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鋁鋰合金先進制造技術(shù)及其發(fā)展趨勢
發(fā)布人：上海艾荔艾金屬材料有限公司www.jshcn.cn
更新時間：2015-11-05
2020鋁鋰合金 BAд23鋁鋰合金 1420鋁鋰合金 2090鋁鋰合金 2091鋁鋰合金 8090鋁鋰合金 8091鋁鋰合金 1441鋁鋰合金 1450鋁鋰合金 1460鋁鋰合金 Weldalite049 2097鋁鋰合金 2197鋁鋰合金 2198鋁鋰合金 2196鋁鋰合金
鋁鋰合金材料是近年來航空航天材料中發(fā)展最為迅速的一種先進輕量化結(jié)構(gòu)材料，具有密度低、彈性模量高、比強度和比剛度高、疲勞性能好、耐腐蝕及焊接性能好等諸多優(yōu)異的綜合性能。用其代替常規(guī)的高強度鋁合金可使結(jié)構(gòu)質(zhì)量減輕10%~20%，剛度提高15%~20%，因此，在航空航天領(lǐng)域顯示出了廣闊的應(yīng)用前景[1-4]。然而，由于其成本比普通鋁合金高、室溫塑性差、屈強比高、各向異性明顯、冷加工容易開裂等，導(dǎo)致其成形難度大，目前只能成形較簡單的零件，難以制造復(fù)雜的零部件，從而限制了其在結(jié)構(gòu)部件方面的應(yīng)用[5-11]。近年來，國外鋁鋰合金的研制和成形技術(shù)日漸成熟，不僅在軍用飛機和航天器上大量應(yīng)用；而且民用飛機鋁鋰合金的用量也呈增加態(tài)勢，如“奮進號”航天飛機的外貯箱、空客A330/340/380等系列飛機。在我國，由于鋁鋰合金熔鑄工藝，板料軋制擠壓技術(shù)不成熟，新型鋁鋰合金的開發(fā)研制相對落后，目前只在某些型號的航天器中有少量應(yīng)用。本文系統(tǒng)總結(jié)了鋁鋰合金近年來的發(fā)展狀況以及國內(nèi)外先進成形技術(shù)在鋁鋰合金中的應(yīng)用現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢，分析了鋁鋰合金研制和成形技術(shù)在我國的應(yīng)用現(xiàn)狀及與國際先進水平的差距，并指出鋁鋰合金在我國航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用前景。
先進鋁鋰合金發(fā)展現(xiàn)狀
按照鋁鋰合金研制的歷史進程和成分特點，可以將其劃分成3個階段，如表1所示[7]。
 第一階段為初步發(fā)展階段，該階段的時間跨度大約為20世紀50年代至60年代初。其主要代表為1957年美國Alcoa公司研究成功的2020合金，并將其應(yīng)用于海軍RA-5C軍用預(yù)警飛機的機翼蒙皮和尾翼水平安定面上，獲得了6%的減重效果[5-7]。前蘇聯(lián)在60年代成功研制了BAд23合金。但這兩款合金延展性低，缺口敏感性高、加工生產(chǎn)困難等，無法滿足航空生產(chǎn)及性能要求，未取得進一步的應(yīng)用。
20世紀60年代中期，迫于能源危機的壓力，鋁鋰合金被重新重視，并進入了快速發(fā)展階段，即第二階段。在這一時期，鋁鋰合金得到了迅猛發(fā)展和全面研究，其中具有代表性的合金有:前蘇聯(lián)研制的1420合金，美國Alcoa公司的2090合金，英國Alcan公司的8090和8091合金等[6-11]。這些合金具有密度低、彈性模量高等優(yōu)點，可用其替代航空航天器部分2xxx和7xxx鋁合金。如前蘇聯(lián)在米格-29、蘇-35等戰(zhàn)斗機及一些遠程導(dǎo)彈彈頭殼體上采用了1420合金構(gòu)件。第二代鋁鋰合金雖取得了令人矚目的研究和應(yīng)用成果，但是由于存在嚴重的各向異性，且塑韌性低、熱暴露嚴重、韌性損失，大部分合金不可焊等，使其難以與7xxx鋁合金競爭。
20世紀80年代末期，以美國的Weldalite049系列合金為典型代表的第三代高強可焊鋁鋰合金相繼被研發(fā)出來，并已成功應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域中[5-11]。目前，新型第三代鋁鋰合金向著超強、超韌、超低密度等方向發(fā)展，其中高強可焊合金和低各向異性合金的研究最多。此外，還研制出了具有各向同性、以顆粒或晶須SiC陶瓷為增強體的鋁鋰金屬基復(fù)合材料，其彈性模量達130GPa，成為在航空航天領(lǐng)域中其他復(fù)合材料強有力的競爭者。
我國鋁鋰合金的研究起步雖然較晚，但經(jīng)過中南大學(xué)、北京航空材料研究院和西南鋁業(yè)公司等卓有成效的工作，國產(chǎn)化1420、8090等鋁鋰合金已應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。新型第三代鋁鋰合金的研究逐漸成熟，并成功試制出了2195合金的大規(guī)格薄壁擠壓管材和板材[1-4]。隨著國家對鋁鋰合金的重視，鋁鋰合金的研究工作逐年拓寬，并生產(chǎn)出了小規(guī)格板材和型材的半連續(xù)鑄造工藝研究[7]。目前我國已經(jīng)具備了鋁鋰合金的大規(guī)模研制與開發(fā)能力，這對我國航空航天工業(yè)先進結(jié)構(gòu)材料的需求具有重要的意義。
鋁鋰合金在航空航天中的應(yīng)用及其發(fā)展趨勢
據(jù)統(tǒng)計，每減輕1kg結(jié)構(gòu)重量可以獲得10倍以上經(jīng)濟效益，所以密度較低的鋁鋰合金受到航天工業(yè)的廣泛重視。鋁鋰合金已在許多航天構(gòu)件上取代了常規(guī)高強鋁合金。其中，美國的應(yīng)用發(fā)展非常快，在航天工業(yè)上的應(yīng)用尤為突出。洛克希德·馬丁公司利用8090鋁鋰合金制造了“大力神”運載火箭的有效載荷艙，減重182kg。1994年，為解決“奮進號”航天飛機外貯箱的超重問題，洛克希德·馬丁公司聯(lián)合雷諾茲金屬公司研發(fā)出新型2195材料以取代之前的2219合金。該合金的密度比2219合金的輕5%，而其強度則比后者高30%。采用2195制造的整體焊接結(jié)構(gòu)貯箱，減輕重量3405kg，其中液氫箱減重1907kg，液氧箱減重736kg，直接經(jīng)濟效益近7500萬美元，因此被稱為超輕燃料貯箱(SuperLight Weight Tank)[6-12]。俄羅斯在鋁鋰合金的研究、生產(chǎn)和應(yīng)用方面也一直處于領(lǐng)先地位，為提高載荷能力，航天飛機的外燃料貯箱便采用鋁鋰合金制成，“能源號”運載火箭的低溫貯箱是采用1460鋁鋰合金制成。
在航空領(lǐng)域，許多先進的戰(zhàn)斗機和民用飛機都選用了鋁鋰合金。1988年，洛克希德·馬丁戰(zhàn)斗飛機系統(tǒng)公司、航空器系統(tǒng)公司與雷諾茲金屬公司共同制定了開發(fā)2197合金應(yīng)用的計劃——用其厚板制造戰(zhàn)斗機艙壁甲板。1996年，美國空軍F-16型飛機開始用此合金厚板制造后艙甲板及其他零部件。除美國外，其他國家，如俄國、英國、法國等都在積極推進鋁鋰合金在航空航天器上的應(yīng)用：威斯特蘭（Westland）EH101型直升機25%的結(jié)構(gòu)件是用8090合金制造的，其總質(zhì)量下降約15%；法國的第三代拉費爾（Rafele）戰(zhàn)斗機計劃用鋁鋰合金制造其結(jié)構(gòu)框架；俄羅斯在雅克-36、蘇-27、蘇-36、米格-29、米格-33等戰(zhàn)斗機都有大量零部件是用鋁鋰合金制造的[1-11]。在民用飛機方面，空中客車工業(yè)公司的A330、A340和A380客機上都使用了鋁鋰合金，其中，A330和A340每架飛機約有3t的鋁鋰合金用于機身結(jié)構(gòu)、桁條等部件，目前最新型的A350客機在原有基礎(chǔ)上，首次在機身蒙皮上使用全新的2198鋁鋰合金。美國的波音747、777客機、麥道系列飛機等均使用了鋁鋰合金，其使用部位包括燃料箱、隔框、機翼蒙皮、前緣、后緣等。龐巴迪C系列飛機機身也將全部采用全新的鋁鋰合金。
鋁鋰合金的先進制造技術(shù)及其發(fā)展趨勢
1 超塑成形及超塑成形/擴散連接技術(shù)
超塑成形及超塑成形/擴散連接技術(shù)（SPF及SPF/DB）是利用材料的超塑性，對形狀復(fù)雜、難以加工的薄壁零件，采用吹塑、脹形等方法進行成形的過程，是一種幾乎無余量、低成本、高效的特種成形方法。鋁鋰合金與其他超塑材料一樣可以通過合金化或者機械熱處理獲得均勻、細小、等軸晶而產(chǎn)生超塑性能。鋁鋰合金的SPF研究始于1980年，在1982年的范堡羅國際航空展覽會上英國超塑性成形金屬公司首次演示了鋁鋰合金的超塑性現(xiàn)象及其超塑F零件。美國Weldalite049合金具有異的超塑性，在507℃固溶處理，不加反壓，4×10-3應(yīng)變速率下，延伸率可達829%[7-11]。這一應(yīng)變速率明顯高于其他鋁合金的應(yīng)變速率，這對解決超塑工藝速度低的問題有重要意義。俄羅斯已經(jīng)對1420采用SPF工藝加工了許多飛機的零部件，有的尺寸達1200mm×600mm。國內(nèi)航天材料及工藝研究所、北京航空制造工程研究所等科研單位針對鋁鋰合金的SPF及SPF/DB組合工藝進行了大量的開拓性工作, 取得了很多成果。目前，鋁鋰合金的超塑成形正由次承力構(gòu)件向主承力構(gòu)件發(fā)展，并且由單一的超塑成形向超塑成形/擴散連接的組合工藝發(fā)展，使鋁鋰合金加工成本更低，結(jié)構(gòu)更具整體性、輕質(zhì)量。
2 旋壓技術(shù)（Spin Forming）
旋壓技術(shù)是一項綜合了鍛造、擠壓、拉伸、彎曲等工藝特點的少無切削加工的先進工藝。剪切旋壓[10]是近年來在傳統(tǒng)旋壓技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型旋壓技術(shù)，它不改變毛坯的外徑而改變其厚度來實現(xiàn)制造圓錐等各種軸對稱薄壁件的旋壓方式( 錐形變薄旋壓)。這種成形方法的特點是旋輪受力較小，半錐角和壁厚互相影響，材料流動流暢，表面粗糙度好和成形精度高，并且能較容易地成形、拉伸、旋壓難于成形的材料。航天器上許多Al-Li合金構(gòu)件都是空心回轉(zhuǎn)體薄殼結(jié)構(gòu)，特別適合用旋壓法加工，其中最典型的零件是運載火箭低溫貯箱的圓頂蓋。美國“大力神”運載火箭圓頂蓋采用3塊直徑為0.65m，厚為10.7mm的Weldalite049板材旋壓制造。其中1 塊中部是使用變極性等離子弧焊(VPPA)焊接，經(jīng)過343℃/4h去除應(yīng)力，旋壓時，所有毛坯用火焰加熱保持317℃；成形后進行505℃/0.5h固溶處理，水淬；再經(jīng)177℃/18h人工時效，測得其室溫拉伸強度達600MPa左右，-196℃時增加到700MPa，且有很好的斷裂韌性[13]。“ 奮進號”航天飛機的外貯箱圓頂蓋也采用了相同的旋壓技術(shù)[10]，并在外貯箱的筒段采用了先進的剪切旋壓技術(shù)，如圖1所示[14]。
 圖1 剪切旋壓
3 輥鍛成形技術(shù)（Roll Forging）
Al-Li合金特別是Weldalite系列合金和1420合金具有良好的鍛造性能，用它們制造的模鍛件不會出現(xiàn)開裂，這已被150多種鍛件所證實。因而將其應(yīng)用于航空航天工業(yè)具有廣闊的前景。輥鍛是近年來發(fā)展起來的新型近凈成形技術(shù)，將材料在一對反向旋轉(zhuǎn)模具的作用下產(chǎn)生塑性變形得到所需鍛件或鍛坯的塑性成形工藝。輥鍛成形的發(fā)展有兩個重要領(lǐng)域。其一，是在長軸類鍛件生產(chǎn)上實現(xiàn)體積分配與預(yù)成形，減少最終成形負荷，組成精輥精鍛復(fù)合生產(chǎn)線，用較少投資大批量生產(chǎn)復(fù)雜鍛件。其二，是精密輥鍛技術(shù)，包括冷精輥技術(shù)。在板片類零件的精密成形上有良好的發(fā)展前景，如在葉片成形與變截面鋼板彈簧上均有優(yōu)勢。近年來輥鍛成形的兩個方向被成功應(yīng)用于鋁鋰合金的環(huán)形鍛件和帶筋條的鈑金件。如“奮進號”航天飛船外貯箱的“Y”形框和對接環(huán)[10]，如圖2所示[14]。
 圖2 鋁鋰合金輥鍛成形“Y”形連接框
4 焊接技術(shù)（Welding）
焊接是制造鋁鋰合金航空航天產(chǎn)品如貯箱、彈頭外殼等的主要工藝之一。前蘇聯(lián)研究1420合金的焊接時間長達10多年，從焊接工藝方法、焊接組織、焊接性能及焊后熱處理都進行了深入的理論研究和探討[8-15]。20世紀80年代還開展了1460高強合金可焊性的研究。采用鎢極氫弧焊（GTAW）和真空電子束焊（EB）工藝的1460合金，已成功用于制造“能源號”運載火箭貯箱[8-15]。美、歐等國的鋁鋰合金焊接始于20世紀80年代初，與俄國不同的是，美國特別注重焊接裂紋的研究。美國采用的焊接方法主要有GTAW、EB、VPPA（變極性等離子弧焊）等，并用VPPA法焊接了Weldalite049合金制造的航天飛機外貯箱，Alcoa公司采用EB焊對12.7mm厚的2090合金板材施焊，焊透率達100%。近幾年2種新型焊接技術(shù)：攪拌摩擦焊和激光焊接技術(shù)也開始應(yīng)用于鋁鋰合金制造研究（圖3）[15]。美國洛克希德·馬丁公司用攪拌摩擦焊對2.3~8.5m厚的2195AI-Li合金及2219合金板材進行焊接，發(fā)現(xiàn)接頭強度可提高15%~26%，焊縫斷裂韌性增高30%，塑性提高1倍，焊縫組織極細小。空客公司經(jīng)過20多年的努力利用激光焊接技術(shù)制造了大型客機用雙光束“T”結(jié)構(gòu)件，并成功應(yīng)用于A330、A340、A380等客機機身壁板上。
 圖3 鋁鋰合金激光焊接技術(shù)
5 新型熱處理工藝技術(shù)（Heat Treatment）
鋁鋰合金的主要優(yōu)點是密度低、比模量高、耐腐蝕強等，綜合性能較常規(guī)高強度鋁合金優(yōu)異。但在以壓應(yīng)力為主的變振幅疲勞試驗中，鋁鋰合金的這一優(yōu)點不復(fù)存在，主要原因在于，其峰值強度材料短- 橫向的塑性與斷裂韌性低，各向異性嚴重，人工時效前需施加一定的冷加工量才能達到峰值性能，疲勞裂紋呈精細的顯微水平時，擴展速度顯著加快。為改善鋁鋰合金的疲勞、斷裂韌性等性能，美國航天宇航局就新型的2195鋁鋰合金作了大量的研究工作，開發(fā)了雙級、三級、五級熱處理工藝，使得2195合金的室溫斷裂韌性和疲勞性能提高了近30%，而強度與傳統(tǒng)時效相當[16]。目前我國研發(fā)新型鋁合金的同時，在生產(chǎn)工藝上也做了大量研究。通過新的熱處理工藝（T74、T73）大幅度提高了7xxx合金斷裂韌性和抗應(yīng)力腐蝕開裂性能，并進一步研究開發(fā)7xxx合金的熱處理工藝，如7075-T76 用于L-1011機翼擠壓壁板，7075-T736用于起落架構(gòu)件、窗框和液壓系統(tǒng)部件。但是目前針對鋁鋰合金的研究工作，尚在起步階段，基礎(chǔ)研究相對較弱，離應(yīng)用還有距離。鋁鋰合金的熱處理應(yīng)該在鋁合金熱處理的基礎(chǔ)上，結(jié)合國外的新工藝新方法，開展系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究，以求早日實現(xiàn)鋁鋰合金熱處理工藝的工業(yè)化應(yīng)用。
結(jié)束語
（1）作為航空航天重要的結(jié)構(gòu)材料，鋁鋰合金受到西方國家的廣泛重視，如今第三代鋁鋰合金已在大型商用客機制造中獲得應(yīng)用并成為未來機型發(fā)展的重要趨勢。但目前，新型鋁鋰合金主要依靠國外供應(yīng)商，不僅成本高，而且得不到鈑金、熱處理等相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的支持，因此獨立開發(fā)和研制新型高強、高損傷容限鋁鋰合金是我國鋁鋰合金未來發(fā)展的重要方向。此外，鋁鋰合金和復(fù)合材料是未來民用飛機的重要選擇，如何提高其減重效益、強度和損傷容限是開發(fā)新型合金面臨的重大挑戰(zhàn)。
（2）鋁鋰合金在鑄造、軋制等技術(shù)逐漸成熟的基礎(chǔ)上，先進加工制造技術(shù)不斷拓寬，超塑成形、旋壓、輥鍛焊接等新工藝不斷創(chuàng)新，并已取得重大的應(yīng)用成果，然而，由于其自身性能限制，室溫成形能力仍較困難。鋁鋰合金在大型客機中的應(yīng)用主要以冷成形為主，因此，解決和實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的室溫鈑金成形和熱處理工藝是未來我國大型客機用鋁鋰合金使用的關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展方向，同時在傳統(tǒng)工藝基礎(chǔ)上不斷開發(fā)新型技術(shù)，提高成形精度、效率和質(zhì)量。
參 考 文 獻
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