4 鋁-鋰合金在航天航空工業(yè)中的應(yīng)用
自1924年，第一個含鋰的鋁合金Sclreoul(Al-12Zn-3 Cu-0.6Mn-0.1Li)誕生以來，鋁鋰合金已經(jīng)有70年的歷史，70 年來，鋁鋰合金歷經(jīng)了艱難和波折，沖破了層層障礙，已經(jīng)走向了工業(yè)生產(chǎn)和應(yīng)用。
50年代，美國對鋁鋰合金產(chǎn)生興趣，Alcoa公司克服了其熔煉上的難點，于 1957年生產(chǎn)出了含鋰 1.1％ 的鋁鋰合金，命名為2020合金。1958年美國航空公司對其做了首次評估，就塑性、韌性問題進行了評估。次年將其用于海軍警戒機的機翼皮和尾翼水平安定面。減重效益6％，先后服役20 年，未發(fā)現(xiàn)腐蝕、應(yīng)力腐蝕、疲勞破壞等問題。60年代，美國航空界 開 始 采 用USAF 航空損傷容限設(shè)計準(zhǔn)則，2020合金因缺口敏感性高和斷裂韌性低而難以被接受，于1969年放棄該合金。2020合金失敗的另一個原因是技術(shù)先進性不夠，鋰含量僅
1％，比重下降 3％和剛度提高6％的幅度有限，加之銅的含量達 4.5％，合金的比重仍較高。
正當(dāng)美國鋁鋰合金研究降溫時，原蘇聯(lián)開始了鋁鋰合金的研究，研制出獨特的1420合金（Al-Li-Mg-Zr）系，鋰含量達到 1.5%～2.6％，含鎂達4%～7％，比2020合金的比重更低而彈性模量更高，1971年用于航空器，逐步擴大到蘇 27、米格25、米格29、艦載飛機圖204 等多種飛機上，1420合金成功的另一個重要的原因是具有優(yōu)良的焊接性，可采用氬弧焊、電子束焊、離子焊和電阻焊焊接，材料本生減重效益12％，用焊接代替鉚接，省去了連接固件和密封膠圈減重效益12％。后來在1420的基 礎(chǔ)上又進一步研究出1421、1423、1424等合金，強度明顯改善，且抗蝕性更佳、焊接性更優(yōu)。目前，俄羅斯已初步形成了一個包括可焊、中強、高強的鋁鋰合金系列，鋁鋰合金已經(jīng)成為俄羅斯最重要的航天航空用輕合金之一。與復(fù)合材料、鈦合金一同構(gòu)成了新型航天航空新材料的三足鼎立局面。
70年代末期，鋁鋰合金的研究再度受到西方重視，其原因有四個方面：一是石油危機沖擊了航空界，為了減輕重量以降低航運成本，對高強度、高彈性模量、低比重材料的需求更加迫切。二是受復(fù)合材料發(fā)展的沖擊，需研究新型的鋁合金。三是原蘇聯(lián)成功地將鋁合金用于軍用飛機的刺激。四是新合金系的出現(xiàn)，使鋁鋰合金的技術(shù)優(yōu)勢進一步顯示出來。這樣西歐于 80 年代初推出809合金2091合金，用于取代2024合金，與此同時美國推出了高強型的2090合金，作為7075合金的換代產(chǎn)品。這些合金的共同特點是：有較高的鋰含量（2％ ～
3％），比2020合金的彈性模量更高而比重更低，同時他們都含有少量的鋯，在未再結(jié)晶強織構(gòu)狀態(tài)下使用未再結(jié)晶強織構(gòu)狀態(tài)下使用。 80年代末西方國家已基本完成了鋁鋰合金的制造技術(shù)研究，擁有工業(yè)化生產(chǎn)能力，形成一個初步的鋁合金系列，研究的重點轉(zhuǎn)入應(yīng)用方面。
4.1 鋁鋰合金的種類、 特性及用途
鋁鋰合金具 有低的密度、高的比強度和比剛度，用其代替常規(guī)的高強度鋁合金可使構(gòu)件質(zhì)量減輕 10％～20％，剛度提高15％～20％，國外現(xiàn)有20多個牌號的鋁鋰合金可進行工業(yè)化生產(chǎn)， 并可提供各種形式的半成品件（特性見表 1）。
中強可焊鋁鋰合金1420是一種低密度、中等強度、耐蝕又可焊的航天航空用結(jié)構(gòu)件。主要用于中厚板、薄板、型棒材及鍛件等多種結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)。中強鋁鋰合金還有2091，它有較好的低溫韌性和抗應(yīng)力腐蝕性，主要用于高速飛行器的殼體、低溫容器和戰(zhàn)斗機后隔框等。高強度鋁鋰合金主要以銅為主強化元素的2000系鋁鋰合，它不僅具有高強度、高模量、可焊性、低比重的優(yōu)點，并在耐熱性、抗蝕性等方面顯著優(yōu)于以鋅為主強化元素的7000系普通鋁合金。主要用于航天飛機超輕儲箱、機身內(nèi)部承受高載荷的部件、火箭的燃燒和液氧容器等，同時中強和高強鋁鋰合金分別取代了2XXX以及7XXX等合金在航天航空工業(yè)中使用。
因鋰的熔點低，又比鋁輕得多，這給熔制合金過程中加鋰帶來了困難，如果加鋰時保護不好，鋰浮到液面上燃燒，會引起合金的燒損，使合金中鋰的成分更難控制。因鋰的比重很小，加入鋁中易引起成分偏析，增加燒制合金的難度。鋁鋰合金在鑄造時容易發(fā)生合金氧化，也容易發(fā)生破壞性爆炸事故，因此熔鑄鋁鋰合金不能采用傳統(tǒng)的鋁合金生產(chǎn)工藝和裝備。鋁鋰合金的組織層狀化，鋁鋰合金的未結(jié)晶晶粒結(jié)構(gòu)亦稱為層狀組織， 其強化韌性的原理是利用扁平未再結(jié)晶晶粒結(jié)構(gòu)減輕沿晶開裂的危害并得到特殊的韌化機制。層狀組織的主要不足是橫短向性能偏低。
鄭州船王