飛機(jī)火箭都離不開(kāi)的航空航天特種材料—鋁鋰合金

鋁合金大家都不會(huì)陌生，因?yàn)槠鋬r(jià)格便宜、美觀耐用坠韩，已經(jīng)普遍應(yīng)用到了各行各業(yè)。其中炼列，有一類(lèi)鋁合金因在航空航天領(lǐng)域廣泛應(yīng)用而備受關(guān)注只搁，它就是鋁鋰合金。

對(duì)于航空航天來(lái)說(shuō)俭尖，節(jié)約質(zhì)量就是大幅度節(jié)約成本氢惋。為了降低飛機(jī)和火箭自身的重量，科研人員一直都在制造材料上下功夫稽犁，希望能夠找到一種既輕便又結(jié)實(shí)的材料焰望。鋁鋰合金，作為一種先進(jìn)的輕量化結(jié)構(gòu)材料已亥，具有密度低熊赖、比強(qiáng)度和比剛度高、彈性模量高虑椎、疲勞裂紋擴(kuò)展速率低咱窜、低溫性能較好、良好的耐腐蝕性和卓越的超塑成形性能等諸多優(yōu)異的綜合性能疚傲。中國(guó)的大飛機(jī)C919大部分結(jié)構(gòu)材料使用的就是鋁鋰合金寂逛。下面我們就來(lái)為大家簡(jiǎn)單介紹一下鋁鋰合金。

鋁鋰合金是什么

所謂鋁鋰合金就是在鋁合金材料中添加少量鋰金屬形成的合金痕豺。因?yàn)殇嚱饘偈堑厍蛏厦芏茸钚〉慕饘倏髁澹人拿芏冗€要小。把這種金屬添加到其他金屬里面箱仰，就可以降低合金的密度镜踪。比如添加到鋁合金里面，只需要有1%的鋰金屬屁膝，就可以讓鋁合金降低3%的密度眶约。通過(guò)添加鋰金屬，可以生產(chǎn)比傳統(tǒng)鋁合金更輕的合金材料穷歹，滿足航空航天產(chǎn)業(yè)不斷降低質(zhì)量嚼龄、降低運(yùn)營(yíng)成本的要求。當(dāng)然段直，通過(guò)研究的不斷深入吃溅，發(fā)現(xiàn)鋁鋰合金不僅可以實(shí)現(xiàn)更低的密度溶诞，還可以實(shí)現(xiàn)更高的強(qiáng)度，從而可以在保證飛機(jī)強(qiáng)度的前提下决侈，降低材料的使用量螺垢，進(jìn)一步降低飛機(jī)的質(zhì)量。

當(dāng)然赖歌，鋁鋰合金絕不僅僅是往鋁里面添加鋰金屬那么簡(jiǎn)單枉圃，如果真是那么簡(jiǎn)單，也不會(huì)成為價(jià)格高昂的航空航天材料了庐冯。鋰金屬本身是一種活潑金屬孽亲，自己放在空氣里面很容易被氧化，甚至有可能被點(diǎn)燃發(fā)生火災(zāi)展父。這種活潑的金屬如果添加到鋁合金里面返劲，很容易被氧化，不僅自己被氧化栖茉，還很容易帶動(dòng)鋁合金被氧化篮绿。所以，雖然鋁金屬里面添加鋰就會(huì)降低合金密度总党，但也不會(huì)大量添加明疮，目前已經(jīng)成型的各類(lèi)鋁鋰合金添加的鋰金屬含量沒(méi)有超過(guò)3%的，主流的鋁鋰合金中鋰元素的含量集中在1-2%之間橘匿，上下浮動(dòng)不大儡矫。

此外，單獨(dú)添加鋰元素默言，并不足以提高鋁合金的強(qiáng)度角殃，反而有可能降低鋁合金的強(qiáng)度。因此豺这，主流的鋁鋰合金絕不僅僅是鋁元素和鋰元素的合金险丧，而是同時(shí)添加了幾種甚至十幾種元素的復(fù)雜合金，甚至有些元素的含量會(huì)超過(guò)鋰元素景妻。

鋁鋰合金發(fā)展歷程

鋁鋰合金主要經(jīng)歷了四代產(chǎn)品愧鹊。最早的含鋰鋁合金誕生于1924年，鋰元素添加量只有0.1%拐尚，當(dāng)初也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)這種材料的特殊性能惩赊，所以并沒(méi)有引起重視，也沒(méi)有把鋁鋰合金當(dāng)做重點(diǎn)的研究方向進(jìn)一步深入隔节。直到20世紀(jì)50年代鹅经，美國(guó)和蘇聯(lián)先后研發(fā)出了真正意義上的第一代鋁鋰合金。第一代鋁鋰合金的主要特征就是密度低怎诫，可以降低飛機(jī)制造材料的質(zhì)量瘾晃，進(jìn)一步可以幫助飛機(jī)節(jié)省燃料贷痪，降低飛機(jī)運(yùn)營(yíng)成本。美蘇先后把鋁鋰合金應(yīng)用到了飛機(jī)部件的制造上蹦误，并取得了不錯(cuò)的經(jīng)濟(jì)效益劫拢。就此鋁鋰合金引起了各國(guó)的重視，成為大家重點(diǎn)研發(fā)的一種重要航空航天材料强胰。

但是尚镰，第一代鋁鋰合金延展性差，不容易加工哪廓、容易斷裂且斷裂后容易被腐蝕等等，這些缺點(diǎn)決定了鋁鋰合金并不能很好的滿足航空航天的應(yīng)用需求初烘。以飛機(jī)為例涡真，如果結(jié)構(gòu)材料很容易損壞或者很容易腐蝕的話，就會(huì)給飛機(jī)帶來(lái)很大的安全隱患貌授。

到了20世紀(jì)60年代吟因，國(guó)際市場(chǎng)油價(jià)飆升，催生了第二代鋁鋰合金势嫁。只要能降低飛機(jī)質(zhì)量产歧，就能節(jié)省燃油損耗，從而節(jié)約運(yùn)營(yíng)高成本水芍。所以品庞，第二代鋁鋰合金主要還是以降低密度為主要抓手，提高鋁鋰合金中的鋰元素含量存裁，往往會(huì)添加超過(guò)2%的鋰元素斋垫。第二代鋁鋰合金相對(duì)于傳統(tǒng)鋁合金可以降低8%-10%的質(zhì)量。但也正是因?yàn)殇囋睾扛呓忌矗o鋁鋰合金帶來(lái)了一定的不穩(wěn)定因素届饰。第二代鋁鋰合金熱穩(wěn)定性比較差，加工性能和易斷裂的性能沒(méi)有很好的改善臼蔼，同時(shí)還存在著各向異性狸眼，也就是不同方向結(jié)構(gòu)強(qiáng)度之類(lèi)的指標(biāo)不一樣，給材料實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)很多困難浴滴。

真正意義上鋁鋰合金時(shí)代的到來(lái)拓萌，還是從20世紀(jì)90年代開(kāi)始的，到這個(gè)時(shí)期巡莹，人類(lèi)對(duì)鋁鋰合金的認(rèn)識(shí)已經(jīng)到了一個(gè)新的高度司志，不再追求整體性能的提高，而是根據(jù)不同用途降宅，研究不同性能的鋁鋰合金骂远。第三代鋁鋰合金根據(jù)不同用途衍生出了多種牌號(hào)的鋁鋰合金產(chǎn)品囚霸，滿足了不同領(lǐng)域的需求。

第三代鋁鋰合金從一定程度上解決了第一代鋁鋰合金和第二代鋁鋰合金的遺留問(wèn)題激才。通過(guò)降低鋰元素的添加量確保材料穩(wěn)定性拓型，并進(jìn)一步改進(jìn)配方使用一些特殊性能的元素，真正意義上讓鋁鋰合金實(shí)現(xiàn)了密度小瘸恼、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大劣挫、易加工、耐腐蝕等一系列優(yōu)秀性能东帅。鋁鋰合金也正式得到了航空航天產(chǎn)業(yè)的認(rèn)可险悲，在飛機(jī)和火箭上的應(yīng)用比例越來(lái)越高。第二代鋁鋰合金主要應(yīng)用到一些運(yùn)輸機(jī)和直升機(jī)上茴茁，而到了第三代鋁鋰合金這里专勇，民用航空大飛機(jī)也開(kāi)始大規(guī)模使用，大飛機(jī)的蒙皮泣奏、橫梁等重要結(jié)構(gòu)部件都用上了特定性能的鋁鋰合金客洁。第三代鋁鋰合金的使用，不僅僅是從材料密度上實(shí)現(xiàn)了降低县堰，而且大幅度提升了材料強(qiáng)度垢类，真正意義上給飛機(jī)來(lái)了輕便又安全的機(jī)身。

不僅僅是飛機(jī)從鋁鋰合金材料這里得到了好處茴支，火箭也逐漸開(kāi)始擁抱鋁鋰合金革襟。美國(guó)的航天飛機(jī)液氫液氧貯箱就使用了鋁鋰合金材料，降低了5%的材料密度和3噸左右的重量卓您，這樣的減重對(duì)于航天飛機(jī)運(yùn)營(yíng)來(lái)說(shuō)是非常有利的零短。此后，很多火箭的燃料貯箱也開(kāi)始使用鋁鋰合金材料涎拉。比如近些年發(fā)展迅猛的SpaceX公司瑞侮，其獵鷹9火箭燃料貯箱材料就是使用鋁鋰合金材料。相對(duì)來(lái)說(shuō)鼓拧，中國(guó)火箭領(lǐng)域應(yīng)用鋁鋰合金材料比較晚半火，目前主流的火箭，燃料貯箱全都沒(méi)有采用鋁鋰合金材料季俩。但值得一提的是钮糖，中國(guó)已經(jīng)攻克了3.5米直徑大型鋁鋰合金貯箱的研制，也許很快我們就能看到采用鋁鋰合金貯箱的中國(guó)火箭發(fā)射了酌住。

第三代鋁鋰合金在一定程度上已經(jīng)克服了前兩代鋁鋰合金材料的缺陷店归，使用安全性、可靠性得到了大幅度提升酪我，但仍存在一定的提升空間消痛，于是又催生了第四代鋁鋰合金材料且叁。第四代鋁鋰合金材料要求性能更優(yōu)異，成本更低廉秩伞。第三代鋁鋰合金材料逞带，通過(guò)添加少量銀元素，改進(jìn)了合金材料的性能烟渴，但是銀元素的成本還是比較高的吱台，第四代鋁鋰合金就是要做到盡量少用甚至不用銀元素的前提下，還能進(jìn)一步提升材料性能差按。目前已經(jīng)制備出來(lái)的第四代鋁鋰合金材料苦爸，強(qiáng)度高、抗裂性能聋账、抗腐蝕性能好的同時(shí)密士，具有更好的韌斷性和更好的靜強(qiáng)度，能進(jìn)一步滿足航空航天領(lǐng)域的需求熙拐。

需要補(bǔ)充的是，鋁鋰合金不僅僅是成分比較特殊切咸，它們?cè)谏a(chǎn)和加工時(shí)也有很多需要注意的搏翎。如果不能把各種因素都考慮到位，是不可能生產(chǎn)出合格的高性能鋁鋰合金的玲崩，這也正是這種材料還不能成為大眾材料的重要原因吸辽。

工藝特性及前景

鋰元素是一種很活潑的元素，而且密度很小盟步，那添加鋰元素的鋁鋰合金冶煉的過(guò)程中有很多因素需要考慮藏斩。最重要的一點(diǎn)，那就是在冶煉的過(guò)程中一定要主要隔絕空氣却盘，因?yàn)榭諝夂苋菀籽趸囋卣颍囋匮趸院螅瑫?huì)嚴(yán)重影響最后鋁鋰合金的性能黄橘。所以鋁鋰合金的冶煉裝置需要把空氣抽走形成真空或者重新加入惰性氣體兆览，之后才能開(kāi)始冶煉。另外塞关，冶煉的原材料也必須嚴(yán)格控制抬探，稍有不慎混進(jìn)一些雜物，比如一些氧化物帆赢，就很容易把鋰元素氧化小压，從而嚴(yán)重影響最終產(chǎn)品的性能。

鋁鋰合金材料的加工和焊接也有很多需要講究的地方椰于，不是隨隨便便照搬其他鋁合金材料的加工工藝就可以了怠益。必須充分考慮鋁鋰合金的獨(dú)特性質(zhì)仪搔，科學(xué)選擇加工工藝才行。

中國(guó)的鋁鋰合金生產(chǎn)和加工起步相對(duì)比較晚呼笨，產(chǎn)業(yè)化程度還不太高恋晃，主要應(yīng)用到軍工領(lǐng)域，航天領(lǐng)域還沒(méi)有正式鋪開(kāi)肪吁，民用航空應(yīng)用也不多陷立，未來(lái)提升空間比較大。雖然中國(guó)大飛機(jī)C919應(yīng)用鋁鋰合金的比例相對(duì)很高获踏，但就目前而言柱炼，我國(guó)各類(lèi)鋁鋰合金材料進(jìn)口比例較高，距離完全實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化替代的道路還是比較長(zhǎng)的行贤，這也是推動(dòng)中國(guó)鋁鋰合金產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要契機(jī)痒脊。

（新型材料聯(lián)盟）

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