可 望，楊 龍，田 灃

（航空工業(yè)西安航空計算技術(shù)研究所，西安710068）

0 前言

鋰是最輕的金屬元素（0.534 g/cm3），并且在鋁中的溶解度較高，能夠和鋁很好地合金化[1-2]。在鋁中每摻入1%的鋰可使合金密度降低3%，并使彈性模量增加約6%[3-4]，如圖1所示。在航空航天工業(yè)中，減重是永恒不變的主題，降低重量可以節(jié)省燃料、提高飛行速度、增加飛行距離、提高有效載荷等[5]。因此，研發(fā)新型輕質(zhì)材料是航空航天領(lǐng)域密切關(guān)注的熱點。研究表明，飛機(jī)減重的最有效的方式為降低飛機(jī)所用材料的密度。通過降低材料密度來減重比增加拉伸強(qiáng)度、彈性模量、降低損傷容限等方法有效3～5倍[5]。鋁鋰合金具有很多優(yōu)越的性能，如低密度、高彈性模量、高比剛度和比強(qiáng)度、良好的抗腐蝕性能等[6-8]。相比于傳統(tǒng)鋁合金，使用鋁鋰合金可以使結(jié)構(gòu)件重量減輕10%～15%，剛度提高15%～20%。此外，鋁鋰合金的材料制備和零件制造工藝都與普通鋁合金無原則上的差別，可沿用普通鋁合金的技術(shù)和設(shè)備；另外鋁鋰合金的成形、維修等都較為方便。

圖1 不同合金元素對鋁合金的影響

機(jī)載計算機(jī)會經(jīng)受各種惡劣環(huán)境因素的影響，包括高溫、低溫、潮濕、鹽霧、霉菌、生物蛀蝕、雷電、沙塵、日照、輻射等。機(jī)箱是機(jī)載計算機(jī)重要的組成部分，是機(jī)載計算機(jī)可靠工作的保證。機(jī)載計算機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計主要包括熱設(shè)計、抗振防沖設(shè)計、電磁兼容設(shè)計、防腐蝕設(shè)計。因此，對于機(jī)箱材料，其密度、導(dǎo)熱系數(shù)、強(qiáng)度、電磁屏蔽性能、耐腐蝕性能至關(guān)重要。使用鋁鋰合金替代傳統(tǒng)鋁合金作為機(jī)箱材料有望實現(xiàn)減重的目的，提高飛機(jī)性能并降低油耗。同時，鋁鋰合金的強(qiáng)度和耐腐蝕性能也優(yōu)于傳統(tǒng)鋁合金[9-10]。

1 實驗材料及方法

試驗選用西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司生產(chǎn)的6061鋁合金和鄭州輕研合金科技有限公司生產(chǎn)的5A90鋁鋰合金，其成分如表1所示。

使用6061鋁合金和5A90鋁鋰合金制造同尺寸的機(jī)箱（318 mm×194 mm×190.5 mm，壁厚為1.2 mm），且對比其重量和力學(xué)性能差異。通過真空釬焊、電子束焊接和攪拌摩擦焊技術(shù)焊接6061鋁合金和5A90鋁鋰合金機(jī)箱，測試焊縫抗拉強(qiáng)度，驗證其焊接工藝。并對6061鋁合金和5A90鋁鋰合金樣片進(jìn)行環(huán)境適應(yīng)性驗證，試驗標(biāo)準(zhǔn)參考GJB150A。

2 結(jié)果與討論

2.1 密度

如表2所示，6061鋁合金和5A90鋁鋰合金的密度分別為2.7 g/cm3和2.47 g/cm3，5A90鋁鋰合金的密度明顯低于6061鋁合金。6061鋁合金和5A90鋁鋰合金材料所制造的同尺寸機(jī)箱相比，前者質(zhì)量為2.29 kg，后者質(zhì)量為2.09 kg?？梢?，使用鋁鋰合金替代傳統(tǒng)鋁合金可以使機(jī)箱減重約10%左右。

表2 6061鋁合金和5A90鋁鋰合金性能對比

2.2 力學(xué)性能

機(jī)載計算機(jī)在使用過程中會受到振動和沖擊的作用，因此，對機(jī)箱材料的強(qiáng)度提出了一定要求。如表2所示，5A90鋁鋰合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別為512 MPa和437 MPa，遠(yuǎn)高于6061鋁合金。因此使用鋁鋰合金替代傳統(tǒng)鋁合金在力學(xué)性能方面具有明顯優(yōu)勢。

2.3 焊接技術(shù)與工藝

2.3.1 真空釬焊

真空釬焊是將工件置于真空室內(nèi)進(jìn)行加熱熔化焊接，該技術(shù)被廣泛應(yīng)用于鋁合金的焊接。5A90鋁鋰合金材料固相線低（536oC），超過500oC就容易出現(xiàn)過燒的特性。因此，傳統(tǒng)6061鋁合金（固相線582oC）所用的真空釬焊釬料不能解決5A90鋁鋰合金的真空釬焊問題。6061鋁合金所用的A1SiMg釬料4004的熔化溫度為555～590oC，超過5A90鋁鋰合金母材固相線溫度54oC，超過過燒控制溫度90oC。經(jīng)調(diào)研，目前市場上暫時沒有符合要求的焊料。

2.3.2 電子束焊接

電子束焊接技術(shù)是將高能電子束作為加工熱源，用高能量密度的電子束轟擊焊件接頭處的金屬，使其快速熔融，然后迅速冷卻來達(dá)到焊接的目的。該技術(shù)焊接速度快、能量密度大、所得焊縫較窄、焊接應(yīng)力和變形較小，可以被用于鋁鋰合金的焊接[11]。機(jī)載計算機(jī)機(jī)箱產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點適合于電子束焊接，因此下面對該工藝進(jìn)行了驗證。

為驗證電子束焊接的強(qiáng)度和工藝，首先對樣件焊縫強(qiáng)度進(jìn)行驗證，具體試驗標(biāo)準(zhǔn)參考GB/T 228.1-2010。驗證結(jié)果顯示，5組樣件中，樣件1從本體斷裂，其余4件從焊縫斷裂。樣件的焊縫抗拉強(qiáng)度如表3所示。

表3 電子束焊接焊縫強(qiáng)度檢測結(jié)果

從試驗結(jié)果可以看出，電子束焊接焊縫強(qiáng)度高于母材80%以上。

2.3.3 攪拌摩擦焊

近年來發(fā)展起來的攪拌摩擦焊接技術(shù)也被應(yīng)用于鋁鋰合金的焊接[12]。攪拌摩擦焊是通過高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭與被焊材料表面間生成的摩擦熱而實現(xiàn)焊接。該技術(shù)焊接接頭外觀平整、性能優(yōu)良、殘余應(yīng)力和變形小，并且無煙塵、無飛濺、不需要焊絲。該工藝特點適合于側(cè)壁液冷機(jī)箱和貫穿式液冷模塊結(jié)構(gòu)件的焊接。表4所示為1420鋁鋰合金采用攪拌摩擦焊時的焊縫性能[13]。

表4 攪拌摩擦焊焊縫性能

從試驗結(jié)果可以看出，攪拌摩擦焊接的焊縫強(qiáng)度可達(dá)400 MPa以上。當(dāng)攪拌頭轉(zhuǎn)速和前進(jìn)速度差別不大時，焊縫抗拉強(qiáng)度的差別也不大。

因此，應(yīng)用于傳統(tǒng)鋁合金的真空釬焊技術(shù)不能滿足鋁鋰合金的焊接要求，但是電子束焊接和攪拌摩擦焊接技術(shù)能夠滿足鋁鋰合金的焊接要求，可以被應(yīng)用于鋁鋰合金的焊接。

2.4 環(huán)境適應(yīng)性驗證

考慮到機(jī)載電子設(shè)備的特點和材料的基本屬性，環(huán)境適應(yīng)性要求中高低溫可不進(jìn)行驗證，重點驗證材料抗鹽霧、濕熱、霉菌及酸性大氣的性能。試驗標(biāo)準(zhǔn)參考GJB150A，驗證結(jié)果如表5所示。

表5 5A90鋁鋰合金環(huán)境試驗驗證結(jié)果

根據(jù)三防試驗驗證結(jié)果，5A90鋁鋰合金可滿足機(jī)載環(huán)境適應(yīng)性要求。

綜上所述，鋁鋰合金替代傳統(tǒng)鋁合金作為機(jī)箱材料可使機(jī)箱減重10%左右，同時鋁鋰合金已經(jīng)通過各種試驗驗證，可作為機(jī)載計算機(jī)機(jī)箱材料推廣使用。

3 結(jié)論

（1）相比于6061鋁合金，使用5A90鋁鋰合金制作機(jī)載計算機(jī)機(jī)箱可減重10%左右。

（2）5A90鋁鋰合金的抗拉強(qiáng)度為512 MPa，高于6061鋁合金2倍；屈服強(qiáng)度為437 MPa，高于6061鋁合金3倍。

（3）鋁鋰合金的焊接方法可以采用電子束焊接或攪拌摩擦焊接技術(shù)，焊縫強(qiáng)度均可達(dá)到母材的80%以上，可滿足使用要求。

（4）5A90鋁鋰合金機(jī)箱成功通過三防試驗驗證，可滿足機(jī)載環(huán)境適應(yīng)性要求。

盡管鋁鋰合金在機(jī)載計算機(jī)機(jī)箱材料上的應(yīng)用前景廣闊，但仍然還存在一些問題有待研究。尤其是針對機(jī)載計算機(jī)的使用環(huán)境，需要進(jìn)一步降低鋁鋰合金的密度以實現(xiàn)減重的目標(biāo)。同時，提高鋁鋰合金導(dǎo)熱系數(shù)、增強(qiáng)散熱能力也至關(guān)重要。