航空航天行业先进材料运用情况 - 图文(2)

3.铝锂合金

3.1概述

AI-Li系合金是近年来引起人们广泛关注的一种新型超轻结构材料。该合金的研制与应用，标志着半个多世纪以来铝合金领域的重要发展。

锂是一种极为活泼且很轻的化学元素，密度为0．533g·cm—3，为铝的1／5，铁的1／15。锂元素为地球存在较多的金属，同时海水中还有相当大的含量。

在铝合金中加入锂元素，可以降低其密度，并改善合金的性能。例如，添加锂2％-3％，合金密度可减少10％，比刚度可增加20％—30％，强度可与LYl2媲美。

锂在铝中的溶解度随温度变化而改变。当锂含量大于3％时，A1-Li合金的韧性明显下降，脆性增大。因此，其合金中的锂含量仅为2％—3％。 A1-Li系合金具有密度小，比强度高，比刚度大，疲劳性能良好，耐蚀性及耐热性好等优点(在一定热处理条件下)。但A1-Li系合金的塑性和韧性差，缺口敏感性大，材料加工及产品生产困难。

用Al-Li合金制作飞机结构件，可使飞机减重10％—20％，可提高飞机的飞行速度和承载能力。因此，AI-Li合金是一种在航空、航天领域中很有竞争力的一种新型超轻结构材料，已受到世人的关注。A1-Li合金的价格是硬铝价格的2—3倍，若在海水中萃取锂的技术获得成功，则可得到价格便宜的锂材料。

目前在美国、英国、法国和前苏联等国家已成功研制出A1-Li合金并将其用于实际生产中，已开发的Al-Li合金大致有三个系列：A1-Cu-Li系合金、A1-Mg-Li系合金和AI-Li-Cu-Mg-Zr系合金等。

（图一）Al-Li二元相图

3.2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。

（图二）铝锂材料性能优势分析

（图三）一些第三代铝锂合金的典型性能

（图四）主要铝锂合金的力学性能

3.3铝锂合金的应用

3.3.1铝锂合金的航空应用

Al-Li合金已经在军用飞机、民用客机和直升飞机上使用或试用，主要用于机身框架、襟翼翼肋，垂直安定面、整流罩、进气道唇口、舱门、燃油箱等等。

早在20世纪50年代，美国就开发了x2020铝锂合金后来用来取代7075用于RA-SC预警机。美国一公司将C-155铝锂合金用于波音777和空中客车A330/340飞机的垂尾和平尾，该合金比普通铝合金有更好的抗疲劳性能和高的强度。其中A330/340飞机每架使用Al-Li合金650kg，可使飞机减重达4250kg，可以提高有效载荷及降低燃料消耗。麦道公司的C-17运输机使用了铝锂合金板材和挤压型材制造货舱的地板梁、襟翼副翼蒙皮等结构，用量达2.8t，比用普通铝合金减重208kg，法国幻影式战斗机上也大量应用铝锂合金，其成本低于热固塑料和金属基复合材料。在1988年的时候，洛克希德·马丁战术飞机系统公司、洛克希德·马丁航空系统公司和雷诺兹金属公司就开始AA2l97合金研制的联合计划，为军用歼击机隔板和舱壁生产重载厚板。1996年6月，雷诺兹金属公司开始售出第一批AA2l97合金板材，用于取代其它材料制造美国空军F－16飞机的后部隔板(舱壁)和其它零件。欧洲试验型战斗机EFA其前部所有薄板状零件皆由8090薄板制成，占所有材料的9%，驾驶舱内使用了不少A1-Li合金，其中用A1-Li超塑成形工艺制造的电子设备室的盖板长达1.5m。英、意合作生产的大型直升机EH101上，其机身框架、蒙皮和内部结构使用了相当多的A1－Li合金板材和锻件，每架质量减轻200kg。而据估计，直升机在整个服役期间每减轻1kg增加经济效益高达3000英镑。

在航空铝锂合金的研究和应用方面，前苏联及俄罗斯也一直处于世界的领先地位，比较有代表性的有01420、01421（含钪）、01423（含钪）、01430、01440、01450等。早在20世纪70年代，前苏联就将铝锂合金用于制造雅克－36飞机的主要构件，包括机身蒙皮、尾翼、翼肋等，该飞机在恶劣的海洋气候条件下使用，性能良好。20世纪90年代初又在米格－29和米格－31飞机上采用1420合金焊接结构，使减重效果进一步提高。米格－29使用了1420合金薄板、模锻件、挤压壁板等制造机身、驾驶员座舱、油箱等，每架飞机铝锂合金用量达3.8t。采用焊接油箱后减重达24%，其中12%是由于材料比重的降低，12%是由于焊接结构减少了铆钉、螺钉、密封剂和搭接部分而达到的。1420合金在其它飞机，如运输机、客机、直升机上用量也相当可观。安－124用量近8t，图－204用量2.7t，米－26用量1.8t，还有伊尔－86、安－72等也都采用了A1-Li合金。近年来，Al-Li合金也大量用在苏－27、苏－35、苏－37等战斗机上，以及远程导弹弹头壳体等。

（图五）A380铝锂合金使用情况

（图六）庞巴迪C系列材料使用情况

2.3.2铝锂合金的航天应用

对于航天飞行器结构，质量的减轻可增加有效载荷，而有效载荷每增加1kg可带来4,400～110,000美元的效益。因此，由于Al-Li合金密度低、性能好的特点，在很多航天飞行器中都采用Al-Li合金结构。

美国洛克希德导弹和空间公司(LMSC)制造的飞行器使用低密度、中等强度和高刚度的材料，因此大量采用Al-Li合金产品。从20世纪80年代中期开始，大量选用8090及普通加工方法生产各种锻件、厚板、薄板与挤压件。LMSC在大力神有效载荷转接器上使用8090板材，减轻质量180kg。该公司使用AA2195合金生产的新的航天飞机“超轻型油箱”，长达47m，直径达8.4m，用于盛装低温燃料和液态氢。AA2195合金的使用使油箱减轻5%（减重近3400kg），强度提高30%，有效地增加了有效载荷，节约成本约7500万美元。麦道空间系统公司采用2090－T81板材制成直径2.44m，长3.05m的低温箱，用于三角翼火箭盛放燃料和液氧的容器，质量减轻15%。美国通用动力空间公司在阿特拉斯和半人马运载火箭上的三个部件采用2090合金，总量达70kg，质量较2024减轻8%。1997年12月的美国“奋进号”航天飞机外贮箱采用2195代替2219，运载能力提高了3.4t。 Al-Li合金在俄罗斯的航天业中也有很多的应用。俄罗斯在1450合金基础上添加0.20%的Sc元素研制出1460合金，有更优良的性能，将其应用于大型运载火箭“能源号”的结构件上。此外，还用在其它火箭、“暴风雪”号航天飞机和空间站的结构件上。