铝锂合金的特点及在直升机上的应用展望

高长宝

（航空工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司，黑龙江 哈尔滨150066）

轻质高效的结构材料是航空、航天领域永恒不变的主题，在这种前提背景下，人们对新材料的探索从未停止。锂作为地球上迄今为止质量最轻的金属，密度仅为534Kg/m3,获得了人们的青睐，经研究表明，每在铝合金中添加质量分数1%的锂，可使该铝合金的密度降低3%，弹性模量提升5%～6%。由于铝锂合金具有低密度、高弹性模量、高比强度、高比刚度的性能特点，在航空、航天领域得到了广泛应用。近年来，航空铝合金的发展受到了复合材料的强烈冲击，波音787 与空客A350XWB 用量在50%以上，美国的武装直升机“科曼奇”也达到50%，欧洲的“虎”式武装直升机复合材料用量高达80%，但与复合材料相比，铝锂合金的加工成本更低只有其10%，且较于复合材料在冲击及湿热环境下的复杂力学特性，铝锂合金性能更稳定、易于回收、维修成本也更低。因此，发展新型铝锂合金仍是支撑航空业的重要手段。

1 铝锂合金发展历程

1.1 第一代铝锂合金

第一代铝锂合金发展于20 世纪五六十年代，Alcoa 公司的冶金学家发现锂可以提高铝合金的弹性模量，并在1957 年发展出了高强度的Al-Cu-Li 合金2020。随后，该合金开始商业化生产，并应用于美国海军的RA-5C 飞机机翼蒙皮和尾翼水平安定面上，获得了6%的减重效果。但是因为在生产和应用过程中发现，该铝锂合金韧性较低，具有很高的脆性，阻碍了进一步的应用，随后于20 世纪60 年代退出了生产。基于当时的数据，虽热2020-T6 铝锂合金显示了低的韧性，但是它的强度极限很高，与当时其他高强度铝合金相比并没有很大不同，如图1 所示。紧接着，1961 年前苏联开发出类似于2020 的铝锂合金BAЛ23 合金。第一代铝锂合金的化学成分如表1 所示。

1.2 第二代铝锂合金

图1 2020 合金在T4、T6 状态下的韧性与当时铝合金对比

第二代铝锂合金发展于20 世纪70 年代至80 年代末期，为大发展繁荣阶段。这一时期，由于爆发了能源危机，航空业迫切要求结构轻量化以节省燃料消耗，低密度的铝锂合金代替广泛应用的2024 和7075 铝合金成为人们这一阶段的主要目标。此阶段比较有代表性的有：美国Alcoa 公司为替代7075-T6 合金研发的2090 合金的薄厚板及挤压型材；法国Pechiney 公司为替代2024-T3 合金研制的8090 合金，前苏联研制的1420 铝锂合金等。第二代铝锂合金的主要化学成分如表2。可以看出，第二代铝锂合金的锂含量与第一代有显著差别，均达到了2%以上，与2024 铝合金相比，密度降低了大约8%～10%,弹性模量增加了10%，强度与7075-T6 铝合金相当，但是锂含量的增加导致了材料较低的断裂韧性、耐腐蚀性差、热稳定性差、可成型性差、尤其各向异性情况严重，由于第二代铝锂合金缺陷明显，限制了其大范围应用。

1.3 第三代铝锂合金

基于第二代铝锂合金的显著缺点，20 世纪80 年代末期科学家们开始试图通过降低锂含量、添加微量元素、调整主要合金比例来改善其严重的各向异性问题，迄今为止开发出了一系列综合性能较高的第三代铝锂合金，如表3 所示。可以看出，第三代铝锂合金中锂的含量基本降低到了2%以下，并增加了铜的含量（3%以上），由于合金元素的调整，解决了第二代铝锂合金各向异性严重的问题，同时还优化了机械性能，提高了20%的屈服强度、40%的疲劳强度和250%的疲劳裂纹扩展能力，增加了10%弹性模量，耐腐蚀性也大幅提高。与传统铝合金相比，第三代铝锂合金优势明显，相较于2024 铝合金，其密度可降低3.5%～5%，相较于7075 铝合金，其密度可降低6.9%。

表1 第一代铝锂合金化学成分（质量分数%）

表2 第二代铝锂合金化学成分（质量分数%）

表3 第三代铝锂合金化学成分（质量分数%）

2 力学性能及应用

2.1 力学性能

以三种不同代的典型铝锂合金（2020，8090,2198）为代表，与普通铝合金2024 和7075 进行比较，主要力学性能如表4 所示。通过对比发现，第三代铝锂合金2198 的屈服强度最低，但仍比2024 铝合金高出18.4%。所有铝锂合金的抗拉强度均都高于2024，但低于7075 铝锂合金，说明铝锂合金的强度处于铝合金产品的中等水平。三代铝锂合金的抗拉强度逐次降低，第一代和第代铝锂合金的研制侧重于降低材料密度，未详细考虑合金内部的均匀性，因此导致第一代、第二代铝锂合金各向异性严重。第三代铝锂合金为了降低合金各向异性，得到均匀内部组织，降低了锂元素的含量，使用了再结晶技术，用强度的损失换来了其它方面的性能，例如韧性、抗疲劳能力等。比强度、比刚度是飞行器结构选材的两个重要指标，铝锂合金的比强度、比刚度均高于常规铝合金系列。

2.2 国外应用

空客在铝锂合金的应用上是先驱者，第一、二代铝锂合金都在该公司制造的飞机上有所应用。A380 飞机以铝合金为主要材料，用量占机身结构的61%。该机地板梁、座舱横梁主要采用了2199 和2099 铝锂合金。A380-800 和A380-800F 下翼结构使用了2050-T84，A340-600 采用搅拌摩擦焊制造2050 客机翼肋，减重5%，成本降低21%。2050 厚板与7050 相比，具有更低密度、更高疲劳性能和低淬火敏感性。

A350XWB 机翼的翼肋也采用了铝锂合金。空客在选择翼肋的材料时，主要以重量与成本的比值为筛选依据，对于承力大的翼肋，铝锂合金优于复合材料；即使对承力小的翼肋，复合材料的优势也并不大。铝锂合金在A350XWB 外翼上的应用如图2 所示。

庞巴迪公司C 系列是首先在机体结构上大量采用铝锂合金的窄体客机，铝锂合金的用量占全机结构的23%，主要用于机身蒙皮，长桁，地板横、纵梁，支柱和地板滑轨结构。其中蒙皮采用2198-T82，型材采用2196-T82，机身结构减重12%。

2.3 国内应用

C919 大型客机采用了第三代铝锂合金，这是我国第一次在民用飞机上应用该铝锂合金，主要应用在机身蒙皮、长桁、地板梁、座椅滑轨、边界梁、客舱地板支撑立柱等部件，制造了机身等直部段，该等直部段是C919 客机七大部段之一，如图3 所示。其铝锂合金机体结构重量占比达到7.4%，获得综合减重7%的收益，在国际上属领先水平。

表4 铝锂合金与普通铝合金力学性能对比

图2 铝锂合金在A350XWB 外翼上的应用（翼肋）

图3 C919 客机铝锂合金制机身

C919 客机在应用铝锂合金过程中，克服了大量技术难题，如等直段试验件突破了钻孔、铆接、钣金成型等多项技术攻关，洪都公司攻克了蒙皮喷丸强化、型材滚弯成形制造、蒙皮镜像铣切加工、型材热压下陷、蒙皮喷丸校形等关键技术。虽然C919型机大量应用了铝锂合金新型材料，但是铝锂合金材料全部来自美国铝业公司，国产铝锂合金尚未大量应用。在新型铝锂合金领域，我们还有一定的差距，随着C919 大型客机的研制成功，铝锂合金的国产化道路相信会越来越好。2012 年9 月西南铝业承担“新型轻质高性能铝锂合金工业化制备”项目攻关，实现了大规格部件均质化，制备出了高性能的铝锂合金，达到了产业化制备加工基本目标。

3 直升机上的应用展望

据统计，每减重1kg 结构重量可以获得10 倍以上经济效益，铝锂合金在航空、航天领域都得到了大量应用。美国、俄罗斯在其战斗机都有大量应用，例如美国的F-16 就用2197 铝锂合金制造了后舱甲板及其他零部件，俄罗斯在雅克-36、苏-27、苏-36、米格-29、米格-33 都有大量铝锂合金应用。民用飞机方面，空客、波音、麦道、庞巴迪都有采用了一定量的铝锂合金。在直升机领域，具现有可查资料，只有欧洲阿古斯塔·维斯特兰公司的EH101 多用途直升机应用了较多的第二代铝锂合金，第三代铝锂合金尚未在直升机上使用。随着铝锂合金研发力度的加大，铝锂合金材料性能的提高和价格的降低，相信很快也会应用在直升机领域。

4 结论

经过将近百年的发展，铝锂合金已进入成熟期，凭借其较高的比强度、比高度和优异的综合力学性能等诸多特点，已成为结构设计中的重点材料，成为21 世纪与复合材料竞争的首选材料。随着铝锂合金需求的日益增大，我国应加大规模与资金投入，重视产学研结合，以实际需求为基础，提高良品率，降低生产成本，开发出满足性能的先进铝锂合金，摆脱对进口铝锂合金的依赖，实现真正的国产化，并争取在直升机领域得到大规模应用。