1、铝锂合金研究进展D evelopm en t of A lum inum 2L ith ium A lloys杨守杰 , 陆 政 , 苏 彬 , 戴圣龙 , 刘伯操 , 颜鸣皋 (北京航空材料研究院 , 北京 100095)YAN G Shou2jie, LU Zheng, SU B in, D ai Sheng2long, L IU Bo2cao, Yan M ing2gao( In stitu te of A eronau ticalM aterials, Beijing 100095, Ch ina)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划分成了三代 ,
2、并重点介绍了第三代铝锂合金的发展情况 , 其最引人瞩目的是高强可焊铝锂合金的兴起和低各向异性厚板材的生产。分析认为 , 第三代铝锂合金的发展趋势是有针对性地提高合金的某方面性能。关键词 : 铝锂合金 ; 各向异性 ; 性能中图分类号 : T G11115 文献标识码 : A 文章编号 : 100124381 (2001) 0520044204Abstract: T he h isto ry of alum inum 2lith ium alloys w as review ed1 It can be concluded that the alloyscou ld be classified t
3、h ree generation s acco rding to tim e and their p roperties1 Fu rther m o re, the de2velopm en t of the th ird generation of A l2L i alloys w ere investigated in detail1 A tendency of the th irdgeneration of A l2L i alloys is to develop som e new alloys w ith certain excellen t p roperties1Key word
4、s: alum inum 2lith ium alloy; an iso tropy; p roperty在铝合金中加入金属元素锂 (L i) , 可在降低合金密度的同时提高合金的弹性模量。研究表明 , 在铝合金中每添加 1% 的 L i, 可使合金密度降低 3% , 而弹性模量提高 6% , 并可保证合金在淬火和人工时效后硬化效果良好。因此 , 铝锂合金作为一种低密度、高弹性模量、高比强度和高比刚度的铝合金 , 在航空航天领域显示出了广阔的应用前景。铝锂合金的材料制备及零件制造工艺都与普通铝合金无原则上的差别 , 可沿用普通铝合金的技术和设备 ; 用铝锂合金替代飞机上使用的传统铝合金 , 不
5、需要对适航条例作大的修改 ; 另外 , 铝锂合金的成形、维修等都较复合材料方便 , 成本也远远低于复合材料。因此 , 铝锂合金是当代航空航天结构的重要候选材料之一 1 4 。1 铝锂合金发展简史铝锂合金的发展大体上可划分为三个阶段 , 相应出现的铝锂合金产品可以划分成三代。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 60 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 L i 的铝合金 Scleron 5 , 但是 , 直到1957 年美国 A lcoa 公司研究成功 2020 合金 6 , 1961年前苏联开发出 23 合金 7 , 铝锂合金
6、才真正引起人们的注意。美国将 2020 合金应用于海军 RA 25C 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 6 。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。 A lcoa 公司于 1969年停止了 2020 合金的生产。此后 , 铝锂合金在欧美等国进入了一个相对停滞的时期。20 世纪 70 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
7、, 即第二阶段。第二阶段可称之为大发展阶段 , 或是繁荣阶段 , 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 A lcoa 公司研制出的 2090 合金 , 英国 A lcan 公司的 8090 和 8091 合金 ,法国 Pech iney 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
8、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。它们都获得了一定的应用 8 。 1420 合金是目前应用最为成熟的铝锂合金 , 俄罗斯在 M ig29, 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 A T F 高级教练机上进行了装机试验 ; 8090 合金在欧洲的 EFA 2000 战斗机 , EH 101 直升机以及44 材料工程 2001 年 5 期 A 330 340 大型客机中也进行了大量装机试验。经过 20 世纪 80 年代的大发展 , 铝锂合金取得了令
9、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 : 合金的各向异性问题较普通铝合金严重 ; 合金的塑韧性水平较低 ; 热暴露后会严重损失韧性 ; 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 ;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 , 开发出了一些具有一定特殊优势的铝锂合金。铝锂合金的发展也因此进入了第三发展阶段。目前 , 已开发出的新型铝锂合金主要有高强可焊的1460 9 和 W eldalite 系列 10 合金 , 低各向异性的 A F C2489
10、11 , A F C2458 合金 22 , 高韧的 2097, 2197 合金 , 高抗疲劳裂纹的 C2155 合金 12 , 及经特殊真空的XT 系列 13 合金等。这些新出现的铝锂合金可统称之为第三代铝锂合金。其中对高强可焊合金和低各向异性合金的研究最多 , 是第三代铝锂合金的发展方向。2 第三代铝锂合金的成分及性能第一代铝锂合金现已很少使用 , 而第二代铝锂合金也已进入工业化生产和商品化应用阶段。近几年来 , 由于一些具有特殊优异性能的第三代铝锂合金的兴起 , 铝锂合金的研究重又引起了人们的兴趣。表 1 和表 2 给出了第三代主要铝锂合金产品的成分及性能。可见 , 在合金成分设计上 ,
11、 第三代铝锂合金降低了 L i 含量 , 而增加了 Cu 含量 , 并且往往添加一些新的合金化元素 A g, M n, Zn 等 ; 在性能水平上 , 第三代铝锂合金较以往铝锂合金都有了较大幅度的提高 , 其中尤以低各向异性铝锂合金和高强可焊铝锂合金最引人注目。表 1 第三代主要铝锂合金的化学成分T able 1 T he compo sition of the th ird generation of A l2L i alloys (w t% )L i Cu M g Zr A g Zn M n O thers1460 119 215 215 315 0112 Sc: 0110 0120W e
12、ldalite049 017 118 213 512 0125 018 0114 0125 018 2094 113 415 014 0114 014 2095 111 412 019 0114 014 2096 113 119 213 310 0125 019 0114 0125 016 2195 018 112 317 413 0125 018 0114 0125 016 ) 影响最大 , B s 织构密度越大 , 合金的 IPA 值也越大 , 合金的各向异性越明显。4 高强可焊铝锂合金的研制和应用从 1987 年开始 , 全俄航空材料研究院就着手研制新的高强度、可焊铝锂合金 , 准备用以
13、替代 1201 铝合金 (相当于美国的 2219 合金 ) , 合金牌号定为 1460。到 1990 年 , 已可生产多种标准成分的 1460 合金半成表 3 铝锂合金不同位向上的断裂韧性T able 3 T he fracture toughness on differento rient of A l2L i alloys合金及其状态K C 或 K IC M Pa m 1 2L 45 L 2T S2T2090T 8E41 36 33 26 172091T 8X 46 258090T 8X 55 49 36 138091T 8X 20 9品。 1460 合金中含有少量的稀土元素 Sc, Sc
14、 可以大幅度提高铝锂合金的综合性能。总的说来 , 1460 合金与1201 相比 , Rb、 R012分别提高 25% 和 35% , 质量减轻20% 225% , 疲劳寿命提高 20% 230% , 而焊接性能相当 18 。俄罗斯在“能源号”运载火箭中用 1460 合金制作了长 26m , 直径 615m 的超低温燃料储箱。麦道公司的 X233 运载火箭验证机 DC2A X 中 , 也采用了俄罗斯制造的长 211m , 直径 2143m 的液氧储箱。图别列夫设计局计划用 1460 合金在图 - 156 飞机上制造三64 材料工程 2001 年 5 期 个液化天然气的低温储箱 , 这种箱子长
15、6m , 直径 1m ,厚度 6mm , 安装在机身下 , 是飞机上的承力结构。此外 , 图别列夫设计局还计划在更先进的图 - 204、图 -334 飞机的低温燃料箱上使用 1460 合金制造。美国的 R eyno lds 金属公司和 M artin M aritta 公司 (现为 L ookheed M artin 公司 ) 合作 , 也在 20 世纪80 年代后期开发出了 W eldalite 铝锂合金系列 , 主要包括 2094, 2095, 2096, 2195 等牌号。这些合金强度可达 690M Pa, 其强度水平居铝合金前列。此外 , W el2dalite 系列在多种焊接工艺下均
16、可形成致密的焊缝 ,不易形成气孔和裂缝 , 其焊缝抗拉强度和断裂韧性较2219 合金均提高 30% 左右。迄今为止 , 2195 合金是W eldalite 家族中应用最广的铝锂合金 19, 20 。 1994 年 ,美国航空航天管理局 (NA SA ) 选用 2195 合金制作L ookheed M artin M anned Space System E 航天飞机的“超轻型油箱” , 该油箱长 46188m , 直径 8138m , 用2195 替代 2219 后强度提高 30% , 减重 5% , 达3400kg。上述高强可焊铝锂合金均属于 A l2Cu2L i 系 , 与第二代铝锂合金
17、相比 , 其 Cu L i 比高出很多 , 这主要是因为人们发现片状的 T 1 相 (A l2CuL i) 是铝合金中最具有潜力的强化相 , 高 Cu L i 比成分下 , 合金的主要析出强化相是 T 1 而不是 D相 (A l3L i) , 当加入合金元素 A g 后 , 还可大大提高合金的强度。此外对铝锂合金可焊性与合金成分的研究表明 , 高 Cu L i 比合金的焊接性能更好。近来 , 全俄轻合金研究院、全俄航空材料研究院和德国的 D aim ler2Benz R esearch and T echno logy(D asa) 合作 , 在 1460 合金成分的基础上加入 015%M g
18、, 013%M n, 研制成功了一种新型高强可焊铝锂合金 , 该合金屈服强度比 1460 提高 5% , 而延伸率提高100% , 合金的断裂韧性达 112M Pa m 1 2 (注 : K Q值 ) , 即使在 85下暴露 1000h, 断裂韧性仍高达89M Pa m 1 2。它可用来替代不可焊的 7075, 7050 合金和可焊的 2219 合金 21 。5 结束语高强可焊铝锂合金的兴起和低各向异性厚板材的生产是近年来铝锂合金研究中取得的最大进展。这主要是因为一方面人们的兴趣已不再放在低密度上 ,而是更加看重 L i 的加入可获得好的其它性能方面 ;另一方面是因为人们对铝锂合金的合金化和生
19、产、成形工艺过程进行了更加深入的研究。可以预见 , 随着新合金的不断涌现及成熟合金的推广应用 , 铝锂合金将再一次成为人们注目的焦点。而有针对性地提高合金的强塑性、韧性以及其成型加工性能如低各向异性、良好的可焊性等 , 将是新一代铝锂合金发展的思路。参考文献 1 R Grim es, A J Co rnish, W S M iller and M A Reyno lds1M etalsand M aterials, 1985, 1: 3571 2 E J L avernia, N J Grand1 Journal ofM aterials Science, 1987, 22:5211 3 C
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