铝锂合金的发展、工艺特性及国外应用现状

铝锂合金的发展、工艺特性及国外应用现状（共2篇）

篇1：铝锂合金的发展、工艺特性及国外应用现状

铝锂合金的发展、工艺特性及国外应用现状

按铝锂合金的发展阶段综述了其成分和性能特点,详细论述了二代铝锂合金各向异性产生的`原因及解决方法;对铝锂合金在国外的应用进行了简要归纳,分析了铝锂合金今后的发展趋势.

作 者：张荣霞 曾元松 Zhang Rongxia Zeng Yuansong  作者单位：北京航空制造工程研究所 刊 名：航空制造技术  ISTIC英文刊名：AERONAUTICAL MANUFACTURING TECHNOLOGY 年，卷(期)： “”(z1) 分类号：V2 关键词：铝锂合金   航空   航天   各向异性  

篇2：铝锂合金的发展、工艺特性及国外应用现状

材料与冶金学院 新技术专题论文

题目：铝锂合金的发展及应用

姓 名：杨俊、杨立享、陈俊录、高天、乔雨雷、马天宇。专 业：材料科学与工程 指导教师：王东

2016 年07月15日

铝锂合金的发展及应用

摘要：回顾了铝锂合金的发展历史，按时间顺序和性能特点将铝锂合金分成了三代，并重点介绍了第三代铝锂合金的优点和发展情况；分析研究了铝锂合金的性能特点与优势，指出提高铝锂合金性能的主要途径：微合金化、形变热处理、再结晶、在不同方向上拉伸或冷轧、减小变形量、改变弥散类型等；介绍了铝锂合金在国外先进飞机上的应用情况，为铝锂合金的应用提供参考；针对民用飞机，提出了铝锂合金的结构设计要求及方法。

关键词：铝锂合金；飞机；性能；应用 0引言

锂(Li)是元素周期表中最轻的金属元素，密度只有5360kg／m。在铝中每加入1％(质量比)的锂，可使合金密度降低3％，并增加弹性模量约6％。由于铝锂合金具有低密度、高比强度、高比刚度、优良的低温性能、良好的耐腐蚀性能和卓越的超塑成形性能，用其取代常规铝合金，可使构件质量减轻10％ ～15％，刚度提高15％ ～20％。在现代先进飞行 器上，铝锂合金的用量在逐渐提高，以达到减轻结构重量的目的。

1铝锂合金发展历史

铝锂合金的发展大体上可划分为3个阶段，相应出现的铝锂合金产品也划分为3代。1．1 初步发展阶段

第一阶段为初步发展阶段，该阶段的时间跨度大约为20世纪50年代至6O年代初。虽然早在1924年德国的材料专家就开发出了第一个含Li的铝合金Scleron，但是，直到1957年美国Alcoa公司研究成功2020合金，1961年前苏联开发出BA~23合金，铝锂合金才真正引起人们的注意。美国将2020合金应用于海军RA25C军用预警飞机的机翼蒙皮和尾翼水平安定面上，获得了6％的减重效果但由于这些第一代铝锂合金产品的塑韧性水平太低，不能满足新航空设计标准的要求，因此并未取得进一步的应用。Alcoa公司于1969年停止了2020合金的生产。此后，铝锂合金的研究和应用在欧美等国进入了一个相对停滞的时期。1．2 繁荣阶段

2O世纪7O年代爆发的能源危机给航空工业带来了巨大的压力，所以，迫切要求飞机轻量化，复合材料的兴起也给传统铝工业造成潜在的威胁，这些都推动了人们对铝锂合金的重新重视，铝锂合金也因此进入了新的发展阶段，即第二阶段，该阶段的时间跨度为20世纪70年代至80年代后期。在这一时期，铝锂合金得到了迅猛发展，共召开了六次国际铝锂合金专题会议，对铝锂合金进行了全面研究。在此阶段，研制成功了低密度型、中强耐损伤型和高强型等一系列较为成熟的铝锂合金产品，其中具有代表性的合金有：前苏联研制成功的1420合金，美国Alcoa公司研制出的2090合金，英国Alcan公司的8090和8091合金，法国Pechiney公司开发出的2091合金等。这些铝锂合金具有密度低、弹性模量高等优点，其主要目标是直接替代航空航天飞行器中采用的传统铝合金2024，7075等，它们都得到了一定的应用：1420合金是目前应用最为成熟的铝锂合金，俄罗斯在Mig29、Su227、Su235等战斗机及一些中、远程导弹弹头壳体上都采用了1420合金构件；美国对2090合金在C217运输机及ATF高级教练机上进行了装机试验；英国研制的8090合金在欧洲的EFA2000战斗机、EH101直升机以及A330／340大型客机中也进行了大量装机试验。1．3 第三代新型铝锂合金

经过20世纪80年代的大发展，铝锂合金取得了令人瞩目的研究和应用成果。但是，人们发现第二代铝锂合金本身仍存在以下问题：1)合金的各向异性问题较普通铝合金严重；2)合金的塑韧性水平较低；3)热暴露后会严重损失韧性；4)大部分合金不可焊，降低了减重效果，铆接时往往表现出较强的缺口效应；5)强度水平较低，难以与7000系超高强铝合金竞争等。因此，进入90年代以后，人们针对铝锂合金的上述问题开展了大量研究（6-10）。铝锂 合金的发展也因此进入了第三发展阶段。

进入20世纪90年代后，世界各国在实施低成本发射装置、超轻油箱计划以及重复使用的航天器核心计划中，加强了铝锂合金研究，促进了铝锂合金的进一步发展。美国研制出了Al-Cu-Ag-Mg系具有良好可焊性的超高强Weldalite2049合金。随后在此基础上又开发成功了2094、2095、2096、2097、2195、2197及Weldalite2210等一系列改进型第3代合金。1994年美国研制出Navalite合金和C155合金。C155合金的抗疲劳裂纹性能是7055一T651铝合金的2倍，断裂韧性是70552T651铝合金的1．35倍，和20242T351铝合金相比，强度提高11％，断裂韧性提高13％，抗疲劳裂纹扩展阻力提高1倍。美国沃特飞机公司分别将C155合金、常规铝合金和碳／环氧复合材料制成飞机平尾，在性能相同的情况下，C155合金比常规铝合金轻300kg。C155合金制成的平尾质量接近碳／环氧复合材料制成的平尾，但每千克质量的价格比碳／环氧复合材料便宜480美元。

2新型铝锂合金的性能特点及其应用研究

2．1 新型铝锂合金的性能特点

新型铝锂合金主要产品形式有中厚板、薄板、挤压型材等，国外已认证或在飞机上使用的产品牌号主要有美铝的2099、2199、2397和加铝的2196、2098、2198等，部分铝锂合金具备AMS材料规范，主要应用于地板梁、机身蒙皮、长桁、框、粱、腹板等部位，它们的主要性能特点如下：

(1)适当的密度降低(一般比常规铝合金低5％～ 8％，Li<1．8％)，而不是片面的追求低密度；(2)更好的强度一韧性平衡；(3)耐损伤、抗疲劳性能优良；(4)各向异性小；(5)耐腐蚀优良；

(6)热稳定性好，有较好的耐热性；

(7)良好的加工成型性(适用于激光束焊接、搅拌摩擦焊接、时效成形；(8)更高的性价比。

根据现有资料的汇总分析，比较常规铝合金、复合材料及铝锂合金的应用情况，分析比较铝锂合金的优势，见表1。

如表1所示，在减重效果上，铝锂合金在受压及受弯曲扭转应力的部位具有优势；在结构设计技术上，现有的铝合金的设计技术在经过一定的验证后即可应用于铝锂合金，设计方法及准则更改少，与常规铝合金方案较易转换；在制造工艺性方面，铝锂合金可以大量继承传统的铝合金的工艺、装备，有较大成本优势；在维修方面，铝锂合金与常规铝合金在设计、制造、维修上的差异较小，在航线维护、维修方面的风险较小。2．2 铝锂合金性能提高的主要途径（11-12）2．2．1 微合金化

在铝锂合金中通常加入的合金元素有Cu、Mg、zr、Cd、Sc、Ce等，以影响合金的析出行为和析出相的化学成分、类型、数量、形状、尺寸和分布，改善晶界特性，可全面提高合金的各项性能。在铝锂合金中添加Cu能引入沉积强化相T(A1 CuLi)，会极大地增加合金的刚度。但cu的含量过高，会导致韧量(质量比)为1．0％ ～4．5％。Mg能促进T(Al：Cu—Li)相的析出，抑制8相的析出。所以添加Mg能够产生固溶强化，并强化无析出带，使其有害作用减 少。当在铝锂合金中同时加入cu和Mg时，还可形成S(A1：CuMg)弥散相。S相优先在位错等缺陷附降低合金共面滑移的倾向，并激发其产生交滑移，促进合金均匀变形，改善韧性。但Mg含量过高，则T相优先在晶界析出，使脆性剧增。目前商业铝锂合金中一般掺Mg量(质量比)为0．2％ ～2．3％。在合金中添加zr，能形成B’(Al，zr)相的弥散质点，一般在晶界或亚晶界析出，对晶界有钉轧作用，能抑制合金再结晶并能细化晶粒，改善合金的刚度。并且 p相还可以成为6’(A1 Li)相的成核位置，8相在其周围生长，形成牛眼状结构，提高合金的强度。同时zr还使合金的时效速率加快。但zr含量过高，将使晶界出现含zr的粗大析出物，破坏晶界性能，并使合金体积质量增大。目前商业铝锂合金限zr的含量在0．08％ ～0．10％ 左右。2．2．2 形变热处理

对固溶处理后的铝锂合金在时效前进行适当冷变形，可在合金中形成密布的位错或位错缠结，成为S、T1相非均匀形核的位置，从而增大位错不能切割的沉淀相的体积分数，减小合金的共面滑移及晶界应力集中。然后进行时效，可使时效过程中析出的第二相微粒更为弥散均匀分布，并减小无析出带宽度，从而改善合金的综合力学性能。2．2．3 纯净化

用真空纯化法，可以使合金内的碱金属和氢含量显著降低，从而使合金韧性显著提高。澳大利亚Comaleo铝有限公司利用真空纯化法，使碱金属含量由原来的(3～6)×10 降到1×10 以下，氢含量也显著降低，合金韧性得到显著提高。用此法制得的2090合金的断裂韧性比碱金属含量大于5×10的铝锂合金高得多，且在65℃下暴露1000h后韧性几乎不降低。2．2．4 再结晶、在不同方向上拉伸或冷轧、减小变形量、改变弥散相类型等方法 这些方法可以改善合金的各向异性。Alcoa、Alcan等公司利用再结晶方法制造出了各向异性小的2090、8090薄板材。O．S．Es2said等将2095板材在峰值时效前偏离轧制方向60。进行6％变形量的拉伸，发现可大大降低峰值时效产品的各向异性。美国研制的XT110、XT120、XT130、XT140四种专利合金，专门从轧制上研究减小材料各向异性的办法。2．3 铝锂合金在国外飞机上的应用

空客A380—800飞机主舱横梁采用了2196铝锂合金锻压件。A350 XWB机身为混合结构，由铝锂合金／铝合金机身框、纵梁、肋板、地板梁、起落架舱等组成“导电网络”，一方面为飞机上的电子设备提供必要的回路；另一方面，能有效防止复合材料不利于电气设备的雷击保护问题。C一17在研制中也采用大量2090铝锂合金，代替2024铝合金来实现降低结构重量的目标。图2为庞巴迪C系列材料使用情况，从图中可以看到，先进铝锂合金材料部件已经占到飞机材料使用总量的23％。

3结论

新型铝锂合金是重要的轻质结构材料，具有广阔的应用前景。但在发展过程中仍存在很多问题，如制造成本高，低韧性断裂等。因此今后还需加强以下几个方面的工作：

(1)复合微合金化是铝合金强韧化研究的一个重要方向，特别是sc与Ti、Mn、Zr等复合微合金化需深入系统地进行研究与开发。

(2)在形变热处理与分级热处理工艺和成分控制上进行更深入的研究，保证合金有最佳强韧性和抗腐蚀性的综合性能。(3)大力开展强韧性、腐蚀及疲劳断裂机理研究，获取提高强度、韧性、抗腐蚀性等的途径。铝锂合金具有减重效果明显、成本低、技术成熟度高等多项优点，在国外飞机结构设计中应用广泛。但是，我国的铝锂合金还处在,lgtt量研制阶段，在材料各项性能和应用领域方面与国外相比还有很大差距。到目前为止，仅在部分军机的普通框缘钣金结构上有过少量的应用，还没有进入工程化批量生产阶段。所以，要将铝锂合金应用在我国的大型客机 上，在设计方法、制造工艺、适航取证等方面还有很多工作要做。

参考文献：

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