铝锂合金的发展及应用

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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%(1)。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(2-5)。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 一“一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。

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