導(dǎo) 讀

介紹了第一代Al-Li合金的開發(fā)與應(yīng)用以及第二代Al-Li合金的研發(fā)情況，并詳細(xì)地論述了第三代Al-Li合金的化學(xué)成分、工程性能及開發(fā)與應(yīng)用。討論了航空用第三代Al-Li合金的改進(jìn)方向和發(fā)展趨勢(shì)。

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一、第一代 Al-Li的早期發(fā)展歷史

鋰是最輕的金屬元素，因此作為鋁中的合金化元素是最有優(yōu)勢(shì)的，用于輕量合金基的航空航天材料的主要結(jié)構(gòu)材料。每增加一個(gè)單位鋰，鋁的密度降低約3%，而彈性模量提高了約6%。除此之外，在提高高周疲勞和抗疲勞裂紋擴(kuò)展的同時(shí)，還能增強(qiáng)抗拉強(qiáng)度。鋁鋰合金在低溫溫度下的強(qiáng)度-斷裂韌性的綜合性能也比較有優(yōu)勢(shì)。在鋁基體中加入鋰及其它合金化元素，可制備不同系列不同性能和用途的鋁鋰合金。

鋁鋰合金的開發(fā)可追溯到1942 年，由 I.M.LeBaron首次開發(fā)了Al-Cu-Li合金并于1945年獲得一項(xiàng)Al-Li 合金專利。此后，在英國(guó) Hardy 和Silcock 的后續(xù)工作確認(rèn)了在 Al-Cu-Li 合金中的強(qiáng)化相。表1為鋁鋰合金早期開發(fā)與使用情況。

表1 Al-Li合金早期研究

在20世紀(jì)50年代，美國(guó)鋁業(yè)公司的冶金學(xué)家認(rèn)為，鋰的添加提高了鋁合金的彈性模量，并在1957年開發(fā)了高強(qiáng)度的 Al-Cu-Li 合金2020。2020合金的標(biāo)稱化學(xué)成分為Al-4.5Cu-1.1Li-0.5Mn-0.2Cd，除了在150～200℃下具有高強(qiáng)度外，該合金在這些溫度下還具有高抗蠕變性。

隨后，2020合金被商業(yè)化生產(chǎn)，并用于美國(guó)海軍RA5C義務(wù)警員飛機(jī)上。它一直表現(xiàn)良好，在二十多年里沒有任何失效記錄。鋁鋰合金在航空應(yīng)用上引人注目，因?yàn)榕c傳統(tǒng)航空用鋁合金相比它們具有低密度和高模量。在鋁中每添加一個(gè)重量百分比的鋰會(huì)使鋁密度降低3%，模量提高約6%。

但是，2020 合金的脆性和生產(chǎn)問題阻礙了其進(jìn)一步應(yīng)用，于20 世紀(jì) 60 年代從商業(yè)生產(chǎn)中撤出。一份當(dāng)代數(shù)據(jù)圖表顯示，盡管2020-T6可能表現(xiàn)出較低的韌性，但即使它在一種非常嚴(yán)苛的條件下被使用，其相對(duì)性能與同期的其他高強(qiáng)度的航天合金相比沒有差異。

在20 世紀(jì) 60 年代初，跟隨美國(guó)Al-Cu-Li-Cd合金的研究工作，前蘇聯(lián)對(duì)Al-Li合金也有一些重要的研究和開發(fā)，尤其是I.N.Fridlyander院士和他的同事們。當(dāng)時(shí)被廣泛研究的俄羅斯合金 VAD23有著與2020 合金非常相似的成分，即，Al-4.8%~5.8%Cu，0.9%~1.4%Li，0.4%~0.8%Mn，0.1%~0.25%Cd，Ti≤0.15%，0.3%Fe，0.3%Si，0.1%Zn，以及0.05%Mg。該合金在前蘇聯(lián)的使用有限，但在反坦克導(dǎo)彈的翼穩(wěn)定器的制造中得以使用。

在1952 年，F(xiàn).I. Samray 研究了許多Al-Mg-Li系合金并證實(shí)了含Li的合金化Al-Mg合金對(duì)其力學(xué)性能幾乎沒有影響，并在熱處理過程中也不會(huì)導(dǎo)致力學(xué)性能的改善。他斷定開發(fā)該系列的新的工業(yè)成分并沒有前途。但是，在1965年，I.N.Fridlyander、M.V. Shiryaeva、B.V. Tyurin 和V.S. Sandler 發(fā)現(xiàn)在Al-Li-Mg 系中大量合金的硬化效果。該工作導(dǎo)致開發(fā)了含2% Li、5.5% Mg 和0.1% Zr 的 01420 合金，比2024 合金輕 10%～12%，在許多國(guó)家有專利。據(jù)稱，該合金具有較高的抗腐蝕性、較好的焊接性、較高的彈性模量以及靜態(tài)強(qiáng)度。Fridlyander等人也開發(fā)了含Sc 的 01420 合金的一個(gè)變型，即01421。在抑制再結(jié)晶長(zhǎng)大方面，Sc比Zr、Cr和Mn有更強(qiáng)的影響力。它有助于在變形產(chǎn)品中形成較細(xì)的亞晶組織，并提供另外的強(qiáng)化作用，這歸因于穩(wěn)定的Al3Sc彌散顆粒的形成。其在鋁中的最大原子溶解度超過Zr約1.7倍（0.5%VS對(duì)0.089%），并有大約相等的重量百分溶解度。

01420合金是商用合金中密度最低的合金之一。在 1970～1971年，該合金被用于垂直起飛和降落飛機(jī)？k36和？k38中。這是首次將焊接鋁合金用于飛機(jī)上。該合金也用于直徑為4.5m 的液態(tài)氧氣瓶中。

二、第二代鋁鋰合金的研發(fā)與應(yīng)用

2.1 概述

在20世紀(jì)70年代，燃料成本、與增長(zhǎng)幅度相關(guān)的市場(chǎng)價(jià)值以及著陸重量費(fèi)用導(dǎo)致將技術(shù)重點(diǎn)集中到重量減輕上。均衡研究是為了確定哪些性能的改進(jìn)對(duì)節(jié)省重量有最大的影響。這些研究表明，密度降低是最有優(yōu)勢(shì)的。鋰，作為最輕的金屬，對(duì)減少鋁的密度有最大的影響。鋁業(yè)公司也開始對(duì)低密度的合金產(chǎn)生了興趣，因?yàn)樗麄儞?dān)心來自航空材料用的非金屬?gòu)?fù)合材料的競(jìng)爭(zhēng)，并相信在鋁合金的開發(fā)上會(huì)有重大的進(jìn)展，且可以保持這一競(jìng)爭(zhēng)力。盡管碳纖維和硼纖維非金屬?gòu)?fù)合材料比其它航空用結(jié)構(gòu)材料具有更大的密度優(yōu)勢(shì)，但鋁合金的性能改進(jìn)似乎更令人滿意。

詳細(xì)的設(shè)計(jì)研究預(yù)測(cè)Al-Li合金滿足預(yù)先確定的鋁合金開發(fā)目標(biāo)，通過減少密度和增加剛度，能夠生產(chǎn)出重量節(jié)省約8%～15%的產(chǎn)品（見圖2）。絕大多數(shù)這些Al-Li合金開發(fā)項(xiàng)目的方法是利用從先前的鋁冶金得出的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。這些方法包括將鐵和硅含量減少到韌性和延性經(jīng)濟(jì)可行的最低限度；用Zr代替Mn，形成Al3Zr彌散顆粒，用于晶粒細(xì)化，因?yàn)檩^大的富Mn彌散顆粒通過成核孔穴對(duì)其延性有不利影響；不使用Cd為成核強(qiáng)化析出物，因?yàn)樵撛厮坪踉黾恿?020 合金的晶間斷裂。這些研究項(xiàng)目導(dǎo)致“第二代”Al-Li合金的產(chǎn)生。

圖2 洛克希德飛機(jī)與重量節(jié)省及各種性能改進(jìn)圖

2.2 第二代Al-Li合金的開發(fā)與應(yīng)用

有兩種不同的方法來開發(fā)第二代Al-Li 合金：一是粉末冶金法（P/M），另一種是鑄錠冶金法（I/M）。粉末冶金的優(yōu)點(diǎn)是，更大范圍的化學(xué)成分、顯微結(jié)構(gòu)靈活、有幾種可能的生產(chǎn)方法，例如快速凝固和機(jī)械合金化。但是，P/M工藝成本更高，生產(chǎn)能力較小，導(dǎo)致生產(chǎn)的鑄錠尺寸較小。I/M工藝生產(chǎn)成本可能較低，能生產(chǎn)較大尺寸的鑄錠，大部分使用現(xiàn)有的生產(chǎn)設(shè)備。Al-Li合金的鑄造設(shè)備可能受限且昂貴，其化學(xué)成分比用粉末冶金法生產(chǎn)的更受限。

最大的P/M 研發(fā)部門是由 R.E.Lewis 和洛克希德導(dǎo)彈和空間公司帶領(lǐng)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)，他們的目標(biāo)是生產(chǎn)一種模量/密度比和強(qiáng)度/密度比（與5AA7075-T76相比）分別增加 30%和20%的 Al-Li-X 合金。由于生產(chǎn)困難，該目標(biāo)未能完成。在這個(gè)項(xiàng)目中，很明顯的是，使用I/M方法是成功的最佳途徑。

主要的鋁生產(chǎn)廠家，如Alcoa（美國(guó)）、Pechiney（法國(guó)）以及英國(guó)的Alcan都參與了采用I/M方法進(jìn)行鋁鋰合金的研究。阿爾考集中在7075-T6替代產(chǎn)品，Pechiney集中在2024-T3薄板和輕規(guī)格產(chǎn)品的替代品，英國(guó)的Alcan也是如此。在這些生產(chǎn)廠家研制的最初合金中，大約含2%或更多的Li，約2%或更多的Cu，一些Mg和Zr，以便控制晶粒組織。表2示出了部分初始合金的化學(xué)成分以及密度。

表2 部分第二代鋁鋰合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）及密度

必須首先解決的主要問題之一是鋁鋰合金的生產(chǎn)成本。這包括與含鋰鋁合金的反應(yīng)性相關(guān)的特殊鑄造設(shè)備，且生產(chǎn)廠家必須研究方法以控制在鑄造過程中鋰與空氣發(fā)生反應(yīng)。融熔鋁鋰合金與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致大量的生產(chǎn)問題。這些問題包括如下：金屬表面與熔體里的氧化物、氮化物和碳酸鹽夾雜物發(fā)生快速反應(yīng)；熔體與鑄造材料、坩堝、里襯和模子發(fā)生反應(yīng)；還有較大的爆炸危險(xiǎn)。

在熔煉和鑄造過程中，必須使用改進(jìn)的耐火材料和除氣程序、保護(hù)惰性氣體和/或表面助熔劑，采用專門的鑄錠冷卻技術(shù)（有些采用有機(jī)冷卻劑來代替水）。除此之外，要注意來自鋁鋰合金的廢料與其他鋁合金的廢料混合在一起，以及這類夾雜對(duì)性能的影響。因此，研發(fā)廢料回收系統(tǒng)，對(duì)合金的有用成分進(jìn)行回收再利用是十分重要的。

三、第三代 Al-Li合金的研發(fā)應(yīng)用及改進(jìn)方向

3.1 研發(fā)與應(yīng)用

第三代鋁鋰合金可以追溯到20 世紀(jì) 80 年代，那時(shí)Pickens 等人效力于 Martin Marietta 馬丁公司（后為L(zhǎng)ockheedMartin洛克希德公司），著手設(shè)計(jì)用于航空航天運(yùn)載火箭和冷凍桶槽的具有低密度的可焊鋁基合金。他們采用2219 合金為基體（因其具有較好的低溫性能），利用Hardy和 Silcock相圖來選擇T1相場(chǎng)的化學(xué)成分，希望最大程度上減少δ‘的存在。根據(jù)Polmear的研究工作，針對(duì)T1相，添加Ag和Mg作為成核劑，添加Zr來控制晶粒結(jié)構(gòu)，以細(xì)化焊接區(qū)域的晶粒結(jié)構(gòu)。這種名為Weldalitet的標(biāo)稱化學(xué)成分為 Al-（4.6-6.3） Cu-1.3Li-0.4Ag-0.4Mg-0.14Zr-0.06Fe-0.03Si，通過均勻分布T1該合金能達(dá)到700MPa的屈服強(qiáng)度。

第三代鋁鋰合金含鋰少于2%。Weldalitet合金系列的后續(xù)款含有Zn，提高了抗腐蝕性。鋅進(jìn)入到晶粒中的固溶體中，降低了基體的點(diǎn)蝕電位，并降低了晶界與基體之間的電化學(xué)勢(shì)差，這樣就改進(jìn)了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)腐蝕性能。研究開發(fā)了2195 合金，用于 1998 年首飛的航天飛機(jī)的超輕罐上。該新合金和一些設(shè)計(jì)改變使整個(gè)輕量貯罐減輕了重量3175kg/7000 lb，并使航天飛機(jī)的性能有顯著的提高，達(dá)到了國(guó)際空間站要求。表3中示出了其它第三代Al-Li合金的化學(xué)成分。

表3 第三代Al-Li-X合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

3.2 改進(jìn)與發(fā)展方向

在航空航天應(yīng)用中，鋁合金的一般用途中力學(xué)性能的各向異性起著一個(gè)重要的作用。所有的含有作為晶粒細(xì)化劑Zr 的早期鋁鋰合金都顯示出細(xì)長(zhǎng)的薄餅狀晶粒，有明顯的晶體織構(gòu)。Zr在鑄錠的預(yù)熱過程中形成了連貫的Al3Zr彌散體，在正常的鑄錠斷裂和后續(xù)處理過程中非常有效地抑制了再結(jié)晶。

在1992 年，美國(guó)空軍賴特實(shí)驗(yàn)室為了大大降低含Li量大于2%的鋁合金的平面內(nèi)各向異性，最初的方法是在軋制步驟之間引入中間再結(jié)晶退火，以減少劇烈變形織構(gòu)，從而降低合金的各向異性。所設(shè)計(jì)的既抑制又促進(jìn)再結(jié)晶兩步法被證明是很成功的，模量和屈服強(qiáng)度的各向異性從早期的Al-Li合金的20%～25%減少到空軍用合金的10%。此外，整個(gè)合金短橫向的斷裂韌性提高了近4倍，合金中Li含量均超過2.0%。空軍用合金代號(hào)為AF/C-489，標(biāo)稱化學(xué)成分為 Al- 2.7Cu- 2.05Li- 0.6Zn-0.3Mn-0.3Mg-0.04Zr。

美國(guó)空軍與美鋁開發(fā)了AF/C-489 的衍生合金，代號(hào) AF/C-458，標(biāo)稱化學(xué)成分為Al-2.58Cu-1.73Li-0.6Zn-0.25Mn-0.26Mg-0.09Zr。選擇添加銅和鋰來形成Al3Li、Al2Cu和Al2CuLi析出的組合物，以便獲得高強(qiáng)度。

四、小結(jié)

鋰是最輕的金屬元素，在鋁合金中添加Li不僅可提高彈性模量，降低密度，而且力學(xué)性能、疲勞性能、抗疲勞裂紋擴(kuò)展、斷裂韌性和腐蝕性等都有所改善，是航空結(jié)構(gòu)件輕量化的首選材料。

鋁合金的開發(fā)始于1942 年，1945 年獲得專利并開發(fā)出第一代鋁鋰合金如2020 等。此后又研發(fā)出了第二代鋁鋰合金如 2090、8092等。為了避免鐵硅以及 Li含量過高引起的不良影響，以提高鋁鋰合金的綜合工程性能，進(jìn)一步研發(fā)了第三代鋁鋰合金如2199、2060等，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各種飛機(jī)的結(jié)構(gòu)部件并在進(jìn)一步改進(jìn)之中，具有十分廣闊的發(fā)展前景。

來源：《鋁加工》2018年第5期