鋁鋰合金的研究與應用進展

□張文毓

中國船舶重工集團公司第七二五研究所河南洛陽471023

鋁鋰合金的研究與應用進展

□張文毓

中國船舶重工集團公司第七二五研究所河南洛陽471023

從制備、焊接、特點和發(fā)展等方面對鋁鋰合金進行了概述，對鋁鋰合金的研究現(xiàn)狀與應用進行了介紹，對未來發(fā)展進行了展望。

鋰是最輕的金屬元素，在鋁中每摻入1%的鋰可使合金密度降低3%，并使彈性模量增加約6%，其強度可與2024、7075等鋁合金媲美。鋁鋰合金具有優(yōu)越的比強度和比模量特性、優(yōu)良的低溫性能、良好的耐腐蝕性與卓越的超塑成形性能，用其取代常規(guī)鋁合金，可使構(gòu)件質(zhì)量減輕10%～15%，剛度提高15%～20%。鋁鋰合金已成為航空航天領(lǐng)域的重要材料之一。

1 鋁鋰合金概述

將鋰作為合金元素加到鋁中，就形成了鋁鋰合金。加入鋰之后，可以降低合金的密度，增加剛度，同時保持較高的強度、較好的抗腐蝕性和抗疲勞性，以及適宜的延展性。因為以上特性，鋁鋰合金受到航空、航天及航海業(yè)的廣泛關(guān)注，吸引著人們進行研究。鋁鋰合金的研究事業(yè)已迅速發(fā)展起來。

1.1 鋁鋰合金的制備

鋁鋰合金的制備方法主要有兩大類,一類是鑄錠冶金法，另一類是粉末冶金法。為解決這兩類方法在制備鋁鋰合金時遇到的問題，有人也提出了一些新的制備方法，其中較有代表性的是熔鹽電解法和模擬微重力狀態(tài)法。

1.2 鋁鋰合金的焊接

20世紀80年代，前蘇聯(lián)用焊接工藝代替?zhèn)鹘y(tǒng)飛機構(gòu)件中以鉚接為主的工藝，連接了鋁鋰合金結(jié)構(gòu)件，減輕了結(jié)構(gòu)質(zhì)量，提高了結(jié)構(gòu)剛度，且節(jié)約能源，節(jié)省裝配時間。從此，焊接成為鋁鋰合金在航空航天工業(yè)中應用的關(guān)鍵。國內(nèi)外已采用了不同焊接方法、不同填充焊絲和熱處理技術(shù)來提高鋁鋰合金接頭的強度系數(shù)，具體技術(shù)包括熔化焊接、攪拌摩擦焊、激光焊接、焊接修補等[1]。

1.3 鋁鋰合金的特點

鋁鋰合金的主要性能特點如下：①密度適當降低，一般比常規(guī)鋁合金低5%～8%，但并不片面追求低密度；②更好的強度與韌性平衡；③耐損傷，抗疲勞性能優(yōu)良；④各向異性??；⑤耐腐蝕優(yōu)良；⑥熱穩(wěn)定性好，有較好的耐熱性；⑦良好的加工成形性，適用于激光束焊接、攪拌摩擦焊、時效成形等；⑧更高的性價比[2]。

1.4 鋁鋰合金的發(fā)展

如表1所示為鋁鋰合金分類及其發(fā)展[3]，其中第三代典型鋁鋰合金性能如表2所示。

表1 鋁鋰合金分類及其發(fā)展

表2 第三代典型鋁鋰合金性能

2 鋁鋰合金的研究現(xiàn)狀

鋁鋰合金在很多領(lǐng)域可以取代常規(guī)鋁合金。第三代鋁鋰合金的特點是在合金中增大了銅等其它金屬元素的量，減小了鋰元素的量，這樣鋁鋰合金可以增強抗應力和抗腐蝕的性能。

科技攻關(guān)20年，中國鋁鋰合金研究已躋身世界先進行列。進入空間軌道的航天運載器質(zhì)量每減輕1 kg，發(fā)射費用將節(jié)省約2萬美元，因此結(jié)構(gòu)減重在航天領(lǐng)域可謂克克計較。戰(zhàn)斗機質(zhì)量若減輕15%，則可縮短飛機滑跑距離15%，增加航程20%，提高有效載荷30%。因此，世界各國十分重視研制和開發(fā)航空航天用輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。據(jù)推算，如果采用先進鋁鋰合金取代傳統(tǒng)鋁合金制造民用飛機，質(zhì)量可以減輕14.6%，燃料可以節(jié)省5.4%，整機成本將下降2.1%，每架飛機每年的飛行費用將降低2.2%。因此，鋁鋰合金被認為是航空航天領(lǐng)域最理想的結(jié)構(gòu)材料[4]。

中南大學和西南鋁業(yè)有限責任公司聯(lián)合研究的多種高性能鋁鋰合金已開始大量應用于我國航空航天領(lǐng)域，促進了我國航空航天工業(yè)的發(fā)展。由于聯(lián)合科研群體的共同努力，我國已跨入了世界上原僅美國、俄羅斯、英國等少數(shù)幾個能生產(chǎn)和應用鋁鋰合金國家的行列。鋁鋰合金的研究主要有以下三方面。

（1）改進現(xiàn)有制備工藝，提出新的制備技術(shù)，進而提高鋁鋰合金的綜合性能。各種鋁鋰合金制備技術(shù)各有優(yōu)缺點，將各種制備方法優(yōu)化組合，可以提高產(chǎn)品性能，降低生產(chǎn)成本。

（2）目前微合金化研究多限于細化組織和抑制雜質(zhì)危害等方面，效果有限。因此，在保持和提高合金元素已有效果的基礎(chǔ)上，進一步探尋更有效的合金化途徑，增加基體相與δ′相界面的錯配度，引入新的時效強化相并生成更有效的彌散相粒子，使鋁鋰合金的變形與斷裂模式發(fā)生根本轉(zhuǎn)變，從而使鋁鋰合金的性能得到根本改善。

（3）隨著載人航天和可重復使用航天器的發(fā)展，新焊接技術(shù)在航天工藝焊接生產(chǎn)中的應用將獲得突飛猛進的發(fā)展?？偨Y(jié)現(xiàn)有工作，不斷改進已有焊接工藝，提出更優(yōu)良的新工藝，使合金的接頭強度系數(shù)提高，加之焊接自動化程度的提高，將使鋁鋰合金獲得更廣泛的應用空間。

作為航空航天重要的結(jié)構(gòu)材料，鋁鋰合金受到西方國家的廣泛重視，如今第三代鋁鋰合金已在大型商用客機制造中獲得應用。獨立開發(fā)和研制新型高強、高損傷容限鋁鋰合金是我國鋁鋰合金未來發(fā)展的重要方向。

鋁鋰合金鑄造、軋制等技術(shù)逐漸成熟，先進加工制造技術(shù)不斷拓展，超塑成形、旋壓、輥鍛焊接等新工藝不斷創(chuàng)新，這些均已取得重大應用成果。然而，另一方面，由于自身性能限制，室溫成形仍較困難。鋁鋰合金在大型客機中的應用主要以冷成形為主，可見，解決和實現(xiàn)復雜結(jié)構(gòu)件的室溫鈑金成形和熱處理工藝是未來我國大型客機應用鋁鋰合金的關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展方向，同時需要在傳統(tǒng)工藝基礎(chǔ)上不斷開發(fā)新型技術(shù)，提高成形精度、效率和質(zhì)量[5]。

未來我國鋁鋰合金的研究以大飛機、空間探測等航天航空技術(shù)發(fā)展的需求為契機，深入研究鋁鋰合金成分、生產(chǎn)加工工藝、微觀組織和性能之間的關(guān)系，以及合金設(shè)計準則，研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的超高強鋁鋰合金、高損傷容限鋁鋰合金、高成形性可焊鋁鋰合金等新合金，開發(fā)新的熱處理技術(shù)，建立鋁鋰合金服役性能評價體系，進一步突破鋁鋰合金工程化生產(chǎn)中的共性關(guān)鍵難題，提高鋁鋰合金研發(fā)的自主創(chuàng)新能力和自主保障能力，完善鋁鋰合金研發(fā)平臺和工裝設(shè)備條件。有理由相信，隨著未來我國航空航天工業(yè)的發(fā)展,在國家相關(guān)部門的課題支持下，我國新一代鋁鋰合金的研究、生產(chǎn)和應用必將進入一個新的發(fā)展期。

3 鋁鋰合金的應用

3.1 航空應用

鋁鋰合金已在軍用飛機、民用客機和直升飛機上使用或試用，主要用于機身框架、襟翼翼肋、豎直安定面、整流罩、進氣道唇口、艙門、燃油箱等。C-155鋁鋰合金用于波音777和空客A330/A340飛機的垂尾和平尾，該合金相比普通鋁合金有更好的抗疲勞性能和更高的強度。其中，每架A330/A340飛機使用鋁鋰合金650 kg，可使飛機質(zhì)量減輕達4 250 kg，提高有效載荷及降低燃料消耗。C-17運輸機使用鋁鋰合金板材和擠壓型材制造貨艙的地板梁、襟翼副翼蒙皮等結(jié)構(gòu)，用量達2.8 t，比用普通鋁合金質(zhì)量減輕208 kg，幻影戰(zhàn)斗機上也大量應用了鋁鋰合金，其成本低于熱固塑料和金屬基復合材料[6]。

在航空鋁鋰合金的研究和應用方面，俄羅斯一直處于世界領(lǐng)先地位，比較有代表性的是1420、1421、1423、1430、1440、1450等鋁鋰合金，其中1421、1423含鈧元素。

C919國產(chǎn)客機鋁鋰合金機身直段部段在中航工業(yè)洪都大飛機部裝廠房順利下線，這標志著中航工業(yè)洪都參與C919大型客機研制工作邁出了堅實的一步，是中航工業(yè)與江西省、中國商飛深化合作的重要成果，具有重要的里程碑意義[7]。

大飛機項目專用第三代新型2099鋁鋰合金φ540mm圓錠在中鋁公司試制成功，填補了此前我國不能生產(chǎn)多組元、高合金化鋁鋰合金的空白。該項技術(shù)攻克了化學成分特殊、鑄造成形難度大、安全風險極高的難題，突破了國外對鋁鋰合金尖端技術(shù)領(lǐng)域的封鎖，標志著我國航空航天用先進鋁鋰合金材料生產(chǎn)制造又邁上了一個新的臺階，進一步提升了國防軍工和航空航天所需配套材料的自主研發(fā)和保障能力。

當前國際上新研制的空客A380、空客A350、龐巴迪C系列飛機，以及國產(chǎn)大飛機在機體結(jié)構(gòu)上都大量采用了第三代先進鋁鋰合金，這表明高性能的鋁鋰合金正逐漸成為當前及未來民用飛機材料選用的新趨勢。從國內(nèi)外航空發(fā)展、客戶使用和經(jīng)濟角度考慮，采用質(zhì)量輕、強度高的鋁鋰合金代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋁合金是飛機設(shè)計的必然趨勢。

3.2 航天應用

對于航天飛行器而言，結(jié)構(gòu)質(zhì)量的減輕可增加有效載荷，有效載荷每增加1 kg可帶來4 400～110 000美元的效益。因此，由于鋁鋰合金密度低、性能好的特點，在很多航天飛行器中都采用了鋁鋰合金結(jié)構(gòu)。美國洛克希德導彈和空間公司（LMSC）制造的飛行器使用了大量低密度、中等強度和高剛度的鋁鋰合金材料。從20世紀80年代中期開始，LMSC大量選用8090鋁鋰合金應用普通加工方法生產(chǎn)各種鍛件、厚板、薄板與擠壓件，并在大力神有效載荷轉(zhuǎn)接器上使用8090鋁鋰合金板材，質(zhì)量減輕180 kg。該公司還使用AA2195鋁鋰合金生產(chǎn)新的航天飛機超輕型油箱，長達47 m，直徑達8.4 m，用于裝載低溫燃料和液態(tài)氫。AA2195鋁鋰合金的使用使油箱質(zhì)量減輕近3 400 kg，強度提高30%，增加了有效載荷，節(jié)約成本約7 500萬美元。

鋁鋰合金在俄羅斯的航天業(yè)中也有很多應用。俄羅斯在1450鋁鋰合金基礎(chǔ)上添加0.20%的鈧元素研制出1460鋁鋰合金，有更優(yōu)良的性能，將其應用于能源號大型運載火箭的結(jié)構(gòu)件上。此外，1460鋁鋰合金還應用在其它火箭、暴風雪號航天飛機和空間站的結(jié)構(gòu)件上。

鑒于航天對減重的實際需求，以及第三代鋁鋰合金優(yōu)異的綜合性能，西方航天大國在未來航天工業(yè)中都有大量應用鋁鋰合金的計劃。按照美國國家航空航天局的計劃，美國航天飛機退役后啟動新一代星座計劃航天工程。計劃中，戰(zhàn)神系列火箭將成為執(zhí)行美國空間探索的新型運輸基礎(chǔ)設(shè)施。據(jù)報道，戰(zhàn)神系列火箭的上級將全部采用鋁鋰合金制造[8]。

采用鋁鋰合金制造大型運載器的低溫推進劑儲箱，可以減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，提高運載能力，從而獲得顯著的經(jīng)濟效益。航天結(jié)構(gòu)件間往往采用連接體形式，用焊接工藝代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鉚接工藝可以減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，縮短裝配時間。

目前，已開發(fā)出的新型鋁鋰合金主要有高強可焊的1460和Weldalite系列合金，低各向異性AF/C489、AF/C458合金，高韌性2097、2197合金，高抗疲勞裂紋C2155合金，以及經(jīng)特殊真空處理的XT系列合金等。

從20世紀30年代開始，德、美、英、前蘇聯(lián)對鋁鋰合金進行了研制，但是真正具有商業(yè)價值的是1957年美國研制成功的含鋰1.1%的2020鋁鋰合金，用于制造海軍飛機的機翼蒙皮和尾翼水平安定面。如表3所示[9]，目前主要應用的鋁鋰合金有2***系（Al-Li-Cu-Zr）和8***系（Al-Li-Cu-Mg-Zr）等10余種牌號，最大鑄錠規(guī)格達到25 t以上，其軋制、擠壓和鍛造的加工技術(shù)已達到常規(guī)鋁合金的水平。

表3 鋁鋰合金的應用領(lǐng)域

3.3 其它應用

軍事方面，鋁鋰合金還應用于軍械和核反應堆中，而民用方面，鋁鋰合金在汽車、機器人等領(lǐng)域也有應用。

在魚雷結(jié)構(gòu)上采用質(zhì)輕、耐蝕、高強度的鋁鋰合金，為提高魚雷性能提供了一個新途徑。目前，成熟的鋁鋰合金包括2090、8090、8091、8092等牌號，抗拉強度在500 MPa左右。美國對于耐蝕性要求高而強度要求不高的魚雷殼體采用AA6061-T6鋁合金，屈服強度為274 MPa；對耐蝕性和強度要求均高的魚雷殼體則采用AA7175-T73鋁合金，屈服強度為480 MPa，可見，成熟的鋁鋰合金有應用的空間。具有強大攻擊力的重型魚雷是重要武器，美國海軍已用新研制的AA5091鋁鋰合金鍛件制造重型魚雷燃料艙，合金抗拉強度為412 MPa，彈性模量為79.2 GPa，密度為2.57 g/cm3。

不論是相比傳統(tǒng)鋁合金還是復合材料，鋁鋰合金都有一定的優(yōu)勢，但具體應用還需要根據(jù)實際研制情況進行權(quán)衡分析。由于技術(shù)原因，相比傳統(tǒng)鋁合金，鋁鋰合金的材料和工藝成本相對較高，實際應用時需要對成本增加和其所帶來的利益進行權(quán)衡研究。由于鋁鋰合金的顯著優(yōu)勢，制造商從未停止對其改進和研發(fā)，伴隨著新技術(shù)、新工藝的發(fā)展，鋁鋰合金材料必將有更廣闊的應用前景。

4 結(jié)束語

鋁鋰合金作為一種新型鋁合金材料,由于具有低密度、高強度、高模量及良好的抗腐蝕性能,成為兵器工業(yè)中最具潛力的新型金屬結(jié)構(gòu)材料，以及一種有廣泛應用前景的航空航天材料[10]。但目前仍有不少問題阻礙其應用，需要技術(shù)人員對不同熱處理狀態(tài)的組織、性能和成形進行深入研究。隨著人們對鋁鋰合金越來越重視、研究逐步深入，以及新技術(shù)新工藝的出現(xiàn)，相關(guān)問題都會得到解決，鋁鋰合金的生產(chǎn)和應用必將會達到一個新的高度。

[1]高洪林，吳國元.Al-Li合金的研究進展[J].材料導報，2007，21（6）：87-90.

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[3]孫中剛，郭旋，劉紅兵，等.鋁鋰合金先進制造技術(shù)及其發(fā)展趨勢[J].航空制造技術(shù)，2012（5）：60-63.

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[6]陳建.鋁鋰合金的性能特點及其在飛機中的應用研究[J].民用飛機設(shè)計與研究，2010（1）:39-41，57.

[7]中國廣播網(wǎng).國內(nèi)首次將鋁鋰合金用于國產(chǎn)大飛機C919機身制造[Z/OL].中國廣播網(wǎng)，2010-12-02.http://china. cnr.cn/gdgg/201012/t20101202_507413834.shtml.

[8]李勁風，鄭子樵，陳永來，等.鋁鋰合金及其在航天工業(yè)上的應用[J].宇航材料工藝，2012（1）:13-19.

[9]張榮霞，曾元松.鋁鋰合金的發(fā)展、工藝特性及國外應用現(xiàn)狀[J].航空制造技術(shù)，2007（增刊）：438-441.

[10]霍紅慶，郝維新，耿桂宏，等.航天輕型結(jié)構(gòu)材料——鋁鋰合金的發(fā)展[J].真空與低溫，2005，11（2）：63-69.

（編輯：爾東）

The characteristics and development of Al-Li alloy were reviewed.The research status and application of Al-Li alloy were introduced,and the future development was prospected.

鋁鋰合金；研究；應用；進展

Al-LiAlloy;Research；Application；Development

TH142.2；TG146.2

A

1672-0555（2017）01-072-04

2016年10月

張文毓（1968—），女，本科，高級工程師，主要從事情報研究工作