铝锂合金在航空制造业中的应用现状及发展趋势

《航空制造中的材料科学》

课程报告

学号：061410336

姓名：王昊 2015.04.08

铝锂合金在航空制造业中的应用现状及发展趋势

随着航空制造业的发展，新型航空制造技术和装备要求所需的材料也在不断变化。其中，铝锂合金因其优异性能被广泛应用。

铝是银白色的轻金属，相对密度2.702g/cm 3。铝在地壳中的含量为8%，仅次于氧和硅。纯铝较软，有良好的延展性、导电性和导热性。锂是一种银白色的金属元素，质软，是密度最小的金属。铝锂合金就是把锂作为合金元素加到金属铝中形成的合金。 一、

铝锂合金的发展及性能

铝锂合金发展至今已有80多年，大致可分为三代。

表-铝锂合金分类及发展[1]

发展阶段 初期 第一代合金 合金牌号 Scleron 2020 BA-23 第二代合金 1420 2090 2091 8090、8091 第三代合金 研制年代 1924 1957 1961 1965 1984 1984 1984 研制国家 德国 美国 前苏联 前苏联 美国 法国 英国 前苏联 中强型 高强型 Al-Cu-Li-Mg Al-Cu-Li-Mg 高强型 Al-Cu-Li-Mn 分类 1441、1450、1989 1460 Weldalite -049系列 2097、2197 2198、2196

1989 90年代 1989 美国 高可焊性 美国 加拿大 高韧性 高强可焊 第一阶段为初步发展阶段。 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。

20世纪70年代至80年代后期，铝锂合金得到了迅猛发展。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。

进入20世纪90年代后，美国研制出了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。

在金属铝中加入锂之后，合金的密度会将低，刚度会增加，同时仍然保持较高的强度、较好的抗腐蚀性和抗疲劳性、延展性。所以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。

二、

铝锂合金的应用

铝锂合金的应用主要集中在航空航天领域。例如麦道公司的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。

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。

铝锂合金应用于航天器时，因为应用了低密度合金材料而使质量减轻，从而

节约航天器的燃料消耗，提高其性能。与新型材料体系例如纤维加固复合物相比，低密度铝锂合金不需要因新的制造设备而投入大量资金。这样由于复合材料质量轻而节约的费用远不能抵消由于设备的投资费用，所以在一些应用方面， 铝锂合金比复合材料更有实质的效果。通常铝锂合金的抗疲劳裂纹扩展能力很高，这对于耐损结构很重要。[2]

正因为如此，铝锂合金如今已经在军用飞机、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。

三、

铝锂合金的发展现状

高强可焊铝锂合金的兴起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放在低密度上，而是更加看重li的加入可获得更好的其它性能方面；另一方面是因为人们对铝锂合金的合金化和生产、成型工艺过程进行了更加深入的研究。[3]

铝锂合金在国外飞机结构设计中应用广泛。但是，我国的铝锂合金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。国内某些高等院校及研究所正在做这方面的工作，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。

铝锂合金的应用还存在许多问题，首先是价格。由于金属锂比较贵，熔铸工艺复杂和废料回收未解决，目前铝锂合金的价格为常用铝材的2~4倍；其次是产品质量和生产规模。铝锂合金的挤压件和薄板性能已满足标准，而锻件和厚板的短横向断裂韧性、抗应力腐蚀断裂还不理想。因此，世界各大民航机制造商暂时只在非关键部位使用铝锂合金。[4]

四、铝锂合金的发展趋势[5]

近年来铝锂合金的发展呈现以下趋势: （1）超强、超韧性方向发展

美国在20世纪90年代开发的Weldalite-210型合金的拉伸强度超过了

760MPa,几乎是2219合金的2倍,屈服强度达到740MPa,是目前所有铝合金中强度最高的,并且有良好的断裂韧性(约为33.5MPa?m1/2)。近年美国研制成功的XT系列铝锂合金具有良好的抗应力腐蚀破裂能力,在同样强度水平下,其韧性大大优于普通的铝锂合金。 (2)超低密度化发展

目前国外正在研制Li含量为3.5%~5.0%的超低密度铝锂合金,与7XXX系合金相比,密度降低16%~17%,模量增加24%~30%,其它性能相当。Co-spray公司已生产出VL30和VL40合金,含Li量分别为3%和4%,其中VL40合金刚度比8090合金大10%,有极好的抗腐蚀性。 (3)焊接性能的改善

20世纪90年代,俄罗斯在Al-Li-Cu-Zr系基础上进一步研究了Cu和Li的含量,研究了Sc对合金的焊接性能影响,从而研制出新型高强可焊合金1460。Matin公司的Weldalite-049、Weldalite-210合金在Al-Li-Cu-Mg的基础上添加了Ag,获得了良好的焊接性能和低温性能。 (4)各向异性的改善

铝锂合金的各向异性较常规的铝合金要高,这主要是由较高程度的变形织构和铝锂合金沉淀相强烈的相互作用引起的。目前,国内外对改善铝锂合金的各向异性展开了一些研究。 (5)热稳定性的改善

时效处理后的铝锂合金在70℃左右保温后强度增强而韧性大大降低,这是多年来的一个应用障碍。近来,E.S.Balmuch等研究表明,如果要使Al-Li-Cu-X系合金在65~135℃暴露后变脆的可能性最小,则选择时效后Al3Li相不存在的成分,会大大改善铝锂合金的热稳定性。

五、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。[6]

随着新合金的不断涌现及成熟合金的应用推广，铝锂合金将再一次成为人们注目的焦点。而有针对性的提高合金的强塑性、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]铝锂合金先进制造技术及其发展趋势

[2]霍红庆等 航天轻型结构材料——铝锂合金的发展

[3] 杨守杰,陆政,苏彬,戴圣龙,刘伯操,颜鸣皋 铝锂合金研究进展 [4]黄光杰、汪凌云 铝锂合金的发展、应用和展望

[5]吴静 铝锂合金的研究与发展——中国工程物理研究院流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理实验室 [6] 铝锂合金的发展及应用

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/5b5x.html