杜 康，王軍強，曹海龍，劉 成

（中鋁材料應用研究院有限公司，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，鋁合金的首次應用可以追溯到一百多年前的1903 年，美國的萊特兄弟發(fā)明了“Flyer”號飛行器，當時的鋁材屬于發(fā)動機的構(gòu)件之一[1]。隨著鋁合金性能的不斷升級以及其固有的輕量化優(yōu)勢，鋁材逐步替代木材、鋼材成為飛機上的主力材料。尤其是第二次世界大戰(zhàn)中對高機動性轟炸機、戰(zhàn)斗機的需求，進一步推動了鋁材的應用。以2024、7075等合金為代表的高強韌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 合金應當屬于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用前景的航空航天用鋁。其優(yōu)勢主要體現(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 等強化相，顯著提高材料彈性模量和強度（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鋁合金密度的影響

圖2 鋁鋰合金與7×××系合金性能對比

第一個含鋰鋁合金是1924 年由德國科學家在實驗室配置的，其在Al-Zn-Cu-Mn 系合金中嘗試添加了0.1%Li，并命名Scleron 合金。第一代可應用的鋁鋰合金是美國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；但由于當時的電解鋁冶煉技術(shù)較差導致合金的綜合性能欠佳，未實現(xiàn)大規(guī)模推廣。第二代鋁鋰合金的研制明顯受到19 世紀70 年代的能源危機影響，中東戰(zhàn)爭后原油價格由3美元每桶提升到10 美元每桶，材料輕量化潮流推動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，使材料密度進一步降低，最低可達2.5 g/cm3；盡管第二代鋁鋰合金具有諸多缺點，如各向異性明顯、焊接性差等，但是已經(jīng)開始大規(guī)模應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。此時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及其密度和成分[2-3]。

表1 典型鋁鋰合金密度及成分

2 國內(nèi)鋁鋰合金產(chǎn)業(yè)發(fā)展

我國鋁鋰合金的研究始于1986 年開始的第七個“五年計劃”，由西南鋁業(yè)公司、中南大學等單位聯(lián)合開展了仿2091 中強型鋁鋰合金的研究。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Al-Li合金半連鑄機組，為我國鋁鋰合金的工業(yè)化生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)?！熬盼濉逼陂g，根據(jù)國家航天發(fā)展規(guī)劃要求，中南大學和西南鋁業(yè)公司針對液氫/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Alcoa 公司的2195 合金相當[3]。2000 年之后，隨著國內(nèi)一系列發(fā)射任務及國產(chǎn)大飛機的迫切需求，鋁鋰合金走上推廣應用的快車道。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 用機身等直段筒體，全長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。

盡管國內(nèi)對于鋁鋰合金的研究和應用越來越廣泛，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，國產(chǎn)C919大飛機用2060（見表2）、2099等鋁鋰合金均進口自美國Alcoa公司[4-5]。

表2 國產(chǎn)大飛機使用的2060鋁鋰合金成分（質(zhì)量分數(shù)/%）

3 鋁鋰合金在航空航天系統(tǒng)中的應用

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

圖3 飛機用鋁鋰合金選材建議

在航天領(lǐng)域，基于對高強度、可焊性的要求，鋁鋰合金主要應用于火箭推進劑貯箱上，包括液氫液氧貯箱筒體和旋壓成型的端蓋；高強度是航天器選材時的首要考量指標，同時由于上世紀航天飛機失事的原因，對于材料的耐應力腐蝕考核也是鋁鋰合金的重點關(guān)注指標。應用較多的合金牌號有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，材料強度達到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，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韌性匹配。第一代和第二代鋁鋰合金強韌性較低的原因是：（a）材料中存在的δ（Al3Li）相本征特性不利于材料的強韌性，δ 相的點陣常數(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切過產(chǎn)生共面滑移，導致應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，從而損害合金的強韌性。

第三代鋁鋰合金提高材料強韌性的方式主要有：（a）降低Li 元素添加量，從而減少δ 相析出；（b）促進T1（Al2Culi）相析出消耗掉Li元素，從而減少δ 相析出，此方法在實踐中多通過添加Ag/Mg元素或預變形的手段進一步促進T1 相形核；（c）通過Zr、Sc等微合金化提高材料強韌性，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，導致沿變形方向的力學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)晶分數(shù)，將纖維晶粒轉(zhuǎn)換為等軸晶，但是該方法會導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提高鑄錠質(zhì)量，同時配合小的變形量，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會顯著降低板材各向異性，主要機理在于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度［7-9］。從實測數(shù)據(jù)來看，鋁鋰合金的疲勞強度明顯高于傳統(tǒng)2024 合金和7075 合金，提升幅度20~70 MPa（見表3）[10]。當考慮密度時，鋁鋰合金的疲勞強度進一步增大。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，同時降低Fe、Si 含量。通過將F16戰(zhàn)機的后機身艙壁由原來使用的2124鋁合金換成2197 鋁鋰合金，解決了疲勞壽命不足、服役時間達不到8 000 h的問題[11]。

表3 典型合金疲勞極限和比疲勞強度對比

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，產(chǎn)渣量要遠遠高于普通合金；（2）析氫現(xiàn)象嚴重，容易導致氣孔缺陷，其化學反應式為Li+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的方法生產(chǎn)大鑄錠，通過先抽真空再通入惰性氣體保護是目前的主流生產(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，因為傳統(tǒng)泥土材料中含有Al2O3、SiO2等，容易與Li反應產(chǎn)生氧化物[13]，同時應盡量減少坩堝與熔體的接觸面積；（3）近年來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)應用，通過縮短凝固時間、降低反應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)的進步，形變熱處理已經(jīng)成為制備高強高韌鋁材的通用技術(shù)。通過對固溶態(tài)坯料施加預變形所產(chǎn)生的大量位錯作為后續(xù)時效過程中析出相的形核質(zhì)點，可以顯著提高時效析出相的分布密度。在鋁鋰合金中，當T1相在位錯形核時，其形核長大需要抵抗的表面能降低，從而提高了其析出密度[14]。T1相密度的增加會減少鋁鋰合金的共面滑移傾向和塑性變形過程中的應力集中傾向，進而改善合金強韌性。

此外，通過調(diào)整時效熱處理也可以對材料強韌性進行調(diào)整，欠時效狀態(tài)下材料強度低而韌性較高，峰時效時強度高而斷裂韌性顯著下降。根據(jù)Ashby 統(tǒng)計關(guān)系[15]（見圖4），在鋁合金體系中，鋁材的韌性Kc和屈服強度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)整來改善合金中析出相的密度和尺寸，進而達到匹配材料強度和韌性的目的。

圖4 常見材料強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%）和材料本身細小的晶粒尺寸（0.5～5 μm）的條件下，某些金屬呈現(xiàn)低強度和大伸長率的一種特性，如鋼的伸長率超過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)首先通過強塑性變形（強應變軋制、等通道角擠壓等）獲得超細晶組織，再進行慢速率熱加工從而實現(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)域得到了較多應用，例如英國麥道公司采用8090 鋁鋰合金制造出了F-15B 鷹戰(zhàn)斗機的整流罩（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殲擊機前機身酒精箱口蓋內(nèi)蒙皮零件；中南大學與西南鋁業(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)可以對一些加工難度大、形狀復雜的薄壁零件進行精密成形，制作成本低、幾乎無加工余量[18]。此外，近年來超塑性成形-擴散焊在鋁鋰合金結(jié)構(gòu)的制造中也得到重視和發(fā)展，英國航宇公司利用這項焊接技術(shù)生產(chǎn)出了飛機用鋁鋰合金零部件[19]。

4.5 鋁鋰合金蠕變時效成形技術(shù)

蠕變時效成形（Creep Aging Forming，CAF）技術(shù)是針對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)展起來的一種新型鈑金成形方法[20]。美國Textron公司采用CFA技術(shù)制備了B-1遠程轟炸機的上機翼壁板和空客A330/340/A380 的機翼壁板。國內(nèi)研究人員借助熱壓罐和彎曲模具成功制備出ARJ21 改型飛機的整體帶筋壁板結(jié)構(gòu)保護門[21]。此外，CAF 技術(shù)已成功應用于土星5、阿里安5 等多種型號的運載火箭貯箱壁板以及瓜瓣等構(gòu)件的制備[22]。近年來，諸多科研工作者針對CFA技術(shù)有限元模擬、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫建立、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制，實現(xiàn)了對材料宏觀外形尺寸、顯微組織以及力學性能的預測與控制。隨著國內(nèi)大飛機產(chǎn)業(yè)現(xiàn)實需求，大尺寸帶筋壁板工程化應用逐漸成為研究熱點，工裝模具結(jié)構(gòu)設計、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”運載火箭貯箱；美國采用Weldalite049 鋁鋰合金材料，通過變極性等離子弧焊（Plasma Arc Welding）制造出航天飛機外貯箱。近年來，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。空客公司率先將激光焊接技術(shù)應用于空客A 系列產(chǎn)品下機身部分鋁合金壁板的制造[27]；美國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3.6 m。2002 年中國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鋁合金、飛機復雜型面地板結(jié)構(gòu)的攪拌摩擦焊工藝技術(shù)[28]。

5 未來展望

自1924 年第一個含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，依賴于其低密度、高比強度的特性。而近年來隨著技術(shù)的不斷進步，人們越來越發(fā)現(xiàn)輕量化已經(jīng)不是鋁鋰合金的唯一優(yōu)勢。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。未來鋁鋰合金的研發(fā)方向可能包括：

（1）充分挖掘鋁鋰合金除低密度、高比強度之外的綜合性能優(yōu)勢，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)化應用，研發(fā)第四代鋁鋰合金，進一步擴大鋁鋰合金在航空航天、海洋艦船等方向的應用。

（2）持續(xù)推動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實現(xiàn)綜合性能提高20%的發(fā)展目標。如，高強鋁合金領(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Ag鋁鋰合金等，使鋁鋰合金綜合成本進一步降低。