铝锂合金

航空航天技术的重要基础

新材料是航空航天技术的重要基础，航空航天技术的发展又不断对材料科学提出新的问题和要求。铝锂合金是近十几年来航空金属材料中发展最为迅速的一个领域。

铝锂合金优点

锂是世界上最轻的金属元素。把锂作为合金元素加到金属铝中，就形成了铝锂合金。加入锂之后，可以降低合金的比重，增加刚度，同时仍然保持较高的强度、较好的抗腐蚀性和抗疲劳性以及适宜的延展性。因为这些特性，这种新型合金受到了航空、航天以及航海业的广泛关注。正是由于这种合金的许多优点，吸引着许多科学家对它进行研究，铝锂合金的开发事业犹如雨后春笋般迅速发展起来了。

发展历程

1983年在巴黎国际航空博览会上，世界上两家最大的铝合金生产企业——英国阿尔康铝业公司和美国阿尔考铝业公司，同时宣布研制成功新的革命性材料——铝锂合金。专家们认为，铝锂合金是从1943年发明铝锌系高强合金以来，铝合金研究和开发的又一个里程碑。

其实，铝锂合金并不是个新鲜概念。对这种材料的认识经历了相当长的时间。由于锂的比重小，在铝中的溶解度高，长期以来人们就把锂看作铝的亲密合作伙伴。早在本世纪20年代，科技工作者就对铝锂合金进行过许多评论。1924年，德国研制成功一种工业铝锂合金——司克龙。这是一种仅含0.1%锂的铝锌合金。它的机械性能比当时盛行的铝镁合金——杜拉铝要稍好一些。由于当时杜拉铝已得到公认，所以影响了司克龙合金应受到的广泛重视。1943年，高强度的铝锌镁铜合金问世，再一次低估了铝锂合金的工业价值。1957年，英国研制成功了含锂1.1%的X-2020铝合金。这种合金用于美国舰载超音速攻击机的机翼和水平尾翼的蒙皮上，取代原设计中的铝合金后，RA-5C飞机的重量减轻6%。原苏联的科技工作者同时也研制出了一种含锂2%的铝合金。又经过10年徘徊，到1967年发生了世界范围的能源危机后，各国又重新开始大规模研究铝锂合金。由于冶金技术和相关技术的发展，使含锂量更大、比重更小、强度更高的铝锂合金的出现成为可能。据认为，许多先进的战斗机和民航飞机大都采用了这种合金。铝锂合金的成本大约只是碳纤维增强塑料的1/10。如果采用铝锂合金制造波音飞机，重量可以减轻14.6%，燃料节省5.4%，飞机成本将下降2.1%，每架飞机每年的飞行费用将降低2.2%。可以预料，随着材料科学的发展，将有越来越多的新型合金进入航空航天业、各个工业部门及千家万户。

军事应用

铝锂合金主要为飞机和航空航天设备的减重而研制的，因此也主要应用于航空航天领域，还应用于军械和核反应堆用材，坦克穿甲弹，鱼雷和其它兵器结构件方面，此外在汽车、机器人等领域也有充分运用。从20世纪30年代开始，德、美、英、前苏联对Al-Li合金进行研制，但是真正具有商业价值的是1957年美国Alcoa公司研制成功的含锂1.1%的2020合金，用于制造海军TA－5CVigitante飞机的机翼蒙皮和尾翼的水平安定面。主要使用的铝锂合金有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25t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。

铝锂合金的航空应用

Al-Li合金已经在军用飞机、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，垂直安定面、整流罩、进气道唇口、舱门、燃油箱等等。

早在20世纪50年代，美国就开发了x2020铝锂合金后来用来取代7075用于RA-SC预警机。美国一公司将C-155铝锂合金用于波音777和空中客车A330/340飞机的垂尾和平尾，该合金比普通铝合金有更好的抗疲劳性能和高的强度。其中A330/340飞机每架使用Al-Li合金650kg，可使飞机减重达4250kg，可以提高有效载荷及降低燃料消耗。麦道公司的C-17运输机使用了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2.8t，比用普通铝合金减重208kg，法国幻影式战斗机上也大量应用铝锂合金，其成本低于热固塑料和金属基复合材料。在1988年的时候，洛克希德·马丁战术飞机系统公司、洛克希德·马丁航空系统公司和雷诺兹金属公司就开始AA2l97合金研制的联合计划，为军用歼击机隔板和舱壁生产重载厚板。1996年6月，雷诺兹金属公司开始售出第一批AA2l97合金板材，用于取代其它材料制造美国空军F－16飞机的后部隔板(舱壁)和其它零件。欧洲试验型战斗机EFA其前部所有薄板状零件皆由8090薄板制成，占所有材料的9%，驾驶舱内使用了不少A1-Li合金，其中用A1-Li超塑成形工艺制造的电子设备室的盖板长达1.5m。英、意合作生产的大型直升机EH101上，其机身框架、蒙皮和内部结构使用了相当多的A1－Li合金板材和锻件，每架质量减轻200kg。而据估计，直升机在整个服役期间每减轻1kg增加经济效益高达3000英镑。

在航空铝锂合金的研究和应用方面，前苏联及俄罗斯也一直处于世界的领先地位，比较有代表性的有01420、01421（含钪）、01423（含钪）、01430、01440、01450等。早在20世纪70年代，前苏联就将铝锂合金用于制造雅克－36飞机的主要构件，包括机身蒙皮、尾翼、翼肋等，该飞机在恶劣的海洋气候条件下使用，性能良好。20世纪90年代初又在米格－29和米格－31飞机上采用1420合金焊接结构，使减重效果进一步提高。米格－29使用了1420合金薄板、模锻件、挤压壁板等制造机身、驾驶员座舱、油箱等，每架飞机铝锂合金用量达3.8t。采用焊接油箱后减重达24%，其中12%是由于材料比重的降低，12%是由于焊接结构减少了铆钉、螺钉、密封剂和搭接部分而达到的。1420合金在其它飞机，如运输机、客机、直升机上用量也相当可观。安－124用量近8t，图－204用量2.7t，米－26用量1.8t，还有伊尔－86、安－72等也都采用了A1-Li合金。近年来，Al-Li合金也大量用在苏－27、苏－35、苏－37等战斗机上，以及远程导弹弹头壳体等。

铝锂合金的航天应用

对于航天飞行器结构，质量的减轻可增加有效载荷，而有效载荷每增加1kg可带来4,400～110,000美元的效益。因此，由于Al-Li合金密度低、性能好的特点，在很多航天飞行器中都采用Al-Li合金结构。

美国洛克希德导弹和空间公司(LMSC)制造的飞行器使用低密度、中等强度和高刚度的材料，因此大量采用Al-Li合金产品。从20世纪80年代中期开始，大量选用8090及普通加工方法生产各种锻件、厚板、薄板与挤压件。LMSC在大力神有效载荷转接器上使用8090板材，减轻质量180kg。该公司使用AA2195合金生产的新的航天飞机“超轻型油箱”，长达47m，直径达8.4m，用于盛装低温燃料和液态氢。AA2195合金的使用使油箱减轻5%（减重近3400kg），强度提高30%，有效地增加了有效载荷，节约成本约7500万美元。麦道空间系统公司采用2090－T81板材制成直径2.44m，长3.05m的低温箱，用于三角翼火箭盛放燃料和液氧的容器，质量减轻15%。美国通用动力空间公司在阿特拉斯和半人马运载火箭上的三个部件采用2090合金，总量达70kg，质量较2024减轻8%。1997年12月的美国“奋进号”航天飞机外贮箱采用2195代替2219，运载能力提高了3.4t。

Al-Li合金在俄罗斯的航天业中也有很多的应用。俄罗斯在1450合金基础上添加0.20%的Sc元素研制出1460合金，有更优良的性能，将其应用于大型运载火箭“能源号”的结构件上。此外，还用在其它火箭、“暴风雪”号航天飞机和空间站的结构件上。

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