中国人赶超欧美的下一个目标——铝锂合金

铝锂合金是以锂作为主要合金元素的新型铝合金,是铝合金系统中最重要的部分。由于Al—Li系铝合金具有低密度、高比刚度、高比强度、优良的低温性能、良好的耐蚀性能和卓越的超塑成型性能,用其取代常规铝合金,可使构件质量减轻15%,刚度提高15%~20%,在强度相当的情况下,密度降低10%,而弹性模量提高10%。因此Al—Li系铝合金被认为是航空航天工业中理想的结构材料。

自1924年第一个含Li的铝合金Scleron合金(Al-12Zn-3Cu-0.6Mn-0.1Li)诞生于德国以来,Al-Li合金开发已有90余年的历史了,90余年来,Al-Li合金冲破重重障碍,现已走向了工业生产和应用的阶梯,一系列的Al-Li合金已经被应用到了各种飞机和航天设备上了。

在Al-Li合金研究和实现工业化生产方面,美国和前苏联一直是该行业的佼佼者,美国Alcoa公司1958年成功生产出了2020合金(Al-4.5Cu-1.0Li-0.8Mn-0.15Cd)并装备到了其海军RA-5C警戒机上。

而前苏联紧随其后与1961年也研制出了类似的产品,但是前苏联在1965年,经过详细的研究了AL-Mg-Li三元相图和成分不同的Al-Mg-Li合金性能,由前苏联轻合金研究院又成功的研制出了0142D(Al-5Mg-2Li-0.5Mn)合金,该金属具有中等强度、低密度、出色的焊接性和抗腐蚀能力,并被应用到当时的大量飞机上。

美国Alcoa公司也不甘示弱于1984年,成功研制出了2090(Al-2.2Li-2.7Cu-0.12Zr)合金,该合金主要应用于应变时效(T8E4)状态,具有较高强度和中等塑性。

除了美苏,当时英国Alcan公司和法国的Pechinery公司在1985年分别,生产出了8090(Al-2.4Li-1.3Cu-1.2Mg-0.12Zr),8091(Al-2.6Li-1.9Cu-0.8Mg-0.12Zr)合金和2091(Al-2.0Li-2.3Cu-1.5Mg-0.12Zr)合金。

到了1989年美国Martin Marietta 和Reynolds 公司联合研制出了WeldaliteTM049合金。该合金室温强度超过680Mpa,即使升高到250℃,仍能保持483Mpa。随后又在此基础上成功的开发了2094/2095 /2096/2097/2195/2197及Weldalite-210等一系列改进型合金。同时期的前苏联也开始生产1430(Al-1.5~1.9Li-2.3~3.0Mg-1.4~1.8Cu-0.8~1.4Zr)合金和1450(Al-3.0Cu-2.1Li≤0.2Mg-0.12Zr-0.08Ti),这样前苏联Al-Li合金已构成一个完整的体系了。

目前,国外已有几十种Al-Li合金达到了工业化生产的水平,经过总结铝锂合金的发展情况来看,大体上可分为三代,第一代铝锂合金产品的塑韧性水平太低; 第二代铝锂合金本身仍存在以下问题:①合金的各向异性问题较普通铝合金严重;

②合金的塑韧性水平较低; 

③热暴露后会严重损失韧性;

④大部分合金不可焊, 降低了减重效果, 铆接时往往表现出较强的缺口效应;

⑤强度水平较低, 难以与7000 系超高强铝合金竞争等。

而第三代铝锂合金的成分及性能都有了明显的改善。表1 和表2 给出了第三代主要铝锂合金产品的成分及性能。

可见, 在合金成分设计上, 第三代铝锂合金降低了L i 含量, 而增加了Cu 含量, 并且往往添加一些新的合金化元素Ag, Mn, Zn 等; 在性能水平上, 第三代铝锂合金较以往铝锂合金都有了较大幅度的提高, 其中尤以低各向异性铝锂合金和高强可焊铝锂合金最引人注目。

目前,我国已基本掌握了航空铝锂合金的熔炼技术,如铝锂合金大扁锭与铝锂合金圆锭的铸造技术,但在铝锂合金基础研究与合金生产实践方面,与俄罗斯、美国应存在20~30年的较大差距。这一点从我国的C919用料方面可见一斑。

C919前机身蒙皮、机头蒙皮、中机身蒙皮、中后机身蒙皮是用2198-T8铝-锂合金厚板与Al-Li-S4-T8铝-锂合金厚板制造,这里所说的厚板是指厚度>6mm的板材;前机身长桁、机头长桁、中机身长桁与地板梁、支柱、座椅导轨是用2196-T8511/2099-T83铝-锂合金挤压材等制造的;中后机身的长桁用的是2196-T8511/2099-T83铝-锂合金挤压材,它的地板梁与支柱的用材料为2099-T83、2196-T8511铝-锂合金挤压材。

C919用的常用铝-锂合金有3种:2196、2198、2099,它们都已在美国铝业协会公司(AA)注册,C919机身蒙皮用的板材,长桁、地板梁、支柱等用的挤压材,座椅导轨等铝-锂合金材料与机身等直段用的所有铝-锂铝合金材料是美国铝业公司(Alcoa)提供的,而且其他一切铝材也是从美国铝业公司进口的,板材产于达文波特厂(Davenport Works),挤压材与锻件是拉斐特厂(Lafayette Works)加工的。除铝-锂合金挤压材外,其他挤压铝材有一部分是美国铝业公司设在韩国的一个挤压厂生产的。

据统计,未来几十年中国的飞机可能需要上万架次,这还不包括参加国际竞争,如果中国在Al-Li合金方面还不能独挡一面,那么将会是一个非常大的损失,现在有独立铝-锂合金工业的国家只有美国、俄国、法国和中国,它们建立了从熔炼-铸造-加工的完整体系,熔炼-铸造是生产铝-锂合金材料的关键工序。

目前可生产铝-锂合金材料的企业有美国铝业公司的达文波特轧制厂、拉斐特挤压-锻造厂、英国的基茨格林轧制厂(kitts Green Works)、俄罗斯的萨马拉冶金公司(Samara)、意大利的富西拉(Fusina)轧制厂;肯联铝业公司的法国伊苏尔(Issoire)轧制厂;俄罗斯联合铝业公司的卡缅斯克冶金公司;中国的西南铝业(集团)有限责任公司。全世界2015年铝-锂合金材料生产能力约200kt/a,其中美国铝业公司占50%以上。所以,中国的企业可得加把劲了。