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铝锂合金

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  新材料是技术的重要基础,技术的发展又不断对材料科学提出新的问题和要求。铝锂合金是近十几年来金属材料中发展最为迅速的一个领域。

  锂是世界上最轻的金属元素。把锂作为合金元素加到金属铝中,就形成了铝锂合金。加入锂之后,可以降低合金的比重,增加刚度,同时仍然保持较高的强度、较好的抗腐蚀性和抗疲劳性以及适宜的延展性。因为这些特性,这种新型合金受到了、以及航海业的广泛关注。正是由于这种合金的许多优点,吸引着许多科学家对它进行研究,铝锂合金的事业犹如雨后春笋般迅速发展起来了。

  1983年在巴黎国际博览会上,世界上两家最大的铝合金生产企业——英国阿尔康铝业和美国阿尔考铝业,同时宣布研制成功新的性材料——铝锂合金。专家们认为,铝锂合金是从1943年发明铝锌系合金以来,铝合金研究和的又一个里程碑。

  其实,铝锂合金并不是个新鲜概念。对这种材料的认识经历了相当长的时间。由于锂的比重小,在铝中的溶解度高,以来人们就把锂看作铝的亲密合作伙伴。早在20年代,科技工作者就对铝锂合金进行过许多评论。1924年,研制成功一种工业铝锂合金——司克龙。这是一种仅含0.1%锂的铝锌合金。它的机械性能比当时盛行的铝镁合金——杜拉铝要稍好一些。由于当时杜拉铝已得到,所以影响了司克龙合金应受到的广泛重视。1943年,度的铝锌镁铜合金问世,再一次低估了铝锂合金的工业价值。1957年,英国研制成功了含锂1.1%的X-2020铝合金。这种合金用于美国舰载超音速机的机翼和水平尾翼的蒙皮上,取代原设计中的铝合金后,RA-5C飞机的重量减轻6%。原苏联的科技工作者同时也研制出了一种含锂2%的铝合金。又经过10年徘徊,到1967年发生了世界范围的能源危机后,又重新开始大规模研究铝锂合金。由于冶金技术和相关技术的发展,使含锂量更大、比重更小、强度更高的铝锂合金的出现成为可能。据认为,许多先进的战斗机和民航飞机大都采用了这种合金。铝锂合金的成本大约只是碳纤维增强塑料的1/10。如果采用铝锂合金制造波音飞机,重量可以减轻14.6%,燃料节省5.4%,飞机成本将下降2.1%,每架飞机每年的飞行费用将降低2.2%。可以预料,随着材料科学的发展,将有越来越多的新型合金进入业、各个工业部门及千家万户。

  铝锂合金主要为飞机和设备的减重而研制的,因此也主要应用于领域,还应用于军械和核反应堆用材,坦克穿甲弹,鱼雷和其它兵器结构件方面,此外在汽车、机器人等领域也有充分运用。从20世纪30年始,德、美、英、前苏联对Al-Li合金进行研制,但是线年美国Alcoa研制成功的含锂1.1%的2020合金,用于制造海军TA-5CVigitante飞机的机翼蒙皮和尾翼水平安定面。主要使用的铝锂合金有2×××系(Al-Li-Cu-Zr)和8×××系(Al-Li-Cu-Mg-Zr)等10余种牌,最大铸锭规格达到25t以上,其轧制、挤压和锻造的加工技术已达到常规铝合金的水平。

  Al-Li合金已经在军用飞机、民用客机和直升飞机上使用或试用,主要用于机身框架、襟翼翼肋,垂直安定面、整流罩、进气道唇口、舱门、燃油箱等等。

  早在20世纪50年代,美国就了x2020铝锂合金后来用来取代7075用于RA-SC预警机。美国一将C-155铝锂合金用于波音777空中客车A330/340飞机的垂尾和平尾,该合金比普通铝合金有更好的抗疲劳性能和高的强度。其中A330/340飞机每架使用Al-Li合金650kg,可使飞机减重达4250kg,可以提高有效载荷及降低燃料消耗。麦道的C-17运输机使用了铝锂合金板材和挤压型材制造货舱的地板梁、襟翼副翼蒙皮等结构,用量达2.8t,比用普通铝合金减重208kg,法国幻影式战斗机上也大量应用铝锂合金,其成本低于热固塑料和金属基复合材料。在1988年的时候,洛克希德·马丁战术飞机系统、洛克希德·马丁系统和雷诺兹金属就开始AA2l97合金研制的联合计划,为军用歼击机隔板和舱壁生产重载厚板。1996年6月,雷诺兹金属开始售出第一批AA2l97合金板材,用于取代其它材料制造美国空军F-16飞机的后部隔板(舱壁)和其它零件。欧洲试验型战斗机EFA其前部所有薄板状零件皆由8090薄板制成,占所有材料的9%,驾驶舱内使用了不少A1-Li合金,其中用A1-Li超塑成形工艺制造的电子设备室的盖板长达1.5m。英、意合作生产的大型直升机EH101上,其机身框架、蒙皮和内部结构使用了相当多的A1-Li合金板材和锻件,每架质量减轻200kg。而据估计,直升机在整个服役期间每减轻1kg增加经济效益高达3000英镑。

  在铝锂合金的研究和应用方面,前苏联及也一直处于世界的领先地位,比较有代表性的有01420、01421(含钪)、01423(含钪)、01430、01440、01450等。早在20世纪70年代,前苏联就将铝锂合金用于制造雅克-36飞机的主要构件,包括机身蒙皮、尾翼、翼肋等,该飞机在恶劣的海洋气候条件下使用,性能良好。20世纪90年代初又在米格-29和米格-31飞机上采用1420合金焊接结构,使减重效果进一步提高。米格-29使用了1420合金薄板、模锻件、挤压壁板等制造机身、驾驶员座舱、油箱等,每架飞机铝锂合金用量达3.8t。采用焊接油箱后减重达24%,其中12%是由于材料比重的降低,12%是由于焊接结构减少了铆钉、螺钉、密封剂和搭接部分而达到的。1420合金在其它飞机,如运输机、客机、直升机上用量也相当可观。安-124用量近8t,图-204用量2.7t,米-26用量1.8t,还有伊尔-86、安-72等也都采用了A1-Li合金。近年来,Al-Li合金也大量用在苏-27、苏-35、苏-37等战斗机上,以及远程导弹弹头壳体等。

  对于飞行器结构,质量的减轻可增加有效载荷,而有效载荷每增加1kg可带来4,400~110,000美元的效益。因此,由于Al-Li合金密度低、性能好的特点,在很多飞行器中都采用Al-Li合金结构。

  美国洛克希德导弹和空间(LMSC)制造的飞行器使用低密度、中等强度和高刚度的材料,因此大量采用Al-Li合金产品。从20世纪80年代中期开始,大量选用8090及普通加工方法生产各种锻件、厚板、薄板与挤压件。LMSC在大力神有效载荷转接器上使用8090板材,减轻质量180kg。该使用AA2195合金生产的新的飞机“超轻型油箱”,长达47m,直径达8.4m,用于盛装低温燃料和液态氢。AA2195合金的使用使油箱减轻5%(减重近3400kg),强度提高30%,有效地增加了有效载荷,节约成本约7500万美元。麦道空间系统采用2090-T81板材制成直径2.44m,长3.05m的低温箱,用于三角翼火箭盛放燃料和液氧的容器,质量减轻15%。美国通用动力空间在阿特拉斯和半人马运载火箭上的三个部件采用2090合金,总量达70kg,质量较2024减轻8%。1997年12月的美国“奋进”飞机外贮箱采用2195代替2219,运载能力提高了3.4t。

  Al-Li合金在的业中也有很多的应用。在1450合金基础上添加0.20%的Sc元素研制出1460合金,有更优良的性能,将其应用于大型运载火箭“能源”的结构件上。此外,还用在其它火箭、“暴风雪”飞机和空间站的结构件上。

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