铝锂合金：现代飞机新型材料的选择

　　铝锂合金材料是近年来航空航天材料中发展迅速的一种先进轻量化结构材料，具有密度低、弹性模量高、比强度和比刚度高、疲劳性能好、耐腐蚀及焊接性能好等诸多优异的综合性能。用其代替常规的高强度铝合金可使结构质量减轻10%——20%，刚度提高15%——20%，因此，在航空航天领域显示出了广阔的应用前景。
　　虽然铝锂合金在航空航天领域显示出了广阔的应用前景。但是由于其成本比普通铝合金高、室温塑性差、屈强比高、各向异性明显、冷加工容易开裂等，导致其成形难度大，目前只能成形较简单的零件，难以制造复杂的零部件，从而限制了其在结构部件方面的应用。近年来，国外铝锂合金的研制和成形技术日渐成熟，不仅在军用飞机和航天器上大量应用；而且民用飞机铝锂合金的用量也呈增加态势，如“奋进号”航天飞机的外贮箱、空客A330/340/380等系列飞机。在我国，由于铝锂合金熔铸工艺，板料轧制挤压技术不成熟，新型铝锂合金的开发研制相对落后，目前只在某些型号的航天器中有少量应用。
　　1、先进铝锂合金发展现状
　　按照铝锂合金研制的历史进程和成分特点，可以将其划分成3个阶段。
　　第 一阶段为初步发展阶段，该阶段的时间跨度大约为20世纪50年代至60年代初。其主要代表为1957年美国Alcoa公司研究成功的2020合金，并将其应用于海军RA-5C军用预警飞机的机翼蒙皮和尾翼水平安定面上，获得了6%的减重效果。前苏联在60年代成功研制了BAⅡ23合金。但这两款合金延展性低，缺口敏感性高、加工生产困难等，无法满足航空生产及性能要求，未取得进一步的应用。
　　20世纪60年代中期，迫于能源危机的压力，铝锂合金被重新重视，并进入了快速发展阶段，即第二阶段。在这一时期，铝锂合金得到了迅猛发展和全面研究，其中具有代表性的合金有：前苏联研制的1420合金，美国Alcoa公司的2090合金，英国Alcan公司的8090和8091合金等。这些合金具有密度低、弹性模量高等优点，可用其替代航空航天器部分2xxx和7xxx铝合金。如前苏联在米格-29、苏-35等战斗机及一些远程导 弹弹头壳体上采用了1420合金构件。第二代铝锂合金虽取得了令人瞩目的研究和应用成果，但是由于存在严重的各向异性，且塑韧性低、热暴露严重、韧性损失，大部分合金不可焊等，使其难以与7xxx铝合金竞争。
　　20世纪80年代末期，以美国的Weldalite049系列合金为典型代表的第三代高强可焊铝锂合金相继被研发出来，并已成功应用于航空航天等领域中。目前，新型第三代铝锂合金向着超强、超韧、超低密度等方向发展，其中高强可焊合金和低各向异性合金的研究较多。此外，还研制出了具有各向同性、以颗粒或晶须SiC陶瓷为增强体的铝锂金属基复合材料，其弹性模量达130GPa，成为在航空航天领域中其他复合材料强有力的竞争者。
　　2、铝锂合金在航空航天中的应用及其发展趋势
　　据统计，每减轻1kg结构重量可以获得10倍以上经济效益，所以密度较低的铝锂合金受到航天工业的广泛重视。铝锂合金已在许多航天构件上取代了常规高强铝合金。其中，美国的应用发展非常快，在航天工业上的应用尤为突出。洛克希德·马丁公司利用8090铝锂合金制造了“大力神”运载火箭的有效载荷舱，减重182kg。
　　1994年，为解决“奋进号”航天飞机外贮箱的超重问题，洛克希德·马丁公司联合雷诺兹金属公司研发出新型2195材料以取代之前的2219合金。该合金的密度比2219合金的轻5%，而其强度则比后者高30%。采用2195制造的整体焊接结构贮箱，减轻重量3405kg，其中液氢箱减重1907kg，液氧箱减重736kg，直接经济效益近7500万美元，因此被称为超轻燃料贮箱（SuperLight Weight Tank）。俄罗斯在铝锂合金的研究、生产和应用方面也一直处于领先地位，为提高载荷能力，航天飞机的外燃料贮箱便采用铝锂合金制成，“能源号”运载火箭的低温贮箱是采用1460铝锂合金制成。
　　在航空领域，许多先进的战斗机和民用飞机都选用了铝锂合金。1988年，洛克希德·马丁战斗飞机系统公司、航空器系统公司与雷诺兹金属公司共同制定了开发2197合金应用的计划——用其厚板制造战斗机舱壁甲板。1996年，美国空军F-16型飞机开始用此合金厚板制造后舱甲板及其他零部件。
　　除美国外，其他国家，如俄国、英国、法国等都在积极推进铝锂合金在航空航天器上的应用：威斯特兰（Westland）EH101型直升机25%的结构件是用8090合金制造的，其总质量下降约15%；法国的第三代拉费尔（Rafele）战斗机计划用铝锂合金制造其结构框架；俄罗斯在雅克-36、苏-27、苏-36、米格-29、米格-33等战斗机都有大量零部件是用铝锂合金制造的。
　　在民用飞机方面，空中客车工业公司的A330、A340和A380客机上都使用了铝锂合金，其中，A330和A340每架飞机约有3t的铝锂合金用于机身结构、桁条等部件，目前较新型的A350客机在原有基础上，首次在机身蒙皮上使用全新的2198铝锂合金。美国的波音747、777客机、麦道系列飞机等均使用了铝锂合金，其使用部位包括燃料箱、隔框、机翼蒙皮、前缘、后缘等。庞巴迪C系列飞机机身也将全部采用全新的铝锂合金。
　　3、铝锂合金的先进制造技术及其发展趋势
　　超塑成形及扩散连接技术
　　超塑成形及超塑成形/扩散连接技术（SPF及SPF/DB）是利用材料的超塑性，对形状复杂、难以加工的薄壁零件，采用吹塑、胀形等方法进行成形的过程，是一种几乎无余量、低成本、高效的特种成形方法。铝锂合金与其他超塑材料一样可以通过合金化或者机械热处理获得均匀、细小、等轴晶而产生超塑性能。铝锂合金的SPF研究始于1980年，在1982年的范堡罗国际航空展览会上英国超塑性成形金属公司首次演示了铝锂合金的超塑性现象及其超塑F零件。
　　美国Weldalite049合金具有异的超塑性，在507℃固溶处理，不加反压，4×10-3应变速率下，延伸率可达829%。这一应变速率明显高于其他铝合金的应变速率，这对解决超塑工艺速度低的问题有重要意义。俄罗斯已经对1420采用SPF工艺加工了许多飞机的零部件，有的尺寸达1200mm×600mm。
　　国内航天材料及工艺研究所、北京航空制造工程研究所等科研单位针对铝锂合金的SPF及SPF/DB组合工艺进行了大量的开拓性工作，取得了很多成果。目前，铝锂合金的超塑成形正由次承力构件向主承力构件发展，并且由单一的超塑成形向超塑成形/扩散连接的组合工艺发展，使铝锂合金加工成本更低，结构更具整体性、轻质量。
　　旋压技术（Spin Forming）
　　旋压技术是一项综合了锻造、挤压、拉伸、弯曲等工艺特点的少无切削加工的先进工艺。剪切旋压是近年来在传统旋压技术基础上发展起来的新型旋压技术，它不改变毛坯的外径而改变其厚度来实现制造圆锥等各种轴对称薄壁件的旋压方式（锥形变薄旋压）。这种成形方法的特点是旋轮受力较小，半锥角和壁厚互相影响，材料流动流畅，表面粗糙度好和成形精度高，并且能较容易地成形、拉伸、旋压难于成形的材料。航天器上许多Al-Li合金构件都是空心回转体薄壳结构，特别适合用旋压法加工，其中较典型的零件是运载火箭低温贮箱的圆顶盖。
　　美国“大力神”运载火箭圆顶盖采用3块直径为0.65m，厚为10.7mm的Weldalite049板材旋压制造。其中1块中部是使用变极性等离子弧焊（VPPA）焊接，经过343℃/4h去除应力，旋压时，所有毛坯用火焰加热保持317℃；成形后进行505℃/0.5h固溶处理，水淬；再经177℃/18h人工时效，测得其室温拉伸强度达600MPa左右，-196℃时增加到700MPa，且有很好的断裂韧性。“奋进号”航天飞机的外贮箱圆顶盖也采用了相同的旋压技术，并在外贮箱的筒段采用了先进的剪切旋压技术。
　　辊锻成形技术（Roll Forging）
　　Al-Li合金特别是Weldalite系列合金和1420合金具有良好的锻造性能，用它们制造的模锻件不会出现开裂，这已被150多种锻件所证实。因而将其应用于航空航天工业具有广阔的前景。辊锻是近年来发展起来的新型近净成形技术，将材料在一对反向旋转模具的作用下产生塑性变形得到所需锻件或锻坯的塑性成形工艺。辊锻成形的发展有两个重要领域。
　　其一，是在长轴类锻件生产上实现体积分配与预成形，减少成形负荷，组成精辊精锻复合生产线，用较少投资大批量生产复杂锻件。其二，是精密辊锻技术，包括冷精辊技术。在板片类零件的精密成形上有良好的发展前景，如在叶片成形与变截面钢板弹簧上均有优势。近年来辊锻成形的两个方向被成功应用于铝锂合金的环形锻件和带筋条的钣金件。如“奋进号”航天飞船外贮箱的“Y”形框和对接环。
　　焊接技术（Welding）
　　焊接是制造铝锂合金航空航天产品如贮箱、弹头外壳等的主要工艺之一。前苏联研究1420合金的焊接时间长达10多年，从焊接工艺方法、焊接组 织、焊接性能及焊后热处理都进行了深入的理论研究和探讨。20世纪80年代还开展了1460高强合金可焊性的研究。采用钨极氢弧焊（GTAW）和真空电子束焊（EB）工艺的1460合金，已成功用于制造“能源号”运载火箭贮箱。
　　美、欧等国的铝锂合金焊接始于20世纪80年代初，与俄国不同的是，美国特别注重焊接裂纹的研究。美国采用的焊接方法主要有GTAW、EB、VPPA（变极性等离子弧焊）等，并用VPPA法焊接了Weldalite049合金制造的航天飞机外贮箱，Alcoa公司采用EB焊对12.7mm厚的2090合金板材施焊，焊透率达100%。
　　近几年2种新型焊接技术：搅拌摩擦焊和激光焊接技术也开始应用于铝锂合金制造研究。美国洛克希德·马丁公司用搅拌摩擦焊对2.3——8.5m厚的2195AI-Li合金及2219合金板材进行焊接，发现接头强度可提高15%——26%，焊缝断裂韧性增高30%，塑性提高1倍，焊缝组 织极细小。空客公司经过20多年的努力利用激光焊接技术制造了大型客机用双光束“T”结构件，并成功应用于A330、A340、A380等客机机身壁板上。
　　新型热处理工艺技术
　　铝锂合金的主要优点是密度低、比模量高、耐腐蚀强等，综合性能较常规高强度铝合金优异。但在以压应力为主的变振幅疲劳试验中，铝锂合金的这一优点不复存在，主要原因在于，其峰值强度材料短-横向的塑性与断裂韧性低，各向异性严重，人工时效前需施加一定的冷加工量才能达到峰值性能，疲劳裂纹呈精细的显微水平时，扩展速度显著加快。为改善铝锂合金的疲劳、断裂韧性等性能，美国航天宇航局就新型的2195铝锂合金作了大量的研究工作，开发了双级、三级、五级热处理工艺，使得2195合金的室温断裂韧性和疲劳性能提高了近30%，而强度与传统时效相当。
　　目前我国研发新型铝合金的同时，在生产工艺上也做了大量研究。通过新的热处理工艺（T74、T73）大幅度提高了7xxx合金断裂韧性和抗应力腐蚀开裂性能，并进一步研究开发7xxx合金的热处理工艺，如7075-T76用于L-1011机翼挤压壁板，7075-T736用于起落架构件、窗框和液压系统部件。但是目前针对铝锂合金的研究工作，尚在起步阶段，基础研究相对较弱，离应用还有距离。铝锂合金的热处理应该在铝合金热处理的基础上，结合国外的新工艺新方法，开展系统的基础研究，以求早日实现铝锂合金热处理工艺的工业化应用。
　　（1）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并成为未来机型发展的重要趋势。但目前，新型铝锂合金主要依靠国外供应商，不仅成本高，而且得不到钣金、热处理等相关关键技术的支持，因此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。此外，铝锂合金和复合材料是未来民用飞机的重要选择，如何提高其减重效益、强度和损伤容限是开发新型合金面临的重大挑战。
　　（2）铝锂合金在铸造、轧制等技术逐渐成熟的基础上，先进加工制造技术不断拓宽，超塑成形、旋压、辊锻焊接等新工艺不断创新，并已取得重大的应用成果，然而，由于其自身性能限制，室温成形能力仍较困难。铝锂合金在大型客机中的应用主要以冷成形为主，因此，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用铝锂合金使用的关键技术和发展方向，同时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。