鋁鋰合金作為機載計算機機箱材料的應用探索

可 望，楊 龍，田 灃

（航空工業西安航空計算技術研究所，西安710068）

0 前言

鋰是最輕的金屬元素（0.534 g/cm3），并且在鋁中的溶解度較高，能夠和鋁很好地合金化[1-2]。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%[3-4]，如圖1所示。在航空航天工業中，減重是永恒不變的主題，降低重量可以節省燃料、提高飛行速度、增加飛行距離、提高有效載荷等[5]。因此，研發新型輕質材料是航空航天領域密切關注的熱點。研究表明，飛機減重的最有效的方式為降低飛機所用材料的密度。通過降低材料密度來減重比增加拉伸強度、彈性模量、降低損傷容限等方法有效3～5倍[5]。鋁鋰合金具有很多優越的性能，如低密度、高彈性模量、高比剛度和比強度、良好的抗腐蝕性能等[6-8]。相比于傳統鋁合金，使用鋁鋰合金可以使結構件重量減輕10%～15%，剛度提高15%～20%。此外，鋁鋰合金的材料制備和零件制造工藝都與普通鋁合金無原則上的差別，可沿用普通鋁合金的技術和設備；另外鋁鋰合金的成形、維修等都較為方便。

圖1 不同合金元素對鋁合金的影響

機載計算機會經受各種惡劣環境因素的影響，包括高溫、低溫、潮濕、鹽霧、霉菌、生物蛀蝕、雷電、沙塵、日照、輻射等。機箱是機載計算機重要的組成部分，是機載計算機可靠工作的保證。機載計算機的結構設計主要包括熱設計、抗振防沖設計、電磁兼容設計、防腐蝕設計。因此，對于機箱材料，其密度、導熱系數、強度、電磁屏蔽性能、耐腐蝕性能至關重要。使用鋁鋰合金替代傳統鋁合金作為機箱材料有望實現減重的目的，提高飛機性能并降低油耗。同時，鋁鋰合金的強度和耐腐蝕性能也優于傳統鋁合金[9-10]。

1 實驗材料及方法

試驗選用西南鋁業（集團）有限責任公司生產的6061鋁合金和鄭州輕研合金科技有限公司生產的5A90鋁鋰合金，其成分如表1所示。

使用6061鋁合金和5A90鋁鋰合金制造同尺寸的機箱（318 mm×194 mm×190.5 mm，壁厚為1.2 mm），且對比其重量和力學性能差異。通過真空釬焊、電子束焊接和攪拌摩擦焊技術焊接6061鋁合金和5A90鋁鋰合金機箱，測試焊縫抗拉強度，驗證其焊接工藝。并對6061鋁合金和5A90鋁鋰合金樣片進行環境適應性驗證，試驗標準參考GJB150A。

2 結果與討論

2.1 密度

如表2所示，6061鋁合金和5A90鋁鋰合金的密度分別為2.7 g/cm3和2.47 g/cm3，5A90鋁鋰合金的密度明顯低于6061鋁合金。6061鋁合金和5A90鋁鋰合金材料所制造的同尺寸機箱相比，前者質量為2.29 kg，后者質量為2.09 kg。可見，使用鋁鋰合金替代傳統鋁合金可以使機箱減重約10%左右。

表2 6061鋁合金和5A90鋁鋰合金性能對比

2.2 力學性能

機載計算機在使用過程中會受到振動和沖擊的作用，因此，對機箱材料的強度提出了一定要求。如表2所示，5A90鋁鋰合金的抗拉強度和屈服強度分別為512 MPa和437 MPa，遠高于6061鋁合金。因此使用鋁鋰合金替代傳統鋁合金在力學性能方面具有明顯優勢。

2.3 焊接技術與工藝

2.3.1 真空釬焊

真空釬焊是將工件置于真空室內進行加熱熔化焊接，該技術被廣泛應用于鋁合金的焊接。5A90鋁鋰合金材料固相線低（536oC），超過500oC就容易出現過燒的特性。因此，傳統6061鋁合金（固相線582oC）所用的真空釬焊釬料不能解決5A90鋁鋰合金的真空釬焊問題。6061鋁合金所用的A1SiMg釬料4004的熔化溫度為555～590oC，超過5A90鋁鋰合金母材固相線溫度54oC，超過過燒控制溫度90oC。經調研，目前市場上暫時沒有符合要求的焊料。

2.3.2 電子束焊接

電子束焊接技術是將高能電子束作為加工熱源，用高能量密度的電子束轟擊焊件接頭處的金屬，使其快速熔融，然后迅速冷卻來達到焊接的目的。該技術焊接速度快、能量密度大、所得焊縫較窄、焊接應力和變形較小，可以被用于鋁鋰合金的焊接[11]。機載計算機機箱產品的結構特點適合于電子束焊接，因此下面對該工藝進行了驗證。

為驗證電子束焊接的強度和工藝，首先對樣件焊縫強度進行驗證，具體試驗標準參考GB/T 228.1-2010。驗證結果顯示，5組樣件中，樣件1從本體斷裂，其余4件從焊縫斷裂。樣件的焊縫抗拉強度如表3所示。

表3 電子束焊接焊縫強度檢測結果

從試驗結果可以看出，電子束焊接焊縫強度高于母材80%以上。

2.3.3 攪拌摩擦焊

近年來發展起來的攪拌摩擦焊接技術也被應用于鋁鋰合金的焊接[12]。攪拌摩擦焊是通過高速旋轉的攪拌頭與被焊材料表面間生成的摩擦熱而實現焊接。該技術焊接接頭外觀平整、性能優良、殘余應力和變形小，并且無煙塵、無飛濺、不需要焊絲。該工藝特點適合于側壁液冷機箱和貫穿式液冷模塊結構件的焊接。表4所示為1420鋁鋰合金采用攪拌摩擦焊時的焊縫性能[13]。

表4 攪拌摩擦焊焊縫性能

從試驗結果可以看出，攪拌摩擦焊接的焊縫強度可達400 MPa以上。當攪拌頭轉速和前進速度差別不大時，焊縫抗拉強度的差別也不大。

因此，應用于傳統鋁合金的真空釬焊技術不能滿足鋁鋰合金的焊接要求，但是電子束焊接和攪拌摩擦焊接技術能夠滿足鋁鋰合金的焊接要求，可以被應用于鋁鋰合金的焊接。

2.4 環境適應性驗證

考慮到機載電子設備的特點和材料的基本屬性，環境適應性要求中高低溫可不進行驗證，重點驗證材料抗鹽霧、濕熱、霉菌及酸性大氣的性能。試驗標準參考GJB150A，驗證結果如表5所示。

表5 5A90鋁鋰合金環境試驗驗證結果

根據三防試驗驗證結果，5A90鋁鋰合金可滿足機載環境適應性要求。

綜上所述，鋁鋰合金替代傳統鋁合金作為機箱材料可使機箱減重10%左右，同時鋁鋰合金已經通過各種試驗驗證，可作為機載計算機機箱材料推廣使用。

3 結論

（1）相比于6061鋁合金，使用5A90鋁鋰合金制作機載計算機機箱可減重10%左右。

（2）5A90鋁鋰合金的抗拉強度為512 MPa，高于6061鋁合金2倍；屈服強度為437 MPa，高于6061鋁合金3倍。

（3）鋁鋰合金的焊接方法可以采用電子束焊接或攪拌摩擦焊接技術，焊縫強度均可達到母材的80%以上，可滿足使用要求。

（4）5A90鋁鋰合金機箱成功通過三防試驗驗證，可滿足機載環境適應性要求。

盡管鋁鋰合金在機載計算機機箱材料上的應用前景廣闊，但仍然還存在一些問題有待研究。尤其是針對機載計算機的使用環境，需要進一步降低鋁鋰合金的密度以實現減重的目標。同時，提高鋁鋰合金導熱系數、增強散熱能力也至關重要。