杜 康，王軍強(qiáng)，曹海龍，劉 成

（中鋁材料應(yīng)用研究院有限公司，北京 102209）

1 航空航天用鋁鋰合金發(fā)展歷程

在航空航天領(lǐng)域，鋁合金的首次應(yīng)用可以追溯到一百多年前的1903 年，美國(guó)的萊特兄弟發(fā)明了“Flyer”號(hào)飛行器，當(dāng)時(shí)的鋁材屬于發(fā)動(dòng)機(jī)的構(gòu)件之一[1]。隨著鋁合金性能的不斷升級(jí)以及其固有的輕量化優(yōu)勢(shì)，鋁材逐步替代木材、鋼材成為飛機(jī)上的主力材料。尤其是第二次世界大戰(zhàn)中對(duì)高機(jī)動(dòng)性轟炸機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)的需求，進(jìn)一步推動(dòng)了鋁材的應(yīng)用。以2024、7075等合金為代表的高強(qiáng)韌2×××和7×××系鋁合金成為航空航天用鋁主流。

按照成分歸類Al-Li 合金應(yīng)當(dāng)屬于2×××（Al-Cu）、5×××（Al-Mg）或8×××系合金中的一支，但是由于其突出的綜合性能、特殊的熔鑄工藝和廣闊的應(yīng)用前景，逐步成為與2×××、7×××系并列的新一代高性能鋁合金。Al-Li合金有望成為下一代最具應(yīng)用前景的航空航天用鋁。其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在：（1）密度比傳統(tǒng)鋁合金更低。鋰是最輕的金屬，鋁中每添加1%的鋰可使材料整體密度降低3%（見圖1）；（2）綜合性能比傳統(tǒng)鋁合金更優(yōu)異。Li 元素可以形成Al3Li、AlxCuLi、AlxMgLi 等強(qiáng)化相，顯著提高材料彈性模量和強(qiáng)度（見圖2）以及耐蝕性、損傷容限等[2]。

圖1 常見金屬元素添加量對(duì)鋁合金密度的影響

圖2 鋁鋰合金與7×××系合金性能對(duì)比

第一個(gè)含鋰鋁合金是1924 年由德國(guó)科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室配置的，其在Al-Zn-Cu-Mn 系合金中嘗試添加了0.1%Li，并命名Scleron 合金。第一代可應(yīng)用的鋁鋰合金是美國(guó)2020 合金和蘇聯(lián)的BAЛ23 合金，大致成分為4.5Cu1.2Li0.8MnFeSi，材料密度在2.7 g/cm3以下；但由于當(dāng)時(shí)的電解鋁冶煉技術(shù)較差導(dǎo)致合金的綜合性能欠佳，未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模推廣。第二代鋁鋰合金的研制明顯受到19 世紀(jì)70 年代的能源危機(jī)影響，中東戰(zhàn)爭(zhēng)后原油價(jià)格由3美元每桶提升到10 美元每桶，材料輕量化潮流推動(dòng)了航空航天用鋁鋰合金的快速發(fā)展。第二代鋁鋰合金中Li添加量在2%以上，同期還研發(fā)了AlMgLi系合金，使材料密度進(jìn)一步降低，最低可達(dá)2.5 g/cm3；盡管第二代鋁鋰合金具有諸多缺點(diǎn)，如各向異性明顯、焊接性差等，但是已經(jīng)開始大規(guī)模應(yīng)用到航空航天和軍事領(lǐng)域。隨著鋁加工領(lǐng)域微合金化（Zn、Mn、Ag、Zr、Sc）技術(shù)、電解鋁高純化技術(shù)、形變熱處理技術(shù)的發(fā)展，第三代鋁鋰合金逐步走上歷史舞臺(tái)。此時(shí)研究人員不再單純追求低密度，而是通過優(yōu)化合金成分、加工工藝和熱處理制度等，研發(fā)出了強(qiáng)韌性、損傷容限、焊接性能均十分優(yōu)異的第三代鋁鋰合金。表1列出了三代鋁鋰合金的典型牌號(hào)及其密度和成分[2-3]。

表1 典型鋁鋰合金密度及成分

2 國(guó)內(nèi)鋁鋰合金產(chǎn)業(yè)發(fā)展

我國(guó)鋁鋰合金的研究始于1986 年開始的第七個(gè)“五年計(jì)劃”，由西南鋁業(yè)公司、中南大學(xué)等單位聯(lián)合開展了仿2091 中強(qiáng)型鋁鋰合金的研究。北京航空工程制造研究所利用2091 鋁鋰合金成功制造出某殲擊機(jī)用零件，較之前減重15%，成本降低20%[3]。后期又開發(fā)試制了1420、2090 合金，生產(chǎn)出了較小規(guī)格的型材和板材，“八五”期間西南鋁業(yè)公司建立了1 t級(jí)Al-Li合金半連鑄機(jī)組，為我國(guó)鋁鋰合金的工業(yè)化生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)?！熬盼濉逼陂g，根據(jù)國(guó)家航天發(fā)展規(guī)劃要求，中南大學(xué)和西南鋁業(yè)公司針對(duì)液氫/液氧貯箱材料用2195 合金開展系統(tǒng)研制，成功制備了大規(guī)格薄壁擠壓管材和板材，性能和美國(guó)Alcoa 公司的2195 合金相當(dāng)[3]。2000 年之后，隨著國(guó)內(nèi)一系列發(fā)射任務(wù)及國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)的迫切需求，鋁鋰合金走上推廣應(yīng)用的快車道。航天一院成功研制出直徑3.35 m的鋁鋰合金燃料貯箱和一體式箱底；中航工業(yè)洪都公司生產(chǎn)出C919 用機(jī)身等直段筒體，全長(zhǎng)7.45 m、寬4.2 m、高4.2 m；江蘇豪然公司在全球首次使用噴射沉積法制成Al-Li合金錠。

盡管國(guó)內(nèi)對(duì)于鋁鋰合金的研究和應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但是原材料生產(chǎn)環(huán)節(jié)仍然與歐美企業(yè)存在較大差距，國(guó)產(chǎn)C919大飛機(jī)用2060（見表2）、2099等鋁鋰合金均進(jìn)口自美國(guó)Alcoa公司[4-5]。

表2 國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)使用的2060鋁鋰合金成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

3 鋁鋰合金在航空航天系統(tǒng)中的應(yīng)用

由于金屬Li 自身密度?。?.534 g/cm3），同時(shí)Li 元素可以與Cu、Mg 元素結(jié)合形成強(qiáng)化相（Al3Li、Al2CuLi 等），因此鋁鋰合金體系在實(shí)現(xiàn)材料密度降低的同時(shí)（2.7 g/cm3），可以顯著提高材料比強(qiáng)度和比剛度，因此在航空航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。鋁鋰合金主要應(yīng)用部件包括：（1）耐損傷的蒙皮薄板，涉及的主要合金牌號(hào)有2060-T8E30、2198-T8、2199-T8E74等；（2）高強(qiáng)韌化機(jī)翼壁板或內(nèi)部承力件，涉及的主要合金牌號(hào)有2050-T84、2055-T8X、2199-T86、2060-T8X 等；（3）低密度導(dǎo)軌或承力件，涉及的合金牌號(hào)有2196-T8X、2099-T81、1420、2055 等。Wanhill[2]等人對(duì)于飛機(jī)用鋁鋰合金給出了詳細(xì)選材建議，見圖3。

圖3 飛機(jī)用鋁鋰合金選材建議

在航天領(lǐng)域，基于對(duì)高強(qiáng)度、可焊性的要求，鋁鋰合金主要應(yīng)用于火箭推進(jìn)劑貯箱上，包括液氫液氧貯箱筒體和旋壓成型的端蓋；高強(qiáng)度是航天器選材時(shí)的首要考量指標(biāo)，同時(shí)由于上世紀(jì)航天飛機(jī)失事的原因，對(duì)于材料的耐應(yīng)力腐蝕考核也是鋁鋰合金的重點(diǎn)關(guān)注指標(biāo)。應(yīng)用較多的合金牌號(hào)有2195-T8X、2055-T84、2098-T8X、2099 等，此類合金密度普遍介于2.6~2.7 g/cm3之間，材料強(qiáng)度達(dá)到600 MPa 甚至更高、抗壓模量75~79 GPa，比剛度介于26~30 GPa ?cm3/g之間。

4 鋁鋰合金產(chǎn)業(yè)化核心技術(shù)

4.1 微合金化提升鋁鋰合金綜合性能

微合金化是第三代鋁鋰合金區(qū)別于第二代鋁鋰合金的顯著特點(diǎn)，通過優(yōu)化鋁鋰合金中的Zn、Ag、Zr、Mn 元素及配套優(yōu)化的成形工藝和熱處理工藝，可以顯著改善材料的強(qiáng)韌性、各向異性、疲勞性能等綜合性能。

（1）微合金化可改善鋁鋰合金的強(qiáng)韌性匹配。第一代和第二代鋁鋰合金強(qiáng)韌性較低的原因是：（a）材料中存在的δ（Al3Li）相本征特性不利于材料的強(qiáng)韌性，δ 相的點(diǎn)陣常數(shù)為0.405 nm，與鋁基體完全共格，塑性變形過程中容易被位錯(cuò)切過產(chǎn)生共面滑移，導(dǎo)致應(yīng)力集中從而降低材料延伸率；（b）Li元素在熔煉過程容易析氫而產(chǎn)生氣孔缺陷，從而損害合金的強(qiáng)韌性。

第三代鋁鋰合金提高材料強(qiáng)韌性的方式主要有：（a）降低Li 元素添加量，從而減少δ 相析出；（b）促進(jìn)T1（Al2Culi）相析出消耗掉Li元素，從而減少δ 相析出，此方法在實(shí)踐中多通過添加Ag/Mg元素或預(yù)變形的手段進(jìn)一步促進(jìn)T1 相形核；（c）通過Zr、Sc等微合金化提高材料強(qiáng)韌性，可部分抵消δ相的不良影響；（d）提高熔體純凈度，減少氧化夾渣和析氫。

（2）微合金化可降低鋁鋰合金各向異性。鋁材各向異性問題并不是僅存在于鋁鋰合金中，在傳統(tǒng)2×××、7×××系合金中同樣存在，如美標(biāo)2050-T84鋁鋰厚板的三向延伸率分別為8%、6%和2%，7050-T7651 三向延伸率分別7%、6%、1.5%。各向異性現(xiàn)象的產(chǎn)生首先與鑄錠的大塑性變形量有關(guān)，變形越大則織構(gòu)取向越明顯導(dǎo)致各向性能差異越明顯；其次，與析出相大量沿晶界析出有關(guān)，在熱軋態(tài)材料緩冷過程中或后續(xù)熱處理過程中，析出相沿著纖維狀晶粒的晶界析出，形成宏觀有序的組織形貌，導(dǎo)致沿變形方向的力學(xué)性能明顯高于寬向和厚向。

降低各向異性的方法有：①提高再結(jié)晶分?jǐn)?shù)，將纖維晶粒轉(zhuǎn)換為等軸晶，但是該方法會(huì)導(dǎo)致材料主變形方向性能的下降；②異向軋制或異向拉伸，即在板材寬度方向上施加塑性變形；③減小加工變形量，通過熔鑄較小厚度鑄錠來(lái)提高鑄錠質(zhì)量，同時(shí)配合小的變形量，降低各向異性；④優(yōu)化彌散相的類型。有研究表明使用0.65Mn+0.16%Cr 混合代替0.12%Zr會(huì)顯著降低板材各向異性，主要機(jī)理在于Al6Mn、Al20Cu2Mn3、Al3Zr 等彌散相分散了共面滑移，使滑移更加均勻，從而降低了合金的各向異性[6]。

（3）微合金化可改善鋁鋰合金的疲勞性能。根據(jù)已有研究結(jié)論，鋰的加入可以有效提高鋁合金的疲勞強(qiáng)度［7-9］。從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，鋁鋰合金的疲勞強(qiáng)度明顯高于傳統(tǒng)2024 合金和7075 合金，提升幅度20~70 MPa（見表3）[10]。當(dāng)考慮密度時(shí)，鋁鋰合金的疲勞強(qiáng)度進(jìn)一步增大。第三代鋁鋰合金2198 和第二代鋁鋰合金8090 相比，前者的疲勞抗力提高21%，主要改變是降Li、增Cu、加Ag，調(diào)整Mn、Mg、Zn，同時(shí)降低Fe、Si 含量。通過將F16戰(zhàn)機(jī)的后機(jī)身艙壁由原來(lái)使用的2124鋁合金換成2197 鋁鋰合金，解決了疲勞壽命不足、服役時(shí)間達(dá)不到8 000 h的問題[11]。

表3 典型合金疲勞極限和比疲勞強(qiáng)度對(duì)比

4.2 鋁鋰合金熔體純凈化技術(shù)

Al-Li 合金的熔鑄難度要高于傳統(tǒng)2×××和7×××系合金，主要難點(diǎn)在于：（1）鋰元素活潑，與氧氣、水蒸氣、甚至坩堝材料都能發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)渣量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通合金；（2）析氫現(xiàn)象嚴(yán)重，容易導(dǎo)致氣孔缺陷，其化學(xué)反應(yīng)式為L(zhǎng)i+H2O=Li2O3+2H，研究指出鋁鋰合金熔體析氫量是普通鋁熔體的50倍[12]；（3）Li的密度為0.534 g/cm3，為鋁的1/5，容易上浮，這對(duì)熔體處理的均勻性提出更高要求。

為了提高鋁鋰合金熔體純凈度，工業(yè)化生產(chǎn)中采用的方法主要有：（1）采用真空熔煉或者高純惰性氣體保護(hù)的方法生產(chǎn)大鑄錠，通過先抽真空再通入惰性氣體保護(hù)是目前的主流生產(chǎn)方式；（2）熔煉用坩堝或爐底材料多采用石墨而避免使用普通泥土材料，因?yàn)閭鹘y(tǒng)泥土材料中含有Al2O3、SiO2等，容易與Li反應(yīng)產(chǎn)生氧化物[13]，同時(shí)應(yīng)盡量減少坩堝與熔體的接觸面積；（3）近年來(lái)以噴射沉積為代表的快速凝固方法、粉末冶金方法逐步在鋁鋰合金熔鑄領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用，通過縮短凝固時(shí)間、降低反應(yīng)溫度的方式盡可能減少含Li氧化物的產(chǎn)生。

4.3 鋁鋰合金形變熱處理技術(shù)

隨著技術(shù)的進(jìn)步，形變熱處理已經(jīng)成為制備高強(qiáng)高韌鋁材的通用技術(shù)。通過對(duì)固溶態(tài)坯料施加預(yù)變形所產(chǎn)生的大量位錯(cuò)作為后續(xù)時(shí)效過程中析出相的形核質(zhì)點(diǎn)，可以顯著提高時(shí)效析出相的分布密度。在鋁鋰合金中，當(dāng)T1相在位錯(cuò)形核時(shí)，其形核長(zhǎng)大需要抵抗的表面能降低，從而提高了其析出密度[14]。T1相密度的增加會(huì)減少鋁鋰合金的共面滑移傾向和塑性變形過程中的應(yīng)力集中傾向，進(jìn)而改善合金強(qiáng)韌性。

此外，通過調(diào)整時(shí)效熱處理也可以對(duì)材料強(qiáng)韌性進(jìn)行調(diào)整，欠時(shí)效狀態(tài)下材料強(qiáng)度低而韌性較高，峰時(shí)效時(shí)強(qiáng)度高而斷裂韌性顯著下降。根據(jù)Ashby 統(tǒng)計(jì)關(guān)系[15]（見圖4），在鋁合金體系中，鋁材的韌性Kc和屈服強(qiáng)度σy的關(guān)系符合指數(shù)關(guān)系因此可以通過形變熱處理參數(shù)的調(diào)整來(lái)改善合金中析出相的密度和尺寸，進(jìn)而達(dá)到匹配材料強(qiáng)度和韌性的目的。

圖4 常見材料強(qiáng)度與斷裂韌性之間的關(guān)系

4.4 鋁鋰合金超塑性成形技術(shù)

超塑性（SuperPlastic Forming，SPF）是指金屬材料在某些特定的條件下呈現(xiàn)出異常優(yōu)異的延伸性。即在低的應(yīng)變速率（ε=10-2～10-4s-1）、一定的變形溫度（約為金屬熔化溫度的50%）和材料本身細(xì)小的晶粒尺寸（0.5～5 μm）的條件下，某些金屬呈現(xiàn)低強(qiáng)度和大伸長(zhǎng)率的一種特性，如鋼的伸長(zhǎng)率超過500%，純鈦超過300%，鋁鋅合金超過1000%。SPF 成形技術(shù)同樣適用于鋁鋰合金精密成形。該技術(shù)首先通過強(qiáng)塑性變形（強(qiáng)應(yīng)變軋制、等通道角擠壓等）獲得超細(xì)晶組織，再進(jìn)行慢速率熱加工從而實(shí)現(xiàn)超塑成形[16]。采用SPF 技術(shù)制備的鋁鋰合金構(gòu)件已在航空航天領(lǐng)域得到了較多應(yīng)用，例如英國(guó)麥道公司采用8090 鋁鋰合金制造出了F-15B 鷹戰(zhàn)斗機(jī)的整流罩（3 660 mm×406 mm×305 mm）；馬丁和雷諾兩家公司采用Weldalite049鋁鋰合金制備了運(yùn)載火箭貯箱半球圓頂蓋；北京航空制造工程研究所利用2091 鋁鋰合金制造出了某型號(hào)殲擊機(jī)前機(jī)身酒精箱口蓋內(nèi)蒙皮零件；中南大學(xué)與西南鋁業(yè)有限公司合作研發(fā)出了尺寸2000 mm×1200 mm×2 mm 的超塑性鋁鋰合金薄板[17]。利用鋁鋰合金的超塑性特點(diǎn)開發(fā)的新型成形技術(shù)也備受關(guān)注，如真空成形法、吹塑成形法、模壓成形法等。SPF技術(shù)可以對(duì)一些加工難度大、形狀復(fù)雜的薄壁零件進(jìn)行精密成形，制作成本低、幾乎無(wú)加工余量[18]。此外，近年來(lái)超塑性成形-擴(kuò)散焊在鋁鋰合金結(jié)構(gòu)的制造中也得到重視和發(fā)展，英國(guó)航宇公司利用這項(xiàng)焊接技術(shù)生產(chǎn)出了飛機(jī)用鋁鋰合金零部件[19]。

4.5 鋁鋰合金蠕變時(shí)效成形技術(shù)

蠕變時(shí)效成形（Creep Aging Forming，CAF）技術(shù)是針對(duì)一體化的大型整體壁板構(gòu)件高性能與精確成形協(xié)同制造而發(fā)展起來(lái)的一種新型鈑金成形方法[20]。美國(guó)Textron公司采用CFA技術(shù)制備了B-1遠(yuǎn)程轟炸機(jī)的上機(jī)翼壁板和空客A330/340/A380 的機(jī)翼壁板。國(guó)內(nèi)研究人員借助熱壓罐和彎曲模具成功制備出ARJ21 改型飛機(jī)的整體帶筋壁板結(jié)構(gòu)保護(hù)門[21]。此外，CAF 技術(shù)已成功應(yīng)用于土星5、阿里安5 等多種型號(hào)的運(yùn)載火箭貯箱壁板以及瓜瓣等構(gòu)件的制備[22]。近年來(lái)，諸多科研工作者針對(duì)CFA技術(shù)有限元模擬、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)建立、樣件工業(yè)化試制開展了大量研究工作[23-26]，積累了大量的鋁鋰合金CFA工藝基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，提出并完善了鋁鋰合金變形機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)材料宏觀外形尺寸、顯微組織以及力學(xué)性能的預(yù)測(cè)與控制。隨著國(guó)內(nèi)大飛機(jī)產(chǎn)業(yè)現(xiàn)實(shí)需求，大尺寸帶筋壁板工程化應(yīng)用逐漸成為研究熱點(diǎn)，工裝模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、蠕變成形回彈及精度控制、組織與性能的匹配等成為CAF工業(yè)化推廣進(jìn)程中最核心的技術(shù)問題。

4.6 鋁鋰合金焊接技術(shù)

在航空航天器材的制造中，焊接技術(shù)始終是不可或缺的連接技術(shù)。蘇聯(lián)采用1460 鋁鋰合金材料，運(yùn)用鎢極氬弧焊（Tungsten Inert Gas Welding）和真空電子束焊（Vacuum Electron Beam Welding）工藝成功制造出“能源號(hào)”運(yùn)載火箭貯箱；美國(guó)采用Weldalite049 鋁鋰合金材料，通過變極性等離子弧焊（Plasma Arc Welding）制造出航天飛機(jī)外貯箱。近年來(lái)，鋁鋰合金的激光焊接（Laser Welding）和攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding）受到極大關(guān)注?？湛凸韭氏葘⒓す夂附蛹夹g(shù)應(yīng)用于空客A 系列產(chǎn)品下機(jī)身部分鋁合金壁板的制造[27]；美國(guó)SpaceX 軌道公司利用FSW 技術(shù)制備2198 鋁鋰合金火箭貯箱，直徑達(dá)3.6 m。2002 年中國(guó)攪拌摩擦焊中心正式成立，在FSW 技術(shù)理論基礎(chǔ)研究、專用裝備開發(fā)以及工程化產(chǎn)品開發(fā)制造等領(lǐng)域都取得了較大突破。目前國(guó)內(nèi)企業(yè)，如賽福斯特等已經(jīng)初步掌握了航空航天用高強(qiáng)鋁合金、飛機(jī)復(fù)雜型面地板結(jié)構(gòu)的攪拌摩擦焊工藝技術(shù)[28]。

5 未來(lái)展望

自1924 年第一個(gè)含Li 鋁合金Scleron 問世，鋁鋰合金的研發(fā)史即將百年。早期鋁鋰合金的研制是由航空產(chǎn)業(yè)的輕量化需求推動(dòng)，依賴于其低密度、高比強(qiáng)度的特性。而近年來(lái)隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們?cè)絹?lái)越發(fā)現(xiàn)輕量化已經(jīng)不是鋁鋰合金的唯一優(yōu)勢(shì)。在耐損傷性能、疲勞壽命和耐蝕性能等方面，鋁鋰合金都顯示出比肩傳統(tǒng)2×××、7×××系鋁合金的趨勢(shì)。未來(lái)鋁鋰合金的研發(fā)方向可能包括：

（1）充分挖掘鋁鋰合金除低密度、高比強(qiáng)度之外的綜合性能優(yōu)勢(shì)，在材料耐損傷性能、疲勞壽命和耐蝕性能等方向開展技術(shù)攻關(guān)和工業(yè)化應(yīng)用，研發(fā)第四代鋁鋰合金，進(jìn)一步擴(kuò)大鋁鋰合金在航空航天、海洋艦船等方向的應(yīng)用。

（2）持續(xù)推動(dòng)第三代鋁鋰合金綜合性能優(yōu)化，部分替代2×××和7×××系高性能鋁合金，在保證低密度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)綜合性能提高20%的發(fā)展目標(biāo)。如，高強(qiáng)鋁合金領(lǐng)域，以2065、2055、2050 代替 7150、7055、7050、7175，配套以T8X熱處理代替T7X熱處理；中強(qiáng)耐損傷鋁合金領(lǐng) 域 ， 2076、 2060、 2099 代 替 2024、 2624、2324，配套T8X熱處理代替T3X熱處理等。

（3）研發(fā)低成本鋁鋰合金制備技術(shù)。加快新一代熔鑄技術(shù)、噴射成形技術(shù)、粉末冶金技術(shù)的研發(fā)，提高原材料生產(chǎn)環(huán)節(jié)的合金成品率；研發(fā)無(wú)Ag鋁鋰合金等，使鋁鋰合金綜合成本進(jìn)一步降低。