一、杜拉铝的定义与起源
杜拉铝（英文：duralumin，又称硬铝）是最早的硬化铝合金之一，属于可热处理强化的 Al-Cu-Mg 系合金。其主要合金元素包括铜、锰及镁。其中，AA2024 是一种常见的杜拉铝类型，其成分包含 4.4% 的铜、1.5% 的镁和 0.6% 的锰。
杜拉铝由德国冶金学家阿尔弗雷德·威尔姆（Alfred Wilm）于 20 世纪初在杜拉金属材料股份公司（Dürener Metallwerke AG）开发。1903 年，威尔姆发现含铜 4% 的铝合金在淬火后于室温下放置会逐渐硬化。经过多年的实验与改进，1909 年，杜拉铝正式作为成品推向市场。由于其在杜拉金属材料股份公司实现工业生产，因此得名“杜拉铝”。
二、杜拉铝的发展历程
-
早期开发与军事应用
- 一战期间，杜拉铝的成分和热处理工艺被德国视为军事机密，广泛应用于军事装备中，尤其是飞机制造领域。战后，随着军事保密的解除，杜拉铝开始在民用领域得到推广。
- 20 世纪二三十年代，杜拉铝被广泛用于空气静压飞艇机身的制造。其高强度、低密度的特性使其成为理想的材料选择。此后，杜拉铝的应用范围进一步扩大，逐渐涵盖航空、汽车、精密工具等多个行业。
-
现代应用与合金改进
- 杜拉铝具有强度大、密度小、便于加工等优点，比强度高，但也有易腐蚀的不足。为了解决这一问题，人们开发了“铝包”工艺，即在杜拉铝表面添加高纯铝板，从而提高其耐腐蚀性能。
- 如今，国际合金命名系统中，铜铝合金系列被归为“2000”系列。虽然“杜拉铝”一词多用于科普描述，但这种材料仍在航空航天等领域广泛应用。
- 2000 系合金以杜拉铝为基础，在航空工业早期需求的推动下，强度更高的铝 - 铜 - 镁合金不断涌现。例如，变形合金 2024（成分：Al - 4.3Cu - 1.5Mg - 0.6Mn）问世后，其时效强度比杜拉铝（2017 合金）提升了 20%。经过 T3 热处理，2024 合金的抗拉强度与屈服强度比值较高，有利于提升损伤容限，非常适合用于飞机蒙皮。20 世纪 30 年代中期，商用 DC - 3 飞机就采用了包铝状态的 2024 合金，此后，多数客机机身也采用了该合金。
三、2000 系合金的特性与应用
-
高温性能与结构应用
- 基于铝 - 铜体系的合金在高温下具有出色的抗蠕变强度。例如，2618 合金被用于高速协和式飞机的蒙皮与大部分结构，能够承受高速飞行时产生的高温和应力。
- 2219 合金具有良好的可焊性，已应用于多款航天器的燃料箱，为航天器的结构完整性提供了保障。
-
合金改进与锂元素的应用
- 通过添加银、镁等元素，2000 系合金不断改进。这些元素有助于形成稳定的析出相，赋予常见商用 2000 系合金优异的抗蠕变性能。
- 对于 2000 系合金而言，锂是最关键的添加元素之一。它能够显著降低合金的密度，从而减轻航空航天器的结构重量。锂是少数在铝中溶解度高的元素，每增加 1% 的锂，铝的密度就会降低 3%，这对于航空航天领域具有重大意义。
- 最早的含锂铝合金尝试始于 1924 年的德国，名为“Sclerron”（成分：Al - 1.2Zn - 3Cu - 0.6Mn - 0.1Li），主要用于铸造件，其屈服强度高于杜拉铝。
- 20 世纪 50 年代后期，美国铝业公司（Alcoa）开发出 2020 合金（成分：Al - 4.5Cu - 1.3Li - 0.5Mn - 0.2Cd）。该合金屈服强度高，对人工时效响应良好曾，用于美国超声速“民兵”军用飞机的机翼蒙皮。然而，由于在部分场景下断裂韧性不足，该合金最终被弃用。
- 目前，含锂铝合金在航空航天领域最核心的应用是燃料箱与机身部件。例如，2195 合金是一种铝 - 铜 - 锂合金，还含有少量镁和银，被用于美国航天飞机大型焊接式“超轻型”外置发射箱。
杜拉铝及其衍生的 2000 系合金在航空航天领域的发展历程充分体现了材料与科学工程的紧密结合。从早期的军事应用到现代的民用航空和航天领域，这些合金不断改进和优化，为人类的飞行梦想提供了坚实的材料基础。