铝锂合金的研究与应用进展

□张文毓

中国船舶重工集团公司第七二五研究所河南洛阳471023

铝锂合金的研究与应用进展

□张文毓

中国船舶重工集团公司第七二五研究所河南洛阳471023

从制备、焊接、特点和发展等方面对铝锂合金进行了概述，对铝锂合金的研究现状与应用进行了介绍，对未来发展进行了展望。

锂是最轻的金属元素，在铝中每掺入1%的锂可使合金密度降低3%，并使弹性模量增加约6%，其强度可与2024、7075等铝合金媲美。铝锂合金具有优越的比强度和比模量特性、优良的低温性能、良好的耐腐蚀性与卓越的超塑成形性能，用其取代常规铝合金，可使构件质量减轻10%～15%，刚度提高15%～20%。铝锂合金已成为航空航天领域的重要材料之一。

1 铝锂合金概述

将锂作为合金元素加到铝中，就形成了铝锂合金。加入锂之后，可以降低合金的密度，增加刚度，同时保持较高的强度、较好的抗腐蚀性和抗疲劳性，以及适宜的延展性。因为以上特性，铝锂合金受到航空、航天及航海业的广泛关注，吸引着人们进行研究。铝锂合金的研究事业已迅速发展起来。

1.1 铝锂合金的制备

铝锂合金的制备方法主要有两大类,一类是铸锭冶金法，另一类是粉末冶金法。为解决这两类方法在制备铝锂合金时遇到的问题，有人也提出了一些新的制备方法，其中较有代表性的是熔盐电解法和模拟微重力状态法。

1.2 铝锂合金的焊接

20世纪80年代，前苏联用焊接工艺代替传统飞机构件中以铆接为主的工艺，连接了铝锂合金结构件，减轻了结构质量，提高了结构刚度，且节约能源，节省装配时间。从此，焊接成为铝锂合金在航空航天工业中应用的关键。国内外已采用了不同焊接方法、不同填充焊丝和热处理技术来提高铝锂合金接头的强度系数，具体技术包括熔化焊接、搅拌摩擦焊、激光焊接、焊接修补等[1]。

1.3 铝锂合金的特点

铝锂合金的主要性能特点如下：①密度适当降低，一般比常规铝合金低5%～8%，但并不片面追求低密度；②更好的强度与韧性平衡；③耐损伤，抗疲劳性能优良；④各向异性小；⑤耐腐蚀优良；⑥热稳定性好，有较好的耐热性；⑦良好的加工成形性，适用于激光束焊接、搅拌摩擦焊、时效成形等；⑧更高的性价比[2]。

1.4 铝锂合金的发展

如表1所示为铝锂合金分类及其发展[3]，其中第三代典型铝锂合金性能如表2所示。

表1 铝锂合金分类及其发展

表2 第三代典型铝锂合金性能

2 铝锂合金的研究现状

铝锂合金在很多领域可以取代常规铝合金。第三代铝锂合金的特点是在合金中增大了铜等其它金属元素的量，减小了锂元素的量，这样铝锂合金可以增强抗应力和抗腐蚀的性能。

科技攻关20年，中国铝锂合金研究已跻身世界先进行列。进入空间轨道的航天运载器质量每减轻1 kg，发射费用将节省约2万美元，因此结构减重在航天领域可谓克克计较。战斗机质量若减轻15%，则可缩短飞机滑跑距离15%，增加航程20%，提高有效载荷30%。因此，世界各国十分重视研制和开发航空航天用轻质结构材料。据推算，如果采用先进铝锂合金取代传统铝合金制造民用飞机，质量可以减轻14.6%，燃料可以节省5.4%，整机成本将下降2.1%，每架飞机每年的飞行费用将降低2.2%。因此，铝锂合金被认为是航空航天领域最理想的结构材料[4]。

中南大学和西南铝业有限责任公司联合研究的多种高性能铝锂合金已开始大量应用于我国航空航天领域，促进了我国航空航天工业的发展。由于联合科研群体的共同努力，我国已跨入了世界上原仅美国、俄罗斯、英国等少数几个能生产和应用铝锂合金国家的行列。铝锂合金的研究主要有以下三方面。

（1）改进现有制备工艺，提出新的制备技术，进而提高铝锂合金的综合性能。各种铝锂合金制备技术各有优缺点，将各种制备方法优化组合，可以提高产品性能，降低生产成本。

（2）目前微合金化研究多限于细化组织和抑制杂质危害等方面，效果有限。因此，在保持和提高合金元素已有效果的基础上，进一步探寻更有效的合金化途径，增加基体相与δ′相界面的错配度，引入新的时效强化相并生成更有效的弥散相粒子，使铝锂合金的变形与断裂模式发生根本转变，从而使铝锂合金的性能得到根本改善。

（3）随着载人航天和可重复使用航天器的发展，新焊接技术在航天工艺焊接生产中的应用将获得突飞猛进的发展。总结现有工作，不断改进已有焊接工艺，提出更优良的新工艺，使合金的接头强度系数提高，加之焊接自动化程度的提高，将使铝锂合金获得更广泛的应用空间。

作为航空航天重要的结构材料，铝锂合金受到西方国家的广泛重视，如今第三代铝锂合金已在大型商用客机制造中获得应用。独立开发和研制新型高强、高损伤容限铝锂合金是我国铝锂合金未来发展的重要方向。

铝锂合金铸造、轧制等技术逐渐成熟，先进加工制造技术不断拓展，超塑成形、旋压、辊锻焊接等新工艺不断创新，这些均已取得重大应用成果。然而，另一方面，由于自身性能限制，室温成形仍较困难。铝锂合金在大型客机中的应用主要以冷成形为主，可见，解决和实现复杂结构件的室温钣金成形和热处理工艺是未来我国大型客机应用铝锂合金的关键技术和发展方向，同时需要在传统工艺基础上不断开发新型技术，提高成形精度、效率和质量[5]。

未来我国铝锂合金的研究以大飞机、空间探测等航天航空技术发展的需求为契机，深入研究铝锂合金成分、生产加工工艺、微观组织和性能之间的关系，以及合金设计准则，研发具有自主知识产权的超高强铝锂合金、高损伤容限铝锂合金、高成形性可焊铝锂合金等新合金，开发新的热处理技术，建立铝锂合金服役性能评价体系，进一步突破铝锂合金工程化生产中的共性关键难题，提高铝锂合金研发的自主创新能力和自主保障能力，完善铝锂合金研发平台和工装设备条件。有理由相信，随着未来我国航空航天工业的发展,在国家相关部门的课题支持下，我国新一代铝锂合金的研究、生产和应用必将进入一个新的发展期。

3 铝锂合金的应用

3.1 航空应用

铝锂合金已在军用飞机、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、竖直安定面、整流罩、进气道唇口、舱门、燃油箱等。C-155铝锂合金用于波音777和空客A330/A340飞机的垂尾和平尾，该合金相比普通铝合金有更好的抗疲劳性能和更高的强度。其中，每架A330/A340飞机使用铝锂合金650 kg，可使飞机质量减轻达4 250 kg，提高有效载荷及降低燃料消耗。C-17运输机使用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2.8 t，比用普通铝合金质量减轻208 kg，幻影战斗机上也大量应用了铝锂合金，其成本低于热固塑料和金属基复合材料[6]。

在航空铝锂合金的研究和应用方面，俄罗斯一直处于世界领先地位，比较有代表性的是1420、1421、1423、1430、1440、1450等铝锂合金，其中1421、1423含钪元素。

C919国产客机铝锂合金机身直段部段在中航工业洪都大飞机部装厂房顺利下线，这标志着中航工业洪都参与C919大型客机研制工作迈出了坚实的一步，是中航工业与江西省、中国商飞深化合作的重要成果，具有重要的里程碑意义[7]。

大飞机项目专用第三代新型2099铝锂合金φ540mm圆锭在中铝公司试制成功，填补了此前我国不能生产多组元、高合金化铝锂合金的空白。该项技术攻克了化学成分特殊、铸造成形难度大、安全风险极高的难题，突破了国外对铝锂合金尖端技术领域的封锁，标志着我国航空航天用先进铝锂合金材料生产制造又迈上了一个新的台阶，进一步提升了国防军工和航空航天所需配套材料的自主研发和保障能力。

当前国际上新研制的空客A380、空客A350、庞巴迪C系列飞机，以及国产大飞机在机体结构上都大量采用了第三代先进铝锂合金，这表明高性能的铝锂合金正逐渐成为当前及未来民用飞机材料选用的新趋势。从国内外航空发展、客户使用和经济角度考虑，采用质量轻、强度高的铝锂合金代替传统铝合金是飞机设计的必然趋势。

3.2 航天应用

对于航天飞行器而言，结构质量的减轻可增加有效载荷，有效载荷每增加1 kg可带来4 400～110 000美元的效益。因此，由于铝锂合金密度低、性能好的特点，在很多航天飞行器中都采用了铝锂合金结构。美国洛克希德导弹和空间公司（LMSC）制造的飞行器使用了大量低密度、中等强度和高刚度的铝锂合金材料。从20世纪80年代中期开始，LMSC大量选用8090铝锂合金应用普通加工方法生产各种锻件、厚板、薄板与挤压件，并在大力神有效载荷转接器上使用8090铝锂合金板材，质量减轻180 kg。该公司还使用AA2195铝锂合金生产新的航天飞机超轻型油箱，长达47 m，直径达8.4 m，用于装载低温燃料和液态氢。AA2195铝锂合金的使用使油箱质量减轻近3 400 kg，强度提高30%，增加了有效载荷，节约成本约7 500万美元。

铝锂合金在俄罗斯的航天业中也有很多应用。俄罗斯在1450铝锂合金基础上添加0.20%的钪元素研制出1460铝锂合金，有更优良的性能，将其应用于能源号大型运载火箭的结构件上。此外，1460铝锂合金还应用在其它火箭、暴风雪号航天飞机和空间站的结构件上。

鉴于航天对减重的实际需求，以及第三代铝锂合金优异的综合性能，西方航天大国在未来航天工业中都有大量应用铝锂合金的计划。按照美国国家航空航天局的计划，美国航天飞机退役后启动新一代星座计划航天工程。计划中，战神系列火箭将成为执行美国空间探索的新型运输基础设施。据报道，战神系列火箭的上级将全部采用铝锂合金制造[8]。

采用铝锂合金制造大型运载器的低温推进剂储箱，可以减轻结构质量，提高运载能力，从而获得显著的经济效益。航天结构件间往往采用连接体形式，用焊接工艺代替传统的铆接工艺可以减轻结构质量，缩短装配时间。

目前，已开发出的新型铝锂合金主要有高强可焊的1460和Weldalite系列合金，低各向异性AF/C489、AF/C458合金，高韧性2097、2197合金，高抗疲劳裂纹C2155合金，以及经特殊真空处理的XT系列合金等。

从20世纪30年代开始，德、美、英、前苏联对铝锂合金进行了研制，但是真正具有商业价值的是1957年美国研制成功的含锂1.1%的2020铝锂合金，用于制造海军飞机的机翼蒙皮和尾翼水平安定面。如表3所示[9]，目前主要应用的铝锂合金有2***系（Al-Li-Cu-Zr）和8***系（Al-Li-Cu-Mg-Zr）等10余种牌号，最大铸锭规格达到25 t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。

表3 铝锂合金的应用领域

3.3 其它应用

军事方面，铝锂合金还应用于军械和核反应堆中，而民用方面，铝锂合金在汽车、机器人等领域也有应用。

在鱼雷结构上采用质轻、耐蚀、高强度的铝锂合金，为提高鱼雷性能提供了一个新途径。目前，成熟的铝锂合金包括2090、8090、8091、8092等牌号，抗拉强度在500 MPa左右。美国对于耐蚀性要求高而强度要求不高的鱼雷壳体采用AA6061-T6铝合金，屈服强度为274 MPa；对耐蚀性和强度要求均高的鱼雷壳体则采用AA7175-T73铝合金，屈服强度为480 MPa，可见，成熟的铝锂合金有应用的空间。具有强大攻击力的重型鱼雷是重要武器，美国海军已用新研制的AA5091铝锂合金锻件制造重型鱼雷燃料舱，合金抗拉强度为412 MPa，弹性模量为79.2 GPa，密度为2.57 g/cm3。

不论是相比传统铝合金还是复合材料，铝锂合金都有一定的优势，但具体应用还需要根据实际研制情况进行权衡分析。由于技术原因，相比传统铝合金，铝锂合金的材料和工艺成本相对较高，实际应用时需要对成本增加和其所带来的利益进行权衡研究。由于铝锂合金的显著优势，制造商从未停止对其改进和研发，伴随着新技术、新工艺的发展，铝锂合金材料必将有更广阔的应用前景。

4 结束语

铝锂合金作为一种新型铝合金材料,由于具有低密度、高强度、高模量及良好的抗腐蚀性能,成为兵器工业中最具潜力的新型金属结构材料，以及一种有广泛应用前景的航空航天材料[10]。但目前仍有不少问题阻碍其应用，需要技术人员对不同热处理状态的组织、性能和成形进行深入研究。随着人们对铝锂合金越来越重视、研究逐步深入，以及新技术新工艺的出现，相关问题都会得到解决，铝锂合金的生产和应用必将会达到一个新的高度。

[1]高洪林，吴国元.Al-Li合金的研究进展[J].材料导报，2007，21（6）：87-90.

[2]郑子樵，李劲风，李红英,等.新型铝锂合金的研究进展与应用[C].中国有色金属学会第十四届材料科学与工程合金加工学术年会，三亚，2011.

[3]孙中刚，郭旋，刘红兵，等.铝锂合金先进制造技术及其发展趋势[J].航空制造技术，2012（5）：60-63.

[4]翟彩华，冯朝辉，柴丽华，等.铝锂合金的发展及一种新型铝锂合金-X2A66[J].材料科学与工程学报，2015，33（2）：302-306，301.

[5]刘兵，彭超群，王日初，等.大飞机用铝合金的研究现状及展望[J].中国有色金属学报，2010，20（9）：1705-1715.

[6]陈建.铝锂合金的性能特点及其在飞机中的应用研究[J].民用飞机设计与研究，2010（1）:39-41，57.

[7]中国广播网.国内首次将铝锂合金用于国产大飞机C919机身制造[Z/OL].中国广播网，2010-12-02.http://china. cnr.cn/gdgg/201012/t20101202_507413834.shtml.

[8]李劲风，郑子樵，陈永来，等.铝锂合金及其在航天工业上的应用[J].宇航材料工艺，2012（1）:13-19.

[9]张荣霞，曾元松.铝锂合金的发展、工艺特性及国外应用现状[J].航空制造技术，2007（增刊）：438-441.

[10]霍红庆，郝维新，耿桂宏，等.航天轻型结构材料——铝锂合金的发展[J].真空与低温，2005，11（2）：63-69.

（编辑：尔东）

The characteristics and development of Al-Li alloy were reviewed.The research status and application of Al-Li alloy were introduced,and the future development was prospected.

铝锂合金；研究；应用；进展

Al-LiAlloy;Research；Application；Development

TH142.2；TG146.2

A

1672-0555（2017）01-072-04

2016年10月

张文毓（1968—），女，本科，高级工程师，主要从事情报研究工作