鋁鋰合金材料是近年來(lái)航空航天材料中發(fā)展迅速的一種先進(jìn)輕量化結(jié)構(gòu)材料，具有密度低、彈性模量高、比強(qiáng)度和比剛度高、疲勞性能好、耐腐蝕及焊接性能好等諸多優(yōu)異的綜合性能。用其代替常規(guī)的高強(qiáng)度鋁合金可使結(jié)構(gòu)質(zhì)量減輕10%——20%，剛度提高15%——20%，因此，在航空航天領(lǐng)域顯示出了廣闊的應(yīng)用前景。
　　雖然鋁鋰合金在航空航天領(lǐng)域顯示出了廣闊的應(yīng)用前景。但是由于其成本比普通鋁合金高、室溫塑性差、屈強(qiáng)比高、各向異性明顯、冷加工容易開(kāi)裂等，導(dǎo)致其成形難度大，目前只能成形較簡(jiǎn)單的零件，難以制造復(fù)雜的零部件，從而限制了其在結(jié)構(gòu)部件方面的應(yīng)用。近年來(lái)，國(guó)外鋁鋰合金的研制和成形技術(shù)日漸成熟，不僅在軍用飛機(jī)和航天器上大量應(yīng)用；而且民用飛機(jī)鋁鋰合金的用量也呈增加態(tài)勢(shì)，如“奮進(jìn)號(hào)”航天飛機(jī)的外貯箱、空客A330/340/380等系列飛機(jī)。在我國(guó)，由于鋁鋰合金熔鑄工藝，板料軋制擠壓技術(shù)不成熟，新型鋁鋰合金的開(kāi)發(fā)研制相對(duì)落后，目前只在某些型號(hào)的航天器中有少量應(yīng)用。
　　1、先進(jìn)鋁鋰合金發(fā)展現(xiàn)狀
　　按照鋁鋰合金研制的歷史進(jìn)程和成分特點(diǎn)，可以將其劃分成3個(gè)階段。
　　第 一階段為初步發(fā)展階段，該階段的時(shí)間跨度大約為20世紀(jì)50年代至60年代初。其主要代表為1957年美國(guó)Alcoa公司研究成功的2020合金，并將其應(yīng)用于海軍RA-5C軍用預(yù)警飛機(jī)的機(jī)翼蒙皮和尾翼水平安定面上，獲得了6%的減重效果。前蘇聯(lián)在60年代成功研制了BAⅡ23合金。但這兩款合金延展性低，缺口敏感性高、加工生產(chǎn)困難等，無(wú)法滿足航空生產(chǎn)及性能要求，未取得進(jìn)一步的應(yīng)用。
　　20世紀(jì)60年代中期，迫于能源危機(jī)的壓力，鋁鋰合金被重新重視，并進(jìn)入了快速發(fā)展階段，即第二階段。在這一時(shí)期，鋁鋰合金得到了迅猛發(fā)展和全面研究，其中具有代表性的合金有：前蘇聯(lián)研制的1420合金，美國(guó)Alcoa公司的2090合金，英國(guó)Alcan公司的8090和8091合金等。這些合金具有密度低、彈性模量高等優(yōu)點(diǎn)，可用其替代航空航天器部分2xxx和7xxx鋁合金。如前蘇聯(lián)在米格-29、蘇-35等戰(zhàn)斗機(jī)及一些遠(yuǎn)程導(dǎo) 彈彈頭殼體上采用了1420合金構(gòu)件。第二代鋁鋰合金雖取得了令人矚目的研究和應(yīng)用成果，但是由于存在嚴(yán)重的各向異性，且塑韌性低、熱暴露嚴(yán)重、韌性損失，大部分合金不可焊等，使其難以與7xxx鋁合金競(jìng)爭(zhēng)。
　　20世紀(jì)80年代末期，以美國(guó)的Weldalite049系列合金為典型代表的第三代高強(qiáng)可焊鋁鋰合金相繼被研發(fā)出來(lái)，并已成功應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域中。目前，新型第三代鋁鋰合金向著超強(qiáng)、超韌、超低密度等方向發(fā)展，其中高強(qiáng)可焊合金和低各向異性合金的研究較多。此外，還研制出了具有各向同性、以顆?；蚓ы歋iC陶瓷為增強(qiáng)體的鋁鋰金屬基復(fù)合材料，其彈性模量達(dá)130GPa，成為在航空航天領(lǐng)域中其他復(fù)合材料強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)者。
　　2、鋁鋰合金在航空航天中的應(yīng)用及其發(fā)展趨勢(shì)
　　據(jù)統(tǒng)計(jì)，每減輕1kg結(jié)構(gòu)重量可以獲得10倍以上經(jīng)濟(jì)效益，所以密度較低的鋁鋰合金受到航天工業(yè)的廣泛重視。鋁鋰合金已在許多航天構(gòu)件上取代了常規(guī)高強(qiáng)鋁合金。其中，美國(guó)的應(yīng)用發(fā)展非?？?，在航天工業(yè)上的應(yīng)用尤為突出。洛克希德·馬丁公司利用8090鋁鋰合金制造了“大力神”運(yùn)載火箭的有效載荷艙，減重182kg。
　　1994年，為解決“奮進(jìn)號(hào)”航天飛機(jī)外貯箱的超重問(wèn)題，洛克希德·馬丁公司聯(lián)合雷諾茲金屬公司研發(fā)出新型2195材料以取代之前的2219合金。該合金的密度比2219合金的輕5%，而其強(qiáng)度則比后者高30%。采用2195制造的整體焊接結(jié)構(gòu)貯箱，減輕重量3405kg，其中液氫箱減重1907kg，液氧箱減重736kg，直接經(jīng)濟(jì)效益近7500萬(wàn)美元，因此被稱為超輕燃料貯箱（SuperLight Weight Tank）。俄羅斯在鋁鋰合金的研究、生產(chǎn)和應(yīng)用方面也一直處于領(lǐng)先地位，為提高載荷能力，航天飛機(jī)的外燃料貯箱便采用鋁鋰合金制成，“能源號(hào)”運(yùn)載火箭的低溫貯箱是采用1460鋁鋰合金制成。
　　在航空領(lǐng)域，許多先進(jìn)的戰(zhàn)斗機(jī)和民用飛機(jī)都選用了鋁鋰合金。1988年，洛克希德·馬丁戰(zhàn)斗飛機(jī)系統(tǒng)公司、航空器系統(tǒng)公司與雷諾茲金屬公司共同制定了開(kāi)發(fā)2197合金應(yīng)用的計(jì)劃——用其厚板制造戰(zhàn)斗機(jī)艙壁甲板。1996年，美國(guó)空軍F-16型飛機(jī)開(kāi)始用此合金厚板制造后艙甲板及其他零部件。
　　除美國(guó)外，其他國(guó)家，如俄國(guó)、英國(guó)、法國(guó)等都在積極推進(jìn)鋁鋰合金在航空航天器上的應(yīng)用：威斯特蘭（Westland）EH101型直升機(jī)25%的結(jié)構(gòu)件是用8090合金制造的，其總質(zhì)量下降約15%；法國(guó)的第三代拉費(fèi)爾（Rafele）戰(zhàn)斗機(jī)計(jì)劃用鋁鋰合金制造其結(jié)構(gòu)框架；俄羅斯在雅克-36、蘇-27、蘇-36、米格-29、米格-33等戰(zhàn)斗機(jī)都有大量零部件是用鋁鋰合金制造的。
　　在民用飛機(jī)方面，空中客車工業(yè)公司的A330、A340和A380客機(jī)上都使用了鋁鋰合金，其中，A330和A340每架飛機(jī)約有3t的鋁鋰合金用于機(jī)身結(jié)構(gòu)、桁條等部件，目前較新型的A350客機(jī)在原有基礎(chǔ)上，首次在機(jī)身蒙皮上使用全新的2198鋁鋰合金。美國(guó)的波音747、777客機(jī)、麥道系列飛機(jī)等均使用了鋁鋰合金，其使用部位包括燃料箱、隔框、機(jī)翼蒙皮、前緣、后緣等。龐巴迪C系列飛機(jī)機(jī)身也將全部采用全新的鋁鋰合金。
　　3、鋁鋰合金的先進(jìn)制造技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì)
　　超塑成形及擴(kuò)散連接技術(shù)
　　超塑成形及超塑成形/擴(kuò)散連接技術(shù)（SPF及SPF/DB）是利用材料的超塑性，對(duì)形狀復(fù)雜、難以加工的薄壁零件，采用吹塑、脹形等方法進(jìn)行成形的過(guò)程，是一種幾乎無(wú)余量、低成本、高效的特種成形方法。鋁鋰合金與其他超塑材料一樣可以通過(guò)合金化或者機(jī)械熱處理獲得均勻、細(xì)小、等軸晶而產(chǎn)生超塑性能。鋁鋰合金的SPF研究始于1980年，在1982年的范堡羅國(guó)際航空展覽會(huì)上英國(guó)超塑性成形金屬公司首次演示了鋁鋰合金的超塑性現(xiàn)象及其超塑F零件。
　　美國(guó)Weldalite049合金具有異的超塑性，在507℃固溶處理，不加反壓，4×10-3應(yīng)變速率下，延伸率可達(dá)829%。這一應(yīng)變速率明顯高于其他鋁合金的應(yīng)變速率，這對(duì)解決超塑工藝速度低的問(wèn)題有重要意義。俄羅斯已經(jīng)對(duì)1420采用SPF工藝加工了許多飛機(jī)的零部件，有的尺寸達(dá)1200mm×600mm。
　　國(guó)內(nèi)航天材料及工藝研究所、北京航空制造工程研究所等科研單位針對(duì)鋁鋰合金的SPF及SPF/DB組合工藝進(jìn)行了大量的開(kāi)拓性工作，取得了很多成果。目前，鋁鋰合金的超塑成形正由次承力構(gòu)件向主承力構(gòu)件發(fā)展，并且由單一的超塑成形向超塑成形/擴(kuò)散連接的組合工藝發(fā)展，使鋁鋰合金加工成本更低，結(jié)構(gòu)更具整體性、輕質(zhì)量。
　　旋壓技術(shù)（Spin Forming）
　　旋壓技術(shù)是一項(xiàng)綜合了鍛造、擠壓、拉伸、彎曲等工藝特點(diǎn)的少無(wú)切削加工的先進(jìn)工藝。剪切旋壓是近年來(lái)在傳統(tǒng)旋壓技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新型旋壓技術(shù)，它不改變毛坯的外徑而改變其厚度來(lái)實(shí)現(xiàn)制造圓錐等各種軸對(duì)稱薄壁件的旋壓方式（錐形變薄旋壓）。這種成形方法的特點(diǎn)是旋輪受力較小，半錐角和壁厚互相影響，材料流動(dòng)流暢，表面粗糙度好和成形精度高，并且能較容易地成形、拉伸、旋壓難于成形的材料。航天器上許多Al-Li合金構(gòu)件都是空心回轉(zhuǎn)體薄殼結(jié)構(gòu)，特別適合用旋壓法加工，其中較典型的零件是運(yùn)載火箭低溫貯箱的圓頂蓋。
　　美國(guó)“大力神”運(yùn)載火箭圓頂蓋采用3塊直徑為0.65m，厚為10.7mm的Weldalite049板材旋壓制造。其中1塊中部是使用變極性等離子弧焊（VPPA）焊接，經(jīng)過(guò)343℃/4h去除應(yīng)力，旋壓時(shí)，所有毛坯用火焰加熱保持317℃；成形后進(jìn)行505℃/0.5h固溶處理，水淬；再經(jīng)177℃/18h人工時(shí)效，測(cè)得其室溫拉伸強(qiáng)度達(dá)600MPa左右，-196℃時(shí)增加到700MPa，且有很好的斷裂韌性?！皧^進(jìn)號(hào)”航天飛機(jī)的外貯箱圓頂蓋也采用了相同的旋壓技術(shù)，并在外貯箱的筒段采用了先進(jìn)的剪切旋壓技術(shù)。
　　輥鍛成形技術(shù)（Roll Forging）
　　Al-Li合金特別是Weldalite系列合金和1420合金具有良好的鍛造性能，用它們制造的模鍛件不會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂，這已被150多種鍛件所證實(shí)。因而將其應(yīng)用于航空航天工業(yè)具有廣闊的前景。輥鍛是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新型近凈成形技術(shù)，將材料在一對(duì)反向旋轉(zhuǎn)模具的作用下產(chǎn)生塑性變形得到所需鍛件或鍛坯的塑性成形工藝。輥鍛成形的發(fā)展有兩個(gè)重要領(lǐng)域。
　　其一，是在長(zhǎng)軸類鍛件生產(chǎn)上實(shí)現(xiàn)體積分配與預(yù)成形，減少成形負(fù)荷，組成精輥精鍛復(fù)合生產(chǎn)線，用較少投資大批量生產(chǎn)復(fù)雜鍛件。其二，是精密輥鍛技術(shù)，包括冷精輥技術(shù)。在板片類零件的精密成形上有良好的發(fā)展前景，如在葉片成形與變截面鋼板彈簧上均有優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)輥鍛成形的兩個(gè)方向被成功應(yīng)用于鋁鋰合金的環(huán)形鍛件和帶筋條的鈑金件。如“奮進(jìn)號(hào)”航天飛船外貯箱的“Y”形框和對(duì)接環(huán)。
　　焊接技術(shù)（Welding）
　　焊接是制造鋁鋰合金航空航天產(chǎn)品如貯箱、彈頭外殼等的主要工藝之一。前蘇聯(lián)研究1420合金的焊接時(shí)間長(zhǎng)達(dá)10多年，從焊接工藝方法、焊接組 織、焊接性能及焊后熱處理都進(jìn)行了深入的理論研究和探討。20世紀(jì)80年代還開(kāi)展了1460高強(qiáng)合金可焊性的研究。采用鎢極氫弧焊（GTAW）和真空電子束焊（EB）工藝的1460合金，已成功用于制造“能源號(hào)”運(yùn)載火箭貯箱。
　　美、歐等國(guó)的鋁鋰合金焊接始于20世紀(jì)80年代初，與俄國(guó)不同的是，美國(guó)特別注重焊接裂紋的研究。美國(guó)采用的焊接方法主要有GTAW、EB、VPPA（變極性等離子弧焊）等，并用VPPA法焊接了Weldalite049合金制造的航天飛機(jī)外貯箱，Alcoa公司采用EB焊對(duì)12.7mm厚的2090合金板材施焊，焊透率達(dá)100%。
　　近幾年2種新型焊接技術(shù)：攪拌摩擦焊和激光焊接技術(shù)也開(kāi)始應(yīng)用于鋁鋰合金制造研究。美國(guó)洛克希德·馬丁公司用攪拌摩擦焊對(duì)2.3——8.5m厚的2195AI-Li合金及2219合金板材進(jìn)行焊接，發(fā)現(xiàn)接頭強(qiáng)度可提高15%——26%，焊縫斷裂韌性增高30%，塑性提高1倍，焊縫組 織極細(xì)小?？湛凸窘?jīng)過(guò)20多年的努力利用激光焊接技術(shù)制造了大型客機(jī)用雙光束“T”結(jié)構(gòu)件，并成功應(yīng)用于A330、A340、A380等客機(jī)機(jī)身壁板上。
　　新型熱處理工藝技術(shù)
　　鋁鋰合金的主要優(yōu)點(diǎn)是密度低、比模量高、耐腐蝕強(qiáng)等，綜合性能較常規(guī)高強(qiáng)度鋁合金優(yōu)異。但在以壓應(yīng)力為主的變振幅疲勞試驗(yàn)中，鋁鋰合金的這一優(yōu)點(diǎn)不復(fù)存在，主要原因在于，其峰值強(qiáng)度材料短-橫向的塑性與斷裂韌性低，各向異性嚴(yán)重，人工時(shí)效前需施加一定的冷加工量才能達(dá)到峰值性能，疲勞裂紋呈精細(xì)的顯微水平時(shí)，擴(kuò)展速度顯著加快。為改善鋁鋰合金的疲勞、斷裂韌性等性能，美國(guó)航天宇航局就新型的2195鋁鋰合金作了大量的研究工作，開(kāi)發(fā)了雙級(jí)、三級(jí)、五級(jí)熱處理工藝，使得2195合金的室溫?cái)嗔秧g性和疲勞性能提高了近30%，而強(qiáng)度與傳統(tǒng)時(shí)效相當(dāng)。
　　目前我國(guó)研發(fā)新型鋁合金的同時(shí)，在生產(chǎn)工藝上也做了大量研究。通過(guò)新的熱處理工藝（T74、T73）大幅度提高了7xxx合金斷裂韌性和抗應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂性能，并進(jìn)一步研究開(kāi)發(fā)7xxx合金的熱處理工藝，如7075-T76用于L-1011機(jī)翼擠壓壁板，7075-T736用于起落架構(gòu)件、窗框和液壓系統(tǒng)部件。但是目前針對(duì)鋁鋰合金的研究工作，尚在起步階段，基礎(chǔ)研究相對(duì)較弱，離應(yīng)用還有距離。鋁鋰合金的熱處理應(yīng)該在鋁合金熱處理的基礎(chǔ)上，結(jié)合國(guó)外的新工藝新方法，開(kāi)展系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究，以求早日實(shí)現(xiàn)鋁鋰合金熱處理工藝的工業(yè)化應(yīng)用。
　　（1）作為航空航天重要的結(jié)構(gòu)材料，鋁鋰合金受到西方國(guó)家的廣泛重視，如今第三代鋁鋰合金已在大型商用客機(jī)制造中獲得應(yīng)用并成為未來(lái)機(jī)型發(fā)展的重要趨勢(shì)。但目前，新型鋁鋰合金主要依靠國(guó)外供應(yīng)商，不僅成本高，而且得不到鈑金、熱處理等相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的支持，因此獨(dú)立開(kāi)發(fā)和研制新型高強(qiáng)、高損傷容限鋁鋰合金是我國(guó)鋁鋰合金未來(lái)發(fā)展的重要方向。此外，鋁鋰合金和復(fù)合材料是未來(lái)民用飛機(jī)的重要選擇，如何提高其減重效益、強(qiáng)度和損傷容限是開(kāi)發(fā)新型合金面臨的重大挑戰(zhàn)。
　　（2）鋁鋰合金在鑄造、軋制等技術(shù)逐漸成熟的基礎(chǔ)上，先進(jìn)加工制造技術(shù)不斷拓寬，超塑成形、旋壓、輥鍛焊接等新工藝不斷創(chuàng)新，并已取得重大的應(yīng)用成果，然而，由于其自身性能限制，室溫成形能力仍較困難。鋁鋰合金在大型客機(jī)中的應(yīng)用主要以冷成形為主，因此，解決和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的室溫鈑金成形和熱處理工藝是未來(lái)我國(guó)大型客機(jī)用鋁鋰合金使用的關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展方向，同時(shí)在傳統(tǒng)工藝基礎(chǔ)上不斷開(kāi)發(fā)新型技術(shù)，提高成形精度、效率和質(zhì)量。

更新日期：2018-02-08

上一篇： 鋁型材分類及介紹 下一篇： 【新聯(lián)昌早報(bào)】2月8日宏觀經(jīng)濟(jì)與行業(yè)消息