铝锂合金特性与用途

2018-06-11 13:42:25      点击:
在铝合金中,锂与铍是降低其密度最有效的合金化元素。锂在铝中的最大溶解度为4.2%,向铝中每添中1%Li,可使其密度下降约3%,而其正弹性模量则上升约5%。含少量锂的铝合金在时效过程中会沉淀均匀的共格化合物δ'。
1990年,美国雷诺兹金属公司与马丁·马里特公司合作研制的2094及2095合金在美国铝业协会注册,它们的强度高,可超过700N/mm2,跻身强度最高的铝合金之列。1992年,雷诺兹金属公司又开发出2195及2196合金,它们既有低的密度,又有高的比强度与韧性。该公司在研制高强度Al-Li合金Weldalite的同时,又与通用动力公司合作(GD Co.)研发成功厚板低密度、高韧性Al-Li合金2197,并于1993年在美国铝业协会注册,这是一种不属Wedalite型的合金,其强度与刚度比2124合金的高,而其密度则低得多。2197合金于1996年进行工业化生产,用于制造F-16歼击机。
同其他热处理可强化的变形铝合金一样,Al-Li合金的强度也是通过固溶热处理与随后的人工时效获得的。沉淀相的结构取决于一系列的工艺参数,主要是淬火速度、人工时效前的冷加工率、时效温度与时间。
Al-Li合金的主要不足之处是塑性与断裂韧性不足,为此,可采取如下措施:
1. 防止局部优先变形。使不易为位错切割的沉淀物粒子细化,并均匀地分布;或时效前进行预变形,使θ'、S'相细化与均匀分布;或使Al3Zr之类化合物形成细小均匀分布的沉淀物。
2. 防止晶界应力集中。进行欠时效,减少无沉淀区宽度;或时效前进行预变形,以减少无沉淀区宽度,抑制晶界沉淀;或施工加形变热处理;或添加锆之类的元素,细化晶粒。
3. 防止晶界脆化。加强精炼净化处理,严格限制钠含量,减少氢含量。钠含量较多时,可添加微量铋以中和其有害影响。
4. 减少晶粒内的应力集中源。降低非金属夹杂物含量;减少不溶解的结果晶物并使其微细化,以提高合金纯净度;使可溶解的结晶相(一次晶体)溶于固溶体中。
Al-Li合金的90%以上都用于航天航空器制造,当前世界各国情况都如此,中国“天宫一号”于2011年9月29日发射,是中国第一个低轨道、长寿命大型载人航天器,设计寿命2年。整个飞行器质量8.6t,分为前后舱,前舱为全密封环境实验舱,对接完成后航天员进舱工作、训练,一些必要的生活活动、睡眠等也都在这里进行。后舱则是资源舱,内置动力系统、推进系统和能源,其主要任务为“天宫一号”的飞行提供能源保障,并控制飞行姿态。资源舱加满燃料后重约1.4t。
“天宫一号”在轨运行2年,燃料必须加足,它在天上一直与资源舱“不离不弃”,减重势在必行,于是资源舱的舱段结构用Al-Li合金代替传统铝合金材料,为舱段成功减重10%以上。所用Al-Li合金材料的各项力学性能不但比传统的高强度铝合金(2024型)与超强度硬铝7xxx型合金的相当或更高一些,而它的密度又比传统铝合金的低8.5%~9.5%,因而具有很大的减重效果,满足了“天宫一号”结构设计要求。
中国C919大飞机造航机前舱等直段是用Al-Li合金制造的,不过所用材料是从美国进口的,以后正式生产时会逐步增加国产材料用量,2018年国产铝材用量可占铝材总用量的40%以上。
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