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鋁鋰合金特性與用途
1990年,美國雷諾茲金屬公司與馬丁·馬里特公司合作研制的2094及2095合金在美國鋁業協會注冊,它們的強度高,可超過700N/mm2,躋身強度最高的鋁合金之列。1992年,雷諾茲金屬公司又開發出2195及2196合金,它們既有低的密度,又有高的比強度與韌性。該公司在研制高強度Al-Li合金Weldalite的同時,又與通用動力公司合作(GD Co.)研發成功厚板低密度、高韌性Al-Li合金2197,并于1993年在美國鋁業協會注冊,這是一種不屬Wedalite型的合金,其強度與剛度比2124合金的高,而其密度則低得多。2197合金于1996年進行工業化生產,用于制造F-16殲擊機。
同其他熱處理可強化的變形鋁合金一樣,Al-Li合金的強度也是通過固溶熱處理與隨后的人工時效獲得的。沉淀相的結構取決于一系列的工藝參數,主要是淬火速度、人工時效前的冷加工率、時效溫度與時間。
Al-Li合金的主要不足之處是塑性與斷裂韌性不足,為此,可采取如下措施:
1. 防止局部優先變形。使不易為位錯切割的沉淀物粒子細化,并均勻地分布;或時效前進行預變形,使θ'、S'相細化與均勻分布;或使Al3Zr之類化合物形成細小均勻分布的沉淀物。
2. 防止晶界應力集中。進行欠時效,減少無沉淀區寬度;或時效前進行預變形,以減少無沉淀區寬度,抑制晶界沉淀;或施工加形變熱處理;或添加鋯之類的元素,細化晶粒。
3. 防止晶界脆化。加強精煉凈化處理,嚴格限制鈉含量,減少氫含量。鈉含量較多時,可添加微量鉍以中和其有害影響。
4. 減少晶粒內的應力集中源。降低非金屬夾雜物含量;減少不溶解的結果晶物并使其微細化,以提高合金純凈度;使可溶解的結晶相(一次晶體)溶于固溶體中。
Al-Li合金的90%以上都用于航天航空器制造,當前世界各國情況都如此,中國“天宮一號”于2011年9月29日發射,是中國第一個低軌道、長壽命大型載人航天器,設計壽命2年。整個飛行器質量8.6t,分為前后艙,前艙為全密封環境實驗艙,對接完成后航天員進艙工作、訓練,一些必要的生活活動、睡眠等也都在這里進行。后艙則是資源艙,內置動力系統、推進系統和能源,其主要任務為“天宮一號”的飛行提供能源保障,并控制飛行姿態。資源艙加滿燃料后重約1.4t。
“天宮一號”在軌運行2年,燃料必須加足,它在天上一直與資源艙“不離不棄”,減重勢在必行,于是資源艙的艙段結構用Al-Li合金代替傳統鋁合金材料,為艙段成功減重10%以上。所用Al-Li合金材料的各項力學性能不但比傳統的高強度鋁合金(2024型)與超強度硬鋁7xxx型合金的相當或更高一些,而它的密度又比傳統鋁合金的低8.5%~9.5%,因而具有很大的減重效果,滿足了“天宮一號”結構設計要求。
中國C919大飛機造航機前艙等直段是用Al-Li合金制造的,不過所用材料是從美國進口的,以后正式生產時會逐步增加國產材料用量,2018年國產鋁材用量可占鋁材總用量的40%以上。
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