高長(zhǎng)寶

（航空工業(yè)哈爾濱飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱150066）

輕質(zhì)高效的結(jié)構(gòu)材料是航空、航天領(lǐng)域永恒不變的主題，在這種前提背景下，人們對(duì)新材料的探索從未停止。鋰作為地球上迄今為止質(zhì)量最輕的金屬，密度僅為534Kg/m3,獲得了人們的青睞，經(jīng)研究表明，每在鋁合金中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的鋰，可使該鋁合金的密度降低3%，彈性模量提升5%～6%。由于鋁鋰合金具有低密度、高彈性模量、高比強(qiáng)度、高比剛度的性能特點(diǎn)，在航空、航天領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，航空鋁合金的發(fā)展受到了復(fù)合材料的強(qiáng)烈沖擊，波音787 與空客A350XWB 用量在50%以上，美國(guó)的武裝直升機(jī)“科曼奇”也達(dá)到50%，歐洲的“虎”式武裝直升機(jī)復(fù)合材料用量高達(dá)80%，但與復(fù)合材料相比，鋁鋰合金的加工成本更低只有其10%，且較于復(fù)合材料在沖擊及濕熱環(huán)境下的復(fù)雜力學(xué)特性，鋁鋰合金性能更穩(wěn)定、易于回收、維修成本也更低。因此，發(fā)展新型鋁鋰合金仍是支撐航空業(yè)的重要手段。

1 鋁鋰合金發(fā)展歷程

1.1 第一代鋁鋰合金

第一代鋁鋰合金發(fā)展于20 世紀(jì)五六十年代，Alcoa 公司的冶金學(xué)家發(fā)現(xiàn)鋰可以提高鋁合金的彈性模量，并在1957 年發(fā)展出了高強(qiáng)度的Al-Cu-Li 合金2020。隨后，該合金開(kāi)始商業(yè)化生產(chǎn)，并應(yīng)用于美國(guó)海軍的RA-5C 飛機(jī)機(jī)翼蒙皮和尾翼水平安定面上，獲得了6%的減重效果。但是因?yàn)樵谏a(chǎn)和應(yīng)用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，該鋁鋰合金韌性較低，具有很高的脆性，阻礙了進(jìn)一步的應(yīng)用，隨后于20 世紀(jì)60 年代退出了生產(chǎn)?；诋?dāng)時(shí)的數(shù)據(jù)，雖熱2020-T6 鋁鋰合金顯示了低的韌性，但是它的強(qiáng)度極限很高，與當(dāng)時(shí)其他高強(qiáng)度鋁合金相比并沒(méi)有很大不同，如圖1 所示。緊接著，1961 年前蘇聯(lián)開(kāi)發(fā)出類(lèi)似于2020 的鋁鋰合金B(yǎng)AЛ23 合金。第一代鋁鋰合金的化學(xué)成分如表1 所示。

1.2 第二代鋁鋰合金

圖1 2020 合金在T4、T6 狀態(tài)下的韌性與當(dāng)時(shí)鋁合金對(duì)比

第二代鋁鋰合金發(fā)展于20 世紀(jì)70 年代至80 年代末期，為大發(fā)展繁榮階段。這一時(shí)期，由于爆發(fā)了能源危機(jī)，航空業(yè)迫切要求結(jié)構(gòu)輕量化以節(jié)省燃料消耗，低密度的鋁鋰合金代替廣泛應(yīng)用的2024 和7075 鋁合金成為人們這一階段的主要目標(biāo)。此階段比較有代表性的有：美國(guó)Alcoa 公司為替代7075-T6 合金研發(fā)的2090 合金的薄厚板及擠壓型材；法國(guó)Pechiney 公司為替代2024-T3 合金研制的8090 合金，前蘇聯(lián)研制的1420 鋁鋰合金等。第二代鋁鋰合金的主要化學(xué)成分如表2?？梢钥闯?，第二代鋁鋰合金的鋰含量與第一代有顯著差別，均達(dá)到了2%以上，與2024 鋁合金相比，密度降低了大約8%～10%,彈性模量增加了10%，強(qiáng)度與7075-T6 鋁合金相當(dāng)，但是鋰含量的增加導(dǎo)致了材料較低的斷裂韌性、耐腐蝕性差、熱穩(wěn)定性差、可成型性差、尤其各向異性情況嚴(yán)重，由于第二代鋁鋰合金缺陷明顯，限制了其大范圍應(yīng)用。

1.3 第三代鋁鋰合金

基于第二代鋁鋰合金的顯著缺點(diǎn)，20 世紀(jì)80 年代末期科學(xué)家們開(kāi)始試圖通過(guò)降低鋰含量、添加微量元素、調(diào)整主要合金比例來(lái)改善其嚴(yán)重的各向異性問(wèn)題，迄今為止開(kāi)發(fā)出了一系列綜合性能較高的第三代鋁鋰合金，如表3 所示?？梢钥闯?，第三代鋁鋰合金中鋰的含量基本降低到了2%以下，并增加了銅的含量（3%以上），由于合金元素的調(diào)整，解決了第二代鋁鋰合金各向異性嚴(yán)重的問(wèn)題，同時(shí)還優(yōu)化了機(jī)械性能，提高了20%的屈服強(qiáng)度、40%的疲勞強(qiáng)度和250%的疲勞裂紋擴(kuò)展能力，增加了10%彈性模量，耐腐蝕性也大幅提高。與傳統(tǒng)鋁合金相比，第三代鋁鋰合金優(yōu)勢(shì)明顯，相較于2024 鋁合金，其密度可降低3.5%～5%，相較于7075 鋁合金，其密度可降低6.9%。

表1 第一代鋁鋰合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）

表2 第二代鋁鋰合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）

表3 第三代鋁鋰合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）

2 力學(xué)性能及應(yīng)用

2.1 力學(xué)性能

以三種不同代的典型鋁鋰合金（2020，8090,2198）為代表，與普通鋁合金2024 和7075 進(jìn)行比較，主要力學(xué)性能如表4 所示。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，第三代鋁鋰合金2198 的屈服強(qiáng)度最低，但仍比2024 鋁合金高出18.4%。所有鋁鋰合金的抗拉強(qiáng)度均都高于2024，但低于7075 鋁鋰合金，說(shuō)明鋁鋰合金的強(qiáng)度處于鋁合金產(chǎn)品的中等水平。三代鋁鋰合金的抗拉強(qiáng)度逐次降低，第一代和第代鋁鋰合金的研制側(cè)重于降低材料密度，未詳細(xì)考慮合金內(nèi)部的均勻性，因此導(dǎo)致第一代、第二代鋁鋰合金各向異性嚴(yán)重。第三代鋁鋰合金為了降低合金各向異性，得到均勻內(nèi)部組織，降低了鋰元素的含量，使用了再結(jié)晶技術(shù)，用強(qiáng)度的損失換來(lái)了其它方面的性能，例如韌性、抗疲勞能力等。比強(qiáng)度、比剛度是飛行器結(jié)構(gòu)選材的兩個(gè)重要指標(biāo)，鋁鋰合金的比強(qiáng)度、比剛度均高于常規(guī)鋁合金系列。

2.2 國(guó)外應(yīng)用

空客在鋁鋰合金的應(yīng)用上是先驅(qū)者，第一、二代鋁鋰合金都在該公司制造的飛機(jī)上有所應(yīng)用。A380 飛機(jī)以鋁合金為主要材料，用量占機(jī)身結(jié)構(gòu)的61%。該機(jī)地板梁、座艙橫梁主要采用了2199 和2099 鋁鋰合金。A380-800 和A380-800F 下翼結(jié)構(gòu)使用了2050-T84，A340-600 采用攪拌摩擦焊制造2050 客機(jī)翼肋，減重5%，成本降低21%。2050 厚板與7050 相比，具有更低密度、更高疲勞性能和低淬火敏感性。

A350XWB 機(jī)翼的翼肋也采用了鋁鋰合金?？湛驮谶x擇翼肋的材料時(shí)，主要以重量與成本的比值為篩選依據(jù)，對(duì)于承力大的翼肋，鋁鋰合金優(yōu)于復(fù)合材料；即使對(duì)承力小的翼肋，復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)也并不大。鋁鋰合金在A350XWB 外翼上的應(yīng)用如圖2 所示。

龐巴迪公司C 系列是首先在機(jī)體結(jié)構(gòu)上大量采用鋁鋰合金的窄體客機(jī)，鋁鋰合金的用量占全機(jī)結(jié)構(gòu)的23%，主要用于機(jī)身蒙皮，長(zhǎng)桁，地板橫、縱梁，支柱和地板滑軌結(jié)構(gòu)。其中蒙皮采用2198-T82，型材采用2196-T82，機(jī)身結(jié)構(gòu)減重12%。

2.3 國(guó)內(nèi)應(yīng)用

C919 大型客機(jī)采用了第三代鋁鋰合金，這是我國(guó)第一次在民用飛機(jī)上應(yīng)用該鋁鋰合金，主要應(yīng)用在機(jī)身蒙皮、長(zhǎng)桁、地板梁、座椅滑軌、邊界梁、客艙地板支撐立柱等部件，制造了機(jī)身等直部段，該等直部段是C919 客機(jī)七大部段之一，如圖3 所示。其鋁鋰合金機(jī)體結(jié)構(gòu)重量占比達(dá)到7.4%，獲得綜合減重7%的收益，在國(guó)際上屬領(lǐng)先水平。

表4 鋁鋰合金與普通鋁合金力學(xué)性能對(duì)比

圖2 鋁鋰合金在A350XWB 外翼上的應(yīng)用（翼肋）

圖3 C919 客機(jī)鋁鋰合金制機(jī)身

C919 客機(jī)在應(yīng)用鋁鋰合金過(guò)程中，克服了大量技術(shù)難題，如等直段試驗(yàn)件突破了鉆孔、鉚接、鈑金成型等多項(xiàng)技術(shù)攻關(guān)，洪都公司攻克了蒙皮噴丸強(qiáng)化、型材滾彎成形制造、蒙皮鏡像銑切加工、型材熱壓下陷、蒙皮噴丸校形等關(guān)鍵技術(shù)。雖然C919型機(jī)大量應(yīng)用了鋁鋰合金新型材料，但是鋁鋰合金材料全部來(lái)自美國(guó)鋁業(yè)公司，國(guó)產(chǎn)鋁鋰合金尚未大量應(yīng)用。在新型鋁鋰合金領(lǐng)域，我們還有一定的差距，隨著C919 大型客機(jī)的研制成功，鋁鋰合金的國(guó)產(chǎn)化道路相信會(huì)越來(lái)越好。2012 年9 月西南鋁業(yè)承擔(dān)“新型輕質(zhì)高性能鋁鋰合金工業(yè)化制備”項(xiàng)目攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)了大規(guī)格部件均質(zhì)化，制備出了高性能的鋁鋰合金，達(dá)到了產(chǎn)業(yè)化制備加工基本目標(biāo)。

3 直升機(jī)上的應(yīng)用展望

據(jù)統(tǒng)計(jì)，每減重1kg 結(jié)構(gòu)重量可以獲得10 倍以上經(jīng)濟(jì)效益，鋁鋰合金在航空、航天領(lǐng)域都得到了大量應(yīng)用。美國(guó)、俄羅斯在其戰(zhàn)斗機(jī)都有大量應(yīng)用，例如美國(guó)的F-16 就用2197 鋁鋰合金制造了后艙甲板及其他零部件，俄羅斯在雅克-36、蘇-27、蘇-36、米格-29、米格-33 都有大量鋁鋰合金應(yīng)用。民用飛機(jī)方面，空客、波音、麥道、龐巴迪都有采用了一定量的鋁鋰合金。在直升機(jī)領(lǐng)域，具現(xiàn)有可查資料，只有歐洲阿古斯塔·維斯特蘭公司的EH101 多用途直升機(jī)應(yīng)用了較多的第二代鋁鋰合金，第三代鋁鋰合金尚未在直升機(jī)上使用。隨著鋁鋰合金研發(fā)力度的加大，鋁鋰合金材料性能的提高和價(jià)格的降低，相信很快也會(huì)應(yīng)用在直升機(jī)領(lǐng)域。

4 結(jié)論

經(jīng)過(guò)將近百年的發(fā)展，鋁鋰合金已進(jìn)入成熟期，憑借其較高的比強(qiáng)度、比高度和優(yōu)異的綜合力學(xué)性能等諸多特點(diǎn)，已成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)材料，成為21 世紀(jì)與復(fù)合材料競(jìng)爭(zhēng)的首選材料。隨著鋁鋰合金需求的日益增大，我國(guó)應(yīng)加大規(guī)模與資金投入，重視產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，以實(shí)際需求為基礎(chǔ)，提高良品率，降低生產(chǎn)成本，開(kāi)發(fā)出滿(mǎn)足性能的先進(jìn)鋁鋰合金，擺脫對(duì)進(jìn)口鋁鋰合金的依賴(lài)，實(shí)現(xiàn)真正的國(guó)產(chǎn)化，并爭(zhēng)取在直升機(jī)領(lǐng)域得到大規(guī)模應(yīng)用。