鋁鋰合金在航空結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

段一凡

【摘 ?要】在簡(jiǎn)要介紹鋁鋰合金的分類及特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)論述了第三代鋁鋰合金在航空結(jié)構(gòu)件上的性能研發(fā)與應(yīng)用，并以實(shí)例論證了其在實(shí)際應(yīng)用中的作用及重要性?

【關(guān)鍵詞】鋁鋰合金;航空結(jié)構(gòu)件;研發(fā)與應(yīng)用

鋰是世界上最輕的金屬元素?把鋰作為合金元素加到金屬鋁中，就形成了鋁鋰合金?加入鋰之后，可以降低合金的比重，增加剛度，同時(shí)仍然保持較高的強(qiáng)度?較好的抗腐蝕性和抗疲勞性以及適宜的延展性?因?yàn)檫@些特性，這種新型合金受到了航空?航天以及航海業(yè)的廣泛關(guān)注?

1第二代鋁鋰合金

第二代鋁鋰合金的研發(fā)目的是想比同類傳統(tǒng)鋁合金輕8%～10%，也更堅(jiān)韌，以便更廣范圍地取代它們?這一早期種類包括未能形成商業(yè)效益的X8092和X8192合金?此外還有AA8091，與8090相比，其含鋰量較高（2.6%vs2.4%），銅含量也高（1.9%vs1.2%）?2090和8090是最有前景的二代鋁鋰合金，很有應(yīng)用潛力，但由于某些缺陷，一直未能打開(kāi)更廣闊的應(yīng)用空間?事實(shí)證明，將鋁鋰合金作為直升機(jī)最適用選材是減重所需，這對(duì)于垂直起飛?降落的直升飛機(jī)而言是極為重要的?表1列出了EH101直升飛機(jī)早期（1984）和最終所采用的二代鋁鋰合金?最初設(shè)想的是采用AA2091，但最終選用了8090系列?實(shí)際上，因?yàn)榭梢詼p重8%～10%，機(jī)身框架構(gòu)件采用的都是8090合金?遺憾的是，早期使用經(jīng)歷表明，該類合金的斷裂韌性和疲勞性能成了人們的擔(dān)憂?

2第三代鋁鋰合金

眾多第三代鋁鋰合金已經(jīng)被人們廣泛地應(yīng)用了?早期應(yīng)用的有：AA2195厚板，用作航天飛機(jī)外掛儲(chǔ)油箱;AA2297和AA2397，用作Lock-heedMartinF-16艙板及軍用飛機(jī)上的其它零部件?近來(lái)，又有一些合金取得商用運(yùn)輸機(jī)（如空客A380）的應(yīng)用資格，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大?這一點(diǎn)從表2中就可看出?研發(fā)不同形式和用途的基本相同的第三代鋁鋰合金，即研發(fā)第三代鋁鋰系列是一個(gè)明確的發(fā)展趨勢(shì)?表2示出了第三代鋁鋰合金存在幾乎可以取代所有的現(xiàn)有傳統(tǒng)合金的可能性?促成這一可能性的最主要的就是研發(fā)一系列優(yōu)化的?性能均衡的合金牌號(hào)，從而在與特殊應(yīng)用合金配合使用時(shí)更具靈活性和適應(yīng)性?而另一個(gè)重要方面在于其優(yōu)異的耐腐蝕和耐應(yīng)力腐蝕性?因?yàn)橛袝r(shí)可以省去為了使傳統(tǒng)AA2×××及部分AA7×××合金耐腐蝕所需的低強(qiáng)包覆層，這樣可以大大減輕重量，包覆層還會(huì)降低機(jī)械緊固接頭（如鉚接拼接）的耐疲勞性?人們對(duì)薄板及厚板的應(yīng)用尤其感興趣?

3第三代鋁鋰合金在特殊構(gòu)件上的應(yīng)用實(shí)例

3.1機(jī)身蒙皮

運(yùn)輸機(jī)機(jī)身蒙皮由強(qiáng)度及斷裂韌性綜合性能優(yōu)異的薄板材料制成?最新的AA2060T8態(tài)鋁鋰合金在強(qiáng)度和韌性方面均取得了顯著提高?

表2列出了AA2198?AA2199和2060三種鋁鋰合金薄板在機(jī)身蒙皮應(yīng)用中的評(píng)估，值得注意的是：

（a）2199-T8E74的主要特性在于密度降低了5%，疲勞裂紋擴(kuò)展阻力有了明顯提高?

（b）2060-T8E30的密度降低了2%，但其強(qiáng)度和斷裂韌性更高了?

（c）與Alclad2524-T3相比，兩種鋁鋰合金的綜合性能提高了?

3.2上機(jī)翼

3.2.1上機(jī)翼蓋

運(yùn)輸飛機(jī)的上機(jī)翼蓋是典型的通過(guò)壓縮強(qiáng)度和剛性來(lái)抵抗彎曲變形的?所以它們必須要有足夠的斷裂韌性?此處應(yīng)注意的是，當(dāng)選用鋁鋰合金取代傳統(tǒng)合金時(shí)，必須要認(rèn)真考慮高彈性模量引起的比剛性的增大?因?yàn)檩^高彈性模量會(huì)改變機(jī)身框架內(nèi)的加載路徑和分布，所以簡(jiǎn)單的替換不一定是好的選擇?具體而言，較高的剛性會(huì)引起更大負(fù)荷，從而帶來(lái)更高應(yīng)力，這些都會(huì)在疲勞負(fù)荷承受區(qū)域引發(fā)問(wèn)題?

3.2.2上機(jī)翼縱梁

2055-T8E83Al-Li擠壓合金與兩種傳統(tǒng)高強(qiáng)7×××擠壓合金進(jìn)行的對(duì)比結(jié)果表明，2055-T8E83合金總體優(yōu)于7075-T6511老款合金?相比7055-T7751而言，2055合金具有更高的抗壓彈性模量和斷裂韌性，密度更低，與其較低的抗拉強(qiáng)度和壓縮屈服強(qiáng)度結(jié)合良好?但是，由于上機(jī)翼縱梁最重要的性能是剛性，所以得益于其較低的密度，2055-T8E83合金是這一應(yīng)用的極佳選材?2055-T8E83合金也是機(jī)身縱梁選用材料?

3.3下機(jī)翼蓋

運(yùn)輸機(jī)下機(jī)翼蓋采用的是強(qiáng)度和損傷容限綜合性能優(yōu)異的厚板材料?傳統(tǒng)材料為自然時(shí)效態(tài)（T3XX）AA2X24合金?與2024-T3相比，更先進(jìn)合金的提升主要體現(xiàn)在韌性方面?從2060-T8E86數(shù)據(jù)中可看出，這種合金的強(qiáng)度也得到了較大提高?鋁鋰厚板合金具有不同的強(qiáng)度與韌性結(jié)合，這對(duì)性能均衡探討具有指導(dǎo)性作用?與傳統(tǒng)2X24-T3XX相比，2199-T86和2060-T8E86具有優(yōu)異的強(qiáng)度?剛性?韌性和譜疲勞裂紋擴(kuò)展抗力?此外，這兩種鋁鋰合金的密度分別降低了5%和2%?

4結(jié)論

（1）在鋁合金中添加鋰元素能降低合金的密度?提高彈性模量，因此具有顯著減重（與傳統(tǒng)不含鋰合金相比）的潛能，這已成為促進(jìn)鋁鋰合金研發(fā)的主要驅(qū)動(dòng)力?

（2）第二代鋁鋰合金?鋰含量過(guò)高會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的不利后果，如力學(xué)性能各向異性?短橫向延性?斷裂韌性低?熱穩(wěn)定性差等等，限制了其在飛機(jī)構(gòu)件上的應(yīng)用?

（3）第三代鋁鋰合金?與第二代（一般在2%以上）相比，第三代合金大幅降低了鋰的含量（0.75%～1.8%），此外還對(duì)成分進(jìn)行了重要調(diào)整?為了提高強(qiáng)度，添加了Ag和Zn?此外，Zn還可以改善耐腐蝕性?除Zr外，還添加有Mn（第二代中也含有），以便控制再結(jié)晶和織構(gòu)?這些差異以及熱機(jī)械加工和熱處理技術(shù)知識(shí)的提高，研發(fā)出性能優(yōu)勢(shì)顯著的鋁鋰合金系列，覆蓋了運(yùn)輸機(jī)所有重要結(jié)構(gòu)部位和應(yīng)用?

參考文獻(xiàn)：

[1]余東梅，王祝堂.世界鋁-鋰合金工業(yè)概要及中國(guó)與它們的差距[J].鋁加工，2016（4）：10-16