鋁合金大家都不會(huì)陌生，因?yàn)槠鋬r(jià)格便宜、美觀耐用，已經(jīng)普遍應(yīng)用到了各行各業(yè)。其中，有一類鋁合金因在航空航天領(lǐng)域廣泛應(yīng)用而備受關(guān)注，它就是鋁鋰合金。

對(duì)于航空航天來說，節(jié)約質(zhì)量就是大幅度節(jié)約成本。為了降低飛機(jī)和火箭自身的重量，科研人員一直都在制造材料上下功夫，希望能夠找到一種既輕便又結(jié)實(shí)的材料。鋁鋰合金，作為一種先進(jìn)的輕量化結(jié)構(gòu)材料，具有密度低、比強(qiáng)度和比剛度高、彈性模量高、疲勞裂紋擴(kuò)展速率低、低溫性能較好、良好的耐腐蝕性和卓越的超塑成形性能等諸多優(yōu)異的綜合性能。中國(guó)的大飛機(jī)C919大部分結(jié)構(gòu)材料使用的就是鋁鋰合金。下面我們就來為大家簡(jiǎn)單介紹一下鋁鋰合金。

鋁鋰合金是什么

所謂鋁鋰合金就是在鋁合金材料中添加少量鋰金屬形成的合金。因?yàn)殇嚱饘偈堑厍蛏厦芏茸钚〉慕饘伲人拿芏冗€要小。把這種金屬添加到其他金屬里面，就可以降低合金的密度。比如添加到鋁合金里面，只需要有1%的鋰金屬，就可以讓鋁合金降低3%的密度。通過添加鋰金屬，可以生產(chǎn)比傳統(tǒng)鋁合金更輕的合金材料，滿足航空航天產(chǎn)業(yè)不斷降低質(zhì)量、降低運(yùn)營(yíng)成本的要求。當(dāng)然，通過研究的不斷深入，發(fā)現(xiàn)鋁鋰合金不僅可以實(shí)現(xiàn)更低的密度，還可以實(shí)現(xiàn)更高的強(qiáng)度，從而可以在保證飛機(jī)強(qiáng)度的前提下，降低材料的使用量，進(jìn)一步降低飛機(jī)的質(zhì)量。

當(dāng)然，鋁鋰合金絕不僅僅是往鋁里面添加鋰金屬那么簡(jiǎn)單，如果真是那么簡(jiǎn)單，也不會(huì)成為價(jià)格高昂的航空航天材料了。鋰金屬本身是一種活潑金屬，自己放在空氣里面很容易被氧化，甚至有可能被點(diǎn)燃發(fā)生火災(zāi)。這種活潑的金屬如果添加到鋁合金里面，很容易被氧化，不僅自己被氧化，還很容易帶動(dòng)鋁合金被氧化。所以，雖然鋁金屬里面添加鋰就會(huì)降低合金密度，但也不會(huì)大量添加，目前已經(jīng)成型的各類鋁鋰合金添加的鋰金屬含量沒有超過3%的，主流的鋁鋰合金中鋰元素的含量集中在1-2%之間，上下浮動(dòng)不大。

此外，單獨(dú)添加鋰元素，并不足以提高鋁合金的強(qiáng)度，反而有可能降低鋁合金的強(qiáng)度。因此，主流的鋁鋰合金絕不僅僅是鋁元素和鋰元素的合金，而是同時(shí)添加了幾種甚至十幾種元素的復(fù)雜合金，甚至有些元素的含量會(huì)超過鋰元素。

鋁鋰合金發(fā)展歷程

鋁鋰合金主要經(jīng)歷了四代產(chǎn)品。最早的含鋰鋁合金誕生于1924年，鋰元素添加量只有0.1%，當(dāng)初也沒有發(fā)現(xiàn)這種材料的特殊性能，所以并沒有引起重視，也沒有把鋁鋰合金當(dāng)做重點(diǎn)的研究方向進(jìn)一步深入。直到20世紀(jì)50年代，美國(guó)和蘇聯(lián)先后研發(fā)出了真正意義上的第一代鋁鋰合金。第一代鋁鋰合金的主要特征就是密度低，可以降低飛機(jī)制造材料的質(zhì)量，進(jìn)一步可以幫助飛機(jī)節(jié)省燃料，降低飛機(jī)運(yùn)營(yíng)成本。美蘇先后把鋁鋰合金應(yīng)用到了飛機(jī)部件的制造上，并取得了不錯(cuò)的經(jīng)濟(jì)效益。就此鋁鋰合金引起了各國(guó)的重視，成為大家重點(diǎn)研發(fā)的一種重要航空航天材料。

但是，第一代鋁鋰合金延展性差，不容易加工、容易斷裂且斷裂后容易被腐蝕等等，這些缺點(diǎn)決定了鋁鋰合金并不能很好的滿足航空航天的應(yīng)用需求。以飛機(jī)為例，如果結(jié)構(gòu)材料很容易損壞或者很容易腐蝕的話，就會(huì)給飛機(jī)帶來很大的安全隱患。

到了20世紀(jì)60年代，國(guó)際市場(chǎng)油價(jià)飆升，催生了第二代鋁鋰合金。只要能降低飛機(jī)質(zhì)量，就能節(jié)省燃油損耗，從而節(jié)約運(yùn)營(yíng)高成本。所以，第二代鋁鋰合金主要還是以降低密度為主要抓手，提高鋁鋰合金中的鋰元素含量，往往會(huì)添加超過2%的鋰元素。第二代鋁鋰合金相對(duì)于傳統(tǒng)鋁合金可以降低8%~10%的質(zhì)量。但也正是因?yàn)殇囋睾扛撸o鋁鋰合金帶來了一定的不穩(wěn)定因素。第二代鋁鋰合金熱穩(wěn)定性比較差，加工性能和易斷裂的性能沒有很好的改善，同時(shí)還存在著各向異性，也就是不同方向結(jié)構(gòu)強(qiáng)度之類的指標(biāo)不一樣，給材料實(shí)際應(yīng)用帶來很多困難。

真正意義上鋁鋰合金時(shí)代的到來，還是從20世紀(jì)90年代開始的，到這個(gè)時(shí)期，人類對(duì)鋁鋰合金的認(rèn)識(shí)已經(jīng)到了一個(gè)新的高度，不再追求整體性能的提高，而是根據(jù)不同用途，研究不同性能的鋁鋰合金。第三代鋁鋰合金根據(jù)不同用途衍生出了多種牌號(hào)的鋁鋰合金產(chǎn)品，滿足了不同領(lǐng)域的需求。

第三代鋁鋰合金從一定程度上解決了第一代鋁鋰合金和第二代鋁鋰合金的遺留問題。通過降低鋰元素的添加量確保材料穩(wěn)定性，并進(jìn)一步改進(jìn)配方使用一些特殊性能的元素，真正意義上讓鋁鋰合金實(shí)現(xiàn)了密度小、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大、易加工、耐腐蝕等一系列優(yōu)秀性能。鋁鋰合金也正式得到了航空航天產(chǎn)業(yè)的認(rèn)可，在飛機(jī)和火箭上的應(yīng)用比例越來越高。第二代鋁鋰合金主要應(yīng)用到一些運(yùn)輸機(jī)和直升機(jī)上，而到了第三代鋁鋰合金這里，民用航空大飛機(jī)也開始大規(guī)模使用，大飛機(jī)的蒙皮、橫梁等重要結(jié)構(gòu)部件都用上了特定性能的鋁鋰合金。第三代鋁鋰合金的使用，不僅僅是從材料密度上實(shí)現(xiàn)了降低，而且大幅度提升了材料強(qiáng)度，真正意義上給飛機(jī)來了輕便又安全的機(jī)身。

不僅僅是飛機(jī)從鋁鋰合金材料這里得到了好處，火箭也逐漸開始擁抱鋁鋰合金。美國(guó)的航天飛機(jī)液氫液氧貯箱就使用了鋁鋰合金材料，降低了5%的材料密度和3噸左右的重量，這樣的減重對(duì)于航天飛機(jī)運(yùn)營(yíng)來說是非常有利的。此后，很多火箭的燃料貯箱也開始使用鋁鋰合金材料。比如近些年發(fā)展迅猛的SpaceX公司，其獵鷹9火箭燃料貯箱材料就是使用鋁鋰合金材料。相對(duì)來說，中國(guó)火箭領(lǐng)域應(yīng)用鋁鋰合金材料比較晚，目前主流的火箭，燃料貯箱全都沒有采用鋁鋰合金材料。但值得一提的是，中國(guó)已經(jīng)攻克了3.5米直徑大型鋁鋰合金貯箱的研制，也許很快我們就能看到采用鋁鋰合金貯箱的中國(guó)火箭發(fā)射了。

第三代鋁鋰合金在一定程度上已經(jīng)克服了前兩代鋁鋰合金材料的缺陷，使用安全性、可靠性得到了大幅度提升，但仍存在一定的提升空間，于是又催生了第四代鋁鋰合金材料。第四代鋁鋰合金材料要求性能更優(yōu)異，成本更低廉。第三代鋁鋰合金材料，通過添加少量銀元素，改進(jìn)了合金材料的性能，但是銀元素的成本還是比較高的，第四代鋁鋰合金就是要做到盡量少用甚至不用銀元素的前提下，還能進(jìn)一步提升材料性能。目前已經(jīng)制備出來的第四代鋁鋰合金材料，強(qiáng)度高、抗裂性能、抗腐蝕性能好的同時(shí)，具有更好的韌斷性和更好的靜強(qiáng)度，能進(jìn)一步滿足航空航天領(lǐng)域的需求。

需要補(bǔ)充的是，鋁鋰合金不僅僅是成分比較特殊，它們?cè)谏a(chǎn)和加工時(shí)也有很多需要注意的。如果不能把各種因素都考慮到位，是不可能生產(chǎn)出合格的高性能鋁鋰合金的，這也正是這種材料還不能成為大眾材料的重要原因。

工藝特性及前景

鋰元素是一種很活潑的元素，而且密度很小，那添加鋰元素的鋁鋰合金冶煉的過程中有很多因素需要考慮。最重要的一點(diǎn)，那就是在冶煉的過程中一定要主要隔絕空氣，因?yàn)榭諝夂苋菀籽趸囋兀囋匮趸院螅瑫?huì)嚴(yán)重影響最后鋁鋰合金的性能。所以鋁鋰合金的冶煉裝置需要把空氣抽走形成真空或者重新加入惰性氣體，之后才能開始冶煉。另外，冶煉的原材料也必須嚴(yán)格控制，稍有不慎混進(jìn)一些雜物，比如一些氧化物，就很容易把鋰元素氧化，從而嚴(yán)重影響最終產(chǎn)品的性能。

鋁鋰合金材料的加工和焊接也有很多需要講究的地方，不是隨隨便便照搬其他鋁合金材料的加工工藝就可以了。必須充分考慮鋁鋰合金的獨(dú)特性質(zhì)，科學(xué)選擇加工工藝才行。

中國(guó)的鋁鋰合金生產(chǎn)和加工起步相對(duì)比較晚，產(chǎn)業(yè)化程度還不太高，主要應(yīng)用到軍工領(lǐng)域，航天領(lǐng)域還沒有正式鋪開，民用航空應(yīng)用也不多，未來提升空間比較大。雖然中國(guó)大飛機(jī)C919應(yīng)用鋁鋰合金的比例相對(duì)很高，但就目前而言，我國(guó)各類鋁鋰合金材料進(jìn)口比例較高，距離完全實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化替代的道路還是比較長(zhǎng)的，這也是推動(dòng)中國(guó)鋁鋰合金產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要契機(jī)。