鋁鋰合金的研究與應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(jì)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(yīng)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(dāng)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各向異性小；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(yīng)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(xué)和西南鋁業(yè)有限責(zé)任公司聯(lián)合研究的多種高性能鋁鋰合金已開始大量應(yīng)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(yīng)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(fù)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(yīng)用將獲得突飛猛進的發(fā)展。總結(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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)用主要以冷成形為主，可見，解決和實現(xiàn)復(fù)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(yīng)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(zhǔn)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(yīng)用必將進入一個新的發(fā)展期。

3 鋁鋰合金的應(yīng)用

3.1 航空應(yīng)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(yīng)用了鋁鋰合金，其成本低于熱固塑料和金屬基復(fù)合材料[6]。

在航空鋁鋰合金的研究和應(yīng)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(biāo)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(xué)成分特殊、鑄造成形難度大、安全風(fēng)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(biāo)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(dāng)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(dāng)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(yīng)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(dǎo)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(jì)80年代中期開始，LMSC大量選用8090鋁鋰合金應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)用在其它火箭、暴風(fēng)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(yīng)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(jì)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(yīng)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(yīng)用領(lǐng)域

3.3 其它應(yīng)用

軍事方面，鋁鋰合金還應(yīng)用于軍械和核反應(yīng)堆中，而民用方面，鋁鋰合金在汽車、機器人等領(lǐng)域也有應(yīng)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(yīng)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(fù)合材料，鋁鋰合金都有一定的優(yōu)勢，但具體應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)用前景的航空航天材料[10]。但目前仍有不少問題阻礙其應(yīng)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(yīng)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(dǎo)報，2007，21（6）：87-90.

[2]鄭子樵，李勁風(fēng)，李紅英,等.新型鋁鋰合金的研究進展與應(yīng)用[C].中國有色金屬學(xué)會第十四屆材料科學(xué)與工程合金加工學(xué)術(shù)年會，三亞，2011.

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

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[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(yīng)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