蚀防护》讲义 中国民航大学理学院材料化学教研室 苏景新 7 / 58 第二章 轻合金 2.1 铝合金 一、铝合金的发展历史 在历史上，先后有几种金属材料得到广泛应用，推动了生产力的发展和人类自身的进步。 首先得到应用的是金。随后是铜，特别是青铜，几大文明发源地都先后出现了灿烂的青铜文 化。铜的发展历史有 8000 多年。铁和锡也有 5000 多年。另外还有铅和汞也都有几千年的 历史了。 而人类到公元 1825 年才首次制得几毫克铝粉。铝发现得晚，炼铝技术成熟得更晚。无 论是在人们发现的金属元素，还是作为一种结构材料，铝及其合金都是小字辈。但是铝和铝 合金的出现，却极大地推动了工业文明，特别是航空航天科技和工业的发展。 在 1746 年，波特（J. H. Pott）用明矾制得一种氧化物。我们都知道明矾是铝和钾的复 合硫酸盐。把它在高温下灼烧分解，失去二氧化硫和水，再将氧化钾用水洗去就剩下氧化铝 了。当然那个时代的人们没有我们现在这么丰富的化学知识罢了。当时其他的科学家，如法 国的拉瓦锡（A. L. Lavoisier）认为，这是一种与氧结合很牢的未知金属的氧化物，用碳和其 他还原剂都夺取不了它所结合的氧。这样，就拉开了提炼单质铝的帷幕。 1807 年，英国的戴维（H. Dary）用铂片做阳极，铁丝做阴极，用直流电电解熔融的钾 碱与这种氧化物的混合物，结果只制得少量的合金。戴维虽然没有成功地提炼出单质金属， 但他坚信这种金属的存在，并命名为 Aluminium，后来去掉第二个 i，改称 Aluminum，但有 些国家仍称为 Aluminium。 1825 年 3 月，丹麦物理学家奥尔斯泰（Hans Christan Oersted）用钾汞齐还原无水氯化 铝，然后在真空条件下把得到的铝汞齐中的汞蒸馏掉，得到了几毫克的铝粉。奥尔斯泰的报 告中说，铝具有与锡相同的颜色和光泽。 1845 年，德国化学家沃勒（Priedrich Wohler）也用钾还原氯化铝的方法得到了一些 10~15mg 的铝珠，并初步测定了它的密度、延展性和熔点等。 以上还只是在实验室中出于研究的目的少量制取铝。到了 1854 年，法国冶金学家戴维 尔（Henri Sainte Claire Deville）用便宜的钠代替钾，用吸水性较小，稳定性较好的复盐 NaAlCl4 代替极易吸水而水解的无水氯化铝，制得纯度为 97~97.3%的铝。同年，在拿破仑三世（拿 破仑一世的侄子）的支持下建厂进行工业生产。 1855 年，一件稀世之宝——银光闪闪的铝标本呈现在巴黎博览会上。它无穷的魅力立 即引起了全世界的巨大反响。美英德等国相继建厂生产珍贵的铝。铝自问世即得到显贵们的 宠爱。这个时候生产出来的铝比白金还贵，每千克价格达到 600 美元，只能用来制作昂贵的 首饰以显耀豪富。当时，西欧的国王和往后视铝如宝石，戴在头上或挂在胸前以示其尊贵。 法兰西帝国皇帝拿破仑三世（1808-1873）喜欢宴请四方宾客，每次设宴时，宾客用的都是 银碗，惟有他一人用铝碗。后来虽然经过 30 年的改进，铝加逐步降到 9 美元一公斤，仍然
中园氏航大学 《航空材料与腐蚀防护》讲义 I Aviation University of ch中国民航大学理学院材料化学教研室苏景新 相当贵 可是,只过了20年,因为电解法炼锃的成功,铝价大跌。就像成长中的婴儿,铝开始 蹒跚起步了 用戴维尔的化学法总共只生产了200t铝 发明电解炼铝法的是两个人。他们是当时同为23岁的青年一一美国俄亥俄州的霍耳 ( Charles martin hal)和法国诺曼底的埃鲁( Paul lovis toussaint heroult)。 1886年,霍尔与埃鲁不约而同地将氧化铝投入熔融的冰晶石中,通入直流电电解出金 属铝。这个方法不再需要消耗昂贵的金属钠作还原剂了,成本大大降低,产量和质量也有很 大的进步。这就是著名的,现在仍在使用的霍尔埃鲁电解法。这两个人有很多巧合的地方 同一年出生,同一年作出重大发现,专利申请日期只相差2个月,霍尔是在1886年2月23 日申请美国专利,埃鲁在4月23日申请法国专利,5月23日申请书寄到美国专利局。当然 美国专利已经给了霍尔了。这是一个巧合。这两位科学家都在1914年,也就是51岁的时候 英年早逝,都死于伤寒。 在发明炼铝技术之后,埃鲁和霍尔就分别开始了开拓铝工业的艰辛道路。 当时,人们受习惯思维的限制,总认为铝只能用来做些首饰而已,铝应用尚未打开局面。 到1900年,也就是十九世纪的最后一年,全世界只有7个铝厂,总年产量不超过八千吨。 但是这个时候,铝价已经降到每公斤05美元了。虽然人们已经知道可以利用现成的设备加 工铝制品,而且铝在家用器具,如炊具生产上有优势。但制造商们却因需要购置新设备和重 新培训工人而无动于衷。 到了1906年,这在铝工业发展历史上同样是一个重要的年份。在这一年,德国的冶金 学家阿弗列威尔莫(wim)尝试将其他金属元素添加到铝中,终于发明了一种含有铜、锰、 镁和铝的合金。他还发现这种铝合金具有一种神奇的效应,即在常温下放置4天会自动变得 非常坚硬,很适合用来制造运输工具和其他工业装备。因为这种铝合金首次在杜拉实现工业 生产,故命名为杜拉铝。 从此,铝的需求量逐渐增加。世界铝产量从1906年的145万t,1910年的438万t, 增长到1913年的682万t。铝第一次作为飞行器结构材料是在一战期间,德国人用杜拉铝 (当时其成分及硬化工艺是保密的)制成一种硬式飞艇,它的航速达100km/h、航程在200km 以上,能携带炸弹,具有很强的威慑力。协约国军事专家为此大伤脑筋。战后杜拉铝的秘密 被揭开,全世界马上开始了用铝合金研制飞艇的热潮,铝被誉为“飞行金属”,进入航空工 业市场。杜拉铝的发明为铝工业的发展提供了一个机遇 另外,高压远距离输电技术研究成功给铝工业带来了另一个机遇。 尽管铝的电导率是铜的65%,但它的密度仅为铜的三分之一。在相同的电阻之下,铝导 线的重量仅是铜导线的46.6%,用铝导线代替铜可以大大鉴清导线的重量及支撑导线的桥塔 的复合,从而节省投资。在20世纪早期,火力发电技术尚未应用,发电依靠水利,所以当 时的输电距离动辄达到2000km之遥,对铝电缆的需求量大增 8/58
《航空材料与腐蚀防护》讲义 中国民航大学理学院材料化学教研室 苏景新 8 / 58 相当贵。 可是，只过了 20 年，因为电解法炼铝的成功，铝价大跌。就像成长中的婴儿，铝开始 蹒跚起步了。 用戴维尔的化学法总共只生产了 200t 铝。 发明电解炼铝法的是两个人。他们是当时同为 23 岁的青年——美国俄亥俄州的霍耳 （Charles Martin Hall）和法国诺曼底的埃鲁（Paul Lovis Toussaint Herroult）。 1886 年，霍尔与埃鲁不约而同地将氧化铝投入熔融的冰晶石中，通入直流电电解出金 属铝。这个方法不再需要消耗昂贵的金属钠作还原剂了，成本大大降低，产量和质量也有很 大的进步。这就是著名的，现在仍在使用的霍尔-埃鲁电解法。这两个人有很多巧合的地方， 同一年出生，同一年作出重大发现，专利申请日期只相差 2 个月，霍尔是在 1886 年 2 月 23 日申请美国专利，埃鲁在 4 月 23 日申请法国专利，5 月 23 日申请书寄到美国专利局。当然 美国专利已经给了霍尔了。这是一个巧合。这两位科学家都在 1914 年，也就是 51 岁的时候 英年早逝，都死于伤寒。 在发明炼铝技术之后，埃鲁和霍尔就分别开始了开拓铝工业的艰辛道路。 当时，人们受习惯思维的限制，总认为铝只能用来做些首饰而已，铝应用尚未打开局面。 到 1900 年，也就是十九世纪的最后一年，全世界只有 7 个铝厂，总年产量不超过八千吨。 但是这个时候，铝价已经降到每公斤 0.5 美元了。虽然人们已经知道可以利用现成的设备加 工铝制品，而且铝在家用器具，如炊具生产上有优势。但制造商们却因需要购置新设备和重 新培训工人而无动于衷。 到了 1906 年，这在铝工业发展历史上同样是一个重要的年份。在这一年，德国的冶金 学家阿弗列•威尔莫（Wilm）尝试将其他金属元素添加到铝中，终于发明了一种含有铜、锰、 镁和铝的合金。他还发现这种铝合金具有一种神奇的效应，即在常温下放置 4 天会自动变得 非常坚硬，很适合用来制造运输工具和其他工业装备。因为这种铝合金首次在杜拉实现工业 生产，故命名为杜拉铝。 从此，铝的需求量逐渐增加。世界铝产量从 1906 年的 1.45 万 t，1910 年的 4.38 万 t， 增长到 1913 年的 6.82 万 t。铝第一次作为飞行器结构材料是在一战期间，德国人用杜拉铝 （当时其成分及硬化工艺是保密的）制成一种硬式飞艇，它的航速达 100km/h、航程在 200km 以上，能携带炸弹，具有很强的威慑力。协约国军事专家为此大伤脑筋。战后杜拉铝的秘密 被揭开，全世界马上开始了用铝合金研制飞艇的热潮，铝被誉为“飞行金属”，进入航空工 业市场。杜拉铝的发明为铝工业的发展提供了一个机遇。 另外，高压远距离输电技术研究成功给铝工业带来了另一个机遇。 尽管铝的电导率是铜的 65%，但它的密度仅为铜的三分之一。在相同的电阻之下，铝导 线的重量仅是铜导线的 46.6%，用铝导线代替铜可以大大鉴清导线的重量及支撑导线的桥塔 的复合，从而节省投资。在 20 世纪早期，火力发电技术尚未应用，发电依靠水利，所以当 时的输电距离动辄达到 2000km 之遥，对铝电缆的需求量大增
中园氏航大学 《航空材料与腐蚀防护》讲义 I Aviation University of ch中国民航大学理学院材料化学教研室苏景新 在二十世纪初,汽车工业开始使用铝合金,但当时车身都是木制的。这一方面是由于当 时使用的发动机马力小,效率低,金属车身相对来说太重,驱动不了,另外金属件的冲压等 塑性加工技术还不那么发达,还无法制造出轻巧的金属构件。当时是手工将铝制成装饰板 然后绑缚或粘接在槐木制的车身上。汽车的散热器也用铝代替钢。这些都是因为铝轻而且不 生锈 和平用铝是铝工业健康发展的永恒动力。但是战争也会极大地刺激铝工业的发展。战争 需要各种激动运输车辆,促使内燃机研制迅速发展。为了减轻发动机重量,一些铸造件以及 活塞都用铝合金制造。活塞运动的惯性因为质量更轻而减小,与活塞连接的其他零件如曲轴、 轴承架上的应力相应减小,发动机便做得轻巧多了。在第一次世界大战的四年中,交战双方 共制造了20多万台发动机。期间经过战争环境考研的技术在战后都很好地转用到航空和汽 车工业当中 战时,铝还用于制造油罐、武器外壳、机枪散热片、光学仪器及士兵的饭盒和水壶等 这些因素都使铝的需求量大增。当时欧洲的铝价涨了一倍、美国铝价涨了两倍。在高额利润 的刺激下,各国的铝产量都至少翻了一番,挪威的产能甚至增长到战前的8倍。在量的增长 的同时,铝工业的工艺技术也大大提高。铝工业已经开始走进它的青年时期,即一战结束的 1918年到二战的1945年这段时间 由于战争结束,各种金属的生产量低于战前水平,唯有铝仍有所增长。这是因为在高压 输电线和发动机上的铝不断增加。仅1920年~1930年的10年间,美国生产了5000万个铝 活塞:汽车壳体也开始用铝制造了;第一个全铝火车车厢问世:特别是铝合金使飞机制造业 飞速发展。德国容克公司用铝板制造J52飞机的机身,并于1930年将该飞机用于莫斯科 伦敦航线上。1933年美国道格拉斯飞机公司用铝合金制造了划时代的DC1运输机及其系列 产品DC2、DC3飞机和c47运输机(图21),可称现代飞机的鼻祖。其中1934年推出的DC2 飞机,机身呈流线型,在现代航线上仍然可见。由于飞机性能不断提高,全天候洲际飞行正 在出现。航空业的飞速发展反过来促进了铝工业的发展 图21道格拉斯C47型运输机 在其他方面,铝导热性好、轻、耐腐蚀等优点也体现岀来。人们用铝制造电冰箱、吸尘 器和其他家用电气,又为铝工业形成了一个巨大的市场。铝的延展性极好,1kg铝可以轧出 面积为41m2的铝箔,而1kg锡只能轧出15m2的锡箔
《航空材料与腐蚀防护》讲义 中国民航大学理学院材料化学教研室 苏景新 9 / 58 在二十世纪初，汽车工业开始使用铝合金，但当时车身都是木制的。这一方面是由于当 时使用的发动机马力小，效率低，金属车身相对来说太重，驱动不了，另外金属件的冲压等 塑性加工技术还不那么发达，还无法制造出轻巧的金属构件。当时是手工将铝制成装饰板， 然后绑缚或粘接在槐木制的车身上。汽车的散热器也用铝代替钢。这些都是因为铝轻而且不 生锈。 和平用铝是铝工业健康发展的永恒动力。但是战争也会极大地刺激铝工业的发展。战争 需要各种激动运输车辆，促使内燃机研制迅速发展。为了减轻发动机重量，一些铸造件以及 活塞都用铝合金制造。活塞运动的惯性因为质量更轻而减小，与活塞连接的其他零件如曲轴、 轴承架上的应力相应减小，发动机便做得轻巧多了。在第一次世界大战的四年中，交战双方 共制造了 20 多万台发动机。期间经过战争环境考研的技术在战后都很好地转用到航空和汽 车工业当中。 战时，铝还用于制造油罐、武器外壳、机枪散热片、光学仪器及士兵的饭盒和水壶等。 这些因素都使铝的需求量大增。当时欧洲的铝价涨了一倍、美国铝价涨了两倍。在高额利润 的刺激下，各国的铝产量都至少翻了一番，挪威的产能甚至增长到战前的 8 倍。在量的增长 的同时，铝工业的工艺技术也大大提高。铝工业已经开始走进它的青年时期，即一战结束的 1918 年到二战的 1945 年这段时间。 由于战争结束，各种金属的生产量低于战前水平，唯有铝仍有所增长。这是因为在高压 输电线和发动机上的铝不断增加。仅 1920 年~1930 年的 10 年间，美国生产了 5000 万个铝 活塞；汽车壳体也开始用铝制造了；第一个全铝火车车厢问世；特别是铝合金使飞机制造业 飞速发展。德国容克公司用铝板制造 Ju52 飞机的机身，并于 1930 年将该飞机用于莫斯科- 伦敦航线上。1933 年美国道格拉斯飞机公司用铝合金制造了划时代的 DC1 运输机及其系列 产品 DC2、DC3 飞机和 C47 运输机（图 2.1），可称现代飞机的鼻祖。其中 1934 年推出的 DC2 飞机，机身呈流线型，在现代航线上仍然可见。由于飞机性能不断提高，全天候洲际飞行正 在出现。航空业的飞速发展反过来促进了铝工业的发展。 图 2.1 道格拉斯 C-47 型运输机 在其他方面，铝导热性好、轻、耐腐蚀等优点也体现出来。人们用铝制造电冰箱、吸尘 器和其他家用电气，又为铝工业形成了一个巨大的市场。铝的延展性极好，1kg 铝可以轧出 面积为 41m2 的铝箔，而 1kg 锡只能轧出 15m2 的锡箔
中园氏航大学 《航空材料与腐蚀防护》讲义 Civil Aviation University of China中国民航大学理学院材料化学教研室苏景新 高强度的铝合金也很快被用于制造装饰板、窗户和门框 1936年美国铝业公司在庆祝电解炼铝50周年大会上罗列了铝的2000多种用途 可以看出年轻的铝工业开始渗透到了国民经济的各个领域,给各行各业都带来了勃勃生 机。经济危机和战争都阻挡不了它前进的步伐。铝的出现使人类的生产和生活都变了样 、铝合金的生产过程 铝合金是由电解得到的原铝和回收铝精炼后,再向其中加入添加元素得到的。 其中电解原铝的过程是,首先用拜耳法从铝土矿中提炼氧化铝,再用埃鲁-霍尔法电解 炼 那么具体地,电解炼铝法究竟是怎么一回事呢? 电解是电化学的一种应用。至少在大学化学课程中,我们都学到过一类化学反应类型叫 做氧化还原反应。在氧化还原反应中,还原剂被氧化,提供电子,氧化剂得到这些电子被还 原。一个氧化还原反应都是两个半反应一一还原剂的氧化反应和氧化剂的还原反应耦合而成 的 如果采用特殊的装置,控制这两个半反应分别在两个导电的材料(称为电极)上发生, 再将电极用导线连通,同时,还要提供一个可以使离子在其中迁移的导体,称为离子导体。 这样就构成了一个回路,就能利用氧化还原反应提供电流,驱动负载工作。我们都知道,这 中装置就是化学电源,也就是大家通称的电池。从能量转换或做功的观点来看,电池的工作 过程就是把氧化剂和还原剂蕴涵的化学能转化为电能,输出电功的过程。 如果反过来,把负载换成一个强大的电源,把它的正负极与电池的同极性的电极连接 强制电池反向工作,我们都知道这个过程实际就是给电池充电。电池充电的过程就是把外部 电源提供的电能转化为化学能的过程。 电解,以及在后面的内容中要介绍的电镀,都是类似的过程 所谓申解,就是用电能驱动电解池工作,使电解质在电解池的阴极或阻极上发生氧化 还原反应而析出产物的过程。这些产物都是对我们有用的产品。如电解氯化钠水溶液,可以 在阳极上得到氯气,阴极上析出氢气。同时因为析出氢气,使水分解出氢氧根离子,与钠离 子形成苛性钠水溶液,又可以分离出氢氧化钠。这些都是重要的化工原料。再比如电解水, 可以得到氢气和氧气,把消耗的电能转化为氢和氧的化学能。氢气又可以作为还原剂,驱动 燃料电池工作,重新释放出电能。 电解法炼铝的原理也是一样。只不过电解铝采用的是一种特殊的电解质,不是水溶液 在水溶液中电解是不能得到铝的。是采用电解熔融的氧化铝的方法。氧化铝(三氧化二铝) 是离子化合物,通常状态下是固体,而离子在固体中是不能轻易移动的,只有将它加热到熔 点以上,熔化成液态,离子才能够在电场的驱动下在阴极和阳极间迁移,形成离子导体。但 是氧化铝的熔点非常高,在将它加热到熔化之前,绝大多数用来制造电解槽的结构材料,如
《航空材料与腐蚀防护》讲义 中国民航大学理学院材料化学教研室 苏景新 10 / 58 高强度的铝合金也很快被用于制造装饰板、窗户和门框。 1936 年美国铝业公司在庆祝电解炼铝 50 周年大会上罗列了铝的 2000 多种用途。 可以看出年轻的铝工业开始渗透到了国民经济的各个领域，给各行各业都带来了勃勃生 机。经济危机和战争都阻挡不了它前进的步伐。铝的出现使人类的生产和生活都变了样。 二、铝合金的生产过程 铝合金是由电解得到的原铝和回收铝精炼后，再向其中加入添加元素得到的。 其中电解原铝的过程是，首先用拜耳法从铝土矿中提炼氧化铝，再用埃鲁-霍尔法电解 炼铝。 那么具体地，电解炼铝法究竟是怎么一回事呢？ 电解是电化学的一种应用。至少在大学化学课程中，我们都学到过一类化学反应类型叫 做氧化还原反应。在氧化还原反应中，还原剂被氧化，提供电子，氧化剂得到这些电子被还 原。一个氧化还原反应都是两个半反应——还原剂的氧化反应和氧化剂的还原反应耦合而成 的。 如果采用特殊的装置，控制这两个半反应分别在两个导电的材料（称为电极）上发生， 再将电极用导线连通，同时，还要提供一个可以使离子在其中迁移的导体，称为离子导体。 这样就构成了一个回路，就能利用氧化还原反应提供电流，驱动负载工作。我们都知道，这 中装置就是化学电源，也就是大家通称的电池。从能量转换或做功的观点来看，电池的工作 过程就是把氧化剂和还原剂蕴涵的化学能转化为电能，输出电功的过程。 如果反过来，把负载换成一个强大的电源，把它的正负极与电池的同极性的电极连接， 强制电池反向工作，我们都知道这个过程实际就是给电池充电。电池充电的过程就是把外部 电源提供的电能转化为化学能的过程。 电解，以及在后面的内容中要介绍的电镀，都是类似的过程。 所谓电解，就是用电能驱动电解池工作，使电解质在电解池的阴极或阳极上发生氧化 还原反应而析出产物的过程。这些产物都是对我们有用的产品。如电解氯化钠水溶液，可以 在阳极上得到氯气，阴极上析出氢气。同时因为析出氢气，使水分解出氢氧根离子，与钠离 子形成苛性钠水溶液，又可以分离出氢氧化钠。这些都是重要的化工原料。再比如电解水， 可以得到氢气和氧气，把消耗的电能转化为氢和氧的化学能。氢气又可以作为还原剂，驱动 燃料电池工作，重新释放出电能。 电解法炼铝的原理也是一样。只不过电解铝采用的是一种特殊的电解质，不是水溶液。 在水溶液中电解是不能得到铝的。是采用电解熔融的氧化铝的方法。氧化铝（三氧化二铝） 是离子化合物，通常状态下是固体，而离子在固体中是不能轻易移动的，只有将它加热到熔 点以上，熔化成液态，离子才能够在电场的驱动下在阴极和阳极间迁移，形成离子导体。但 是氧化铝的熔点非常高，在将它加热到熔化之前，绝大多数用来制造电解槽的结构材料，如
