鋁鋰合金

    鋁鋰合金是航空技術(shù)一種新材料,新材料是航空航天技術(shù)的重要基礎(chǔ)，航空航天技術(shù)的發(fā)展又不斷對材料科學(xué)提出新的問題和要求。鋁鋰合金是近十幾年來航空金屬材料中發(fā)展最為迅速的一個領(lǐng)域。
鋁鋰合金優(yōu)點
　　鋰是世界上最輕的金屬元素。把鋰作為合金元素加到金屬鋁中，就形成了鋁鋰合金。加入鋰之后，可以降低合金的比重，增加剛度，同時仍然保持較高的強度、較好的抗腐蝕性和抗疲勞性以及適宜的延展性。因為這些特性，這種新型合金受到了航空、航天以及航海業(yè)的廣泛關(guān)注。正是由于這種合金的許多優(yōu)點，吸引著許多科學(xué)家對它進行研究，鋁鋰合金的開發(fā)事業(yè)猶如雨后春筍般迅速發(fā)展起來了。
發(fā)展歷程
　　1983年在巴黎國際航空博覽會上，世界上兩家最大的鋁合金生產(chǎn)企業(yè)——英國阿爾康鋁業(yè)公司和美國阿爾考鋁業(yè)公司，同時宣布研制成功新的革命性材料——鋁鋰合金。專家們認為，鋁鋰合金是從1943年發(fā)明鋁鋅系高強合金以來，鋁合金研究和開發(fā)的又一個里程碑。
　　其實，鋁鋰合金并不是個新鮮概念。對這種材料的認識經(jīng)歷了相當長的時間。由于鋰的比重小，在鋁中的溶解度高，長期以來人們就把鋰看作鋁的親密合作伙伴。早在本世紀20年代，科技工作者就對鋁鋰合金進行過許多評論。1924年，德國研制成功一種工業(yè)鋁鋰合金——司克龍。這是一種僅含0．1%鋰的鋁鋅合金。它的機械性能比當時盛行的鋁鎂合金——杜拉鋁要稍好一些。由于當時杜拉鋁已得到公認，所以影響了司克龍合金應(yīng)受到的廣泛重視。1943年，高強度的鋁鋅鎂銅合金問世，再一次低估了鋁鋰合金的工業(yè)價值。1957年，英國研制成功了含鋰1.1%的X-2020鋁合金。這種合金用于美國艦載超音速攻擊機的機翼和水平尾翼的蒙皮上，取代原設(shè)計中的鋁合金后，RA-5C飛機的重量減輕6%。原蘇聯(lián)的科技工作者同時也研制出了一種含鋰2%的鋁合金。又經(jīng)過10年徘徊，到1967年發(fā)生了世界范圍的能源危機后，各國又重新開始大規(guī)模研究鋁鋰合金。由于冶金技術(shù)和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，使含鋰量更大、比重更小、強度更高的鋁鉀合金的出現(xiàn)成為可能。據(jù)認為，目前許多先進的戰(zhàn)斗機和民航飛機大都采用了這種合金。鋁鋰合金的成本大約只是碳纖維增強塑料的1/10。如果采用鋁鋰合金制造波音飛機，重量可以減輕14．6%，燃料節(jié)省5．4%，飛機成本將下降2．1%，每架飛機每年的飛行費用將降低2．2%。可以預(yù)料，隨著材料科學(xué)的發(fā)展，將有越來越多的新型合金進入航空航天業(yè)、各個工業(yè)部門及千家萬戶。
軍事應(yīng)用
　　鋁鋰合金主要為飛機和航空航天設(shè)備的減重而研制的，因此也主要應(yīng)用與航空航天領(lǐng)域，還應(yīng)用于軍械和核反應(yīng)堆用材，坦克穿甲彈，魚雷和其它兵器結(jié)構(gòu)件方面，此外在汽車、機器人等領(lǐng)域也有充分運用。從20世紀30年代開始，德、美、英、前蘇聯(lián)對Al-Li合金進行研制，但是真正具有商業(yè)價值的是1957年美國Alcoa公司研制成功的含鋰1.1%的2020合金，用于制造海軍TA－5CVigitante飛機的機翼蒙皮和尾翼的水平安定面。目前主要使用的鋁鋰合金有2×××系（Al-Li-Cu-Zr）和8×××系（Al-Li-Cu-Mg-Zr）等10余種牌號，最大鑄錠規(guī)格達到25t以上，其軋制、擠壓和鍛造的加工技術(shù)已達到常規(guī)鋁合金的水平。
鋁鋰合金的航空應(yīng)用
　　Al-Li合金已經(jīng)在軍用飛機、民用客機和直升飛機上使用或試用，主要用于機身框架、襟翼翼肋，垂直安定面、整流罩、進氣道唇口、艙門、燃油箱等等。
　　早在20世紀50年代，美國就開發(fā)了x2020鋁鋰合金后來用來取代7075用于RA-SC預(yù)警機。美國一公司將C-155鋁鋰合金用于波音777和空中客車A330/340飛機的垂尾和平尾，該合金比普通鋁合金有更好的抗疲勞性能和高的強度。其中A330/340飛機每架使用Al-Li合金650kg，可使飛機減重達4250kg，可以提高有效載荷及降低燃料消耗。麥道公司的C-17運輸機使用了鋁鋰合金板材和擠壓型材制造貨艙的地板梁、襟翼副翼蒙皮等結(jié)構(gòu)，用量達2.8t，比用普通鋁合金減重208kg，法國幻影式戰(zhàn)斗機上也大量應(yīng)用鋁鋰合金，其成本低于熱固塑料和金屬基復(fù)合材料。在1988年的時候，洛克希德·馬丁戰(zhàn)術(shù)飛機系統(tǒng)公司、洛克希德·馬丁航空系統(tǒng)公司和雷諾茲金屬公司就開始AA2l97合金研制的聯(lián)合計劃，為軍用殲擊機隔板和艙壁生產(chǎn)重載厚板。1996年6月，雷諾茲金屬公司開始售出第一批AA2l97合金板材，用于取代其它材料制造美國空軍F－16飛機的后部隔板(艙壁)和其它零件。歐洲試驗型戰(zhàn)斗機EFA其前部所有薄板狀零件皆由8090薄板制成，占所有材料的9%，駕駛艙內(nèi)使用了不少A1-Li合金，其中用A1-Li超塑成形工藝制造的電子設(shè)備室的蓋板長達1.5m。英、意合作生產(chǎn)的大型直升機EH101上，其機身框架、蒙皮和內(nèi)部結(jié)構(gòu)使用了相當多的A1－Li合金板材和鍛件，每架質(zhì)量減輕200kg。而據(jù)估計，直升機在整個服役期間每減輕1kg增加經(jīng)濟效益高達3000英鎊。
　　在航空鋁鋰合金的研究和應(yīng)用方面，前蘇聯(lián)及俄羅斯也一直處于世界的領(lǐng)先地位，比較有代表性的有01420、01421（含鈧）、01423（含鈧）、01430、01440、01450等。早在20世紀70年代，前蘇聯(lián)就將鋁鋰合金用于制造雅克－36飛機的主要構(gòu)件，包括機身蒙皮、尾翼、翼肋等，該飛機在惡劣的海洋氣候條件下使用，性能良好。20世紀90年代初又在米格－29和米格－31飛機上采用1420合金焊接結(jié)構(gòu)，使減重效果進一步提高。米格－29使用了1420合金薄板、模鍛件、擠壓壁板等制造機身、駕駛員座艙、油箱等，每架飛機鋁鋰合金用量達3.8t。采用焊接油箱后減重達24%，其中12%是由于材料比重的降低，12%是由于焊接結(jié)構(gòu)減少了鉚釘、螺釘、密封劑和搭接部分而達到的。1420合金在其它飛機，如運輸機、客機、直升機上用量也相當可觀。安－124用量近8t，圖－204用量2.7t，米－26用量1.8t，還有伊爾－86、安－72等也都采用了A1-Li合金。近年來，Al-Li合金也大量用在蘇－27、蘇－35、蘇－37等戰(zhàn)斗機上，以及遠程導(dǎo)彈彈頭殼體等。