鋁合金大家都不會陌生，因為其價格便宜、美觀耐用，已經普遍應用到了各行各業。其中，有一類鋁合金因在航空航天領域廣泛應用而備受關注，它就是鋁鋰合金。

對于航空航天來說，節約質量就是大幅度節約成本。為了降低飛機和火箭自身的重量，科研人員一直都在制造材料上下功夫，希望能夠找到一種既輕便又結實的材料。鋁鋰合金，作為一種先進的輕量化結構材料，具有密度低、比強度和比剛度高、彈性模量高、疲勞裂紋擴展速率低、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異的綜合性能。中國的大飛機C919大部分結構材料使用的就是鋁鋰合金。下面我們就來為大家簡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。因為鋰金屬是地球上密度最小的金屬，比水的密度還要小。把這種金屬添加到其他金屬里面，就可以降低合金的密度。比如添加到鋁合金里面，只需要有1%的鋰金屬，就可以讓鋁合金降低3%的密度。通過添加鋰金屬，可以生產比傳統鋁合金更輕的合金材料，滿足航空航天產業不斷降低質量、降低運營成本的要求。當然，通過研究的不斷深入，發現鋁鋰合金不僅可以實現更低的密度，還可以實現更高的強度，從而可以在保證飛機強度的前提下，降低材料的使用量，進一步降低飛機的質量。

當然，鋁鋰合金絕不僅僅是往鋁里面添加鋰金屬那么簡單，如果真是那么簡單，也不會成為價格高昂的航空航天材料了。鋰金屬本身是一種活潑金屬，自己放在空氣里面很容易被氧化，甚至有可能被點燃發生火災。這種活潑的金屬如果添加到鋁合金里面，很容易被氧化，不僅自己被氧化，還很容易帶動鋁合金被氧化。所以，雖然鋁金屬里面添加鋰就會降低合金密度，但也不會大量添加，目前已經成型的各類鋁鋰合金添加的鋰金屬含量沒有超過3%的，主流的鋁鋰合金中鋰元素的含量集中在1-2%之間，上下浮動不大。

此外，單獨添加鋰元素，并不足以提高鋁合金的強度，反而有可能降低鋁合金的強度。因此，主流的鋁鋰合金絕不僅僅是鋁元素和鋰元素的合金，而是同時添加了幾種甚至十幾種元素的復雜合金，甚至有些元素的含量會超過鋰元素。

鋁鋰合金發展歷程

鋁鋰合金主要經歷了四代產品。最早的含鋰鋁合金誕生于1924年，鋰元素添加量只有0.1%，當初也沒有發現這種材料的特殊性能，所以并沒有引起重視，也沒有把鋁鋰合金當做重點的研究方向進一步深入。直到20世紀50年代，美國和蘇聯先后研發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，可以降低飛機制造材料的質量，進一步可以幫助飛機節省燃料，降低飛機運營成本。美蘇先后把鋁鋰合金應用到了飛機部件的制造上，并取得了不錯的經濟效益。就此鋁鋰合金引起了各國的重視，成為大家重點研發的一種重要航空航天材料。

但是，第一代鋁鋰合金延展性差，不容易加工、容易斷裂且斷裂后容易被腐蝕等等，這些缺點決定了鋁鋰合金并不能很好的滿足航空航天的應用需求。以飛機為例，如果結構材料很容易損壞或者很容易腐蝕的話，就會給飛機帶來很大的安全隱患。

到了20世紀60年代，國際市場油價飆升，催生了第二代鋁鋰合金。只要能降低飛機質量，就能節省燃油損耗，從而節約運營高成本。所以，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，往往會添加超過2%的鋰元素。第二代鋁鋰合金相對于傳統鋁合金可以降低8%~10%的質量。但也正是因為鋰元素含量高，給鋁鋰合金帶來了一定的不穩定因素。第二代鋁鋰合金熱穩定性比較差，加工性能和易斷裂的性能沒有很好的改善，同時還存在著各向異性，也就是不同方向結構強度之類的指標不一樣，給材料實際應用帶來很多困難。

真正意義上鋁鋰合金時代的到來，還是從20世紀90年代開始的，到這個時期，人類對鋁鋰合金的認識已經到了一個新的高度，不再追求整體性能的提高，而是根據不同用途，研究不同性能的鋁鋰合金。第三代鋁鋰合金根據不同用途衍生出了多種牌號的鋁鋰合金產品，滿足了不同領域的需求。

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題。通過降低鋰元素的添加量確保材料穩定性，并進一步改進配方使用一些特殊性能的元素，真正意義上讓鋁鋰合金實現了密度小、結構強度大、易加工、耐腐蝕等一系列優秀性能。鋁鋰合金也正式得到了航空航天產業的認可，在飛機和火箭上的應用比例越來越高。第二代鋁鋰合金主要應用到一些運輸機和直升機上，而到了第三代鋁鋰合金這里，民用航空大飛機也開始大規模使用，大飛機的蒙皮、橫梁等重要結構部件都用上了特定性能的鋁鋰合金。第三代鋁鋰合金的使用，不僅僅是從材料密度上實現了降低，而且大幅度提升了材料強度，真正意義上給飛機來了輕便又安全的機身。

不僅僅是飛機從鋁鋰合金材料這里得到了好處，火箭也逐漸開始擁抱鋁鋰合金。美國的航天飛機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，這樣的減重對于航天飛機運營來說是非常有利的。此后，很多火箭的燃料貯箱也開始使用鋁鋰合金材料。比如近些年發展迅猛的SpaceX公司，其獵鷹9火箭燃料貯箱材料就是使用鋁鋰合金材料。相對來說，中國火箭領域應用鋁鋰合金材料比較晚，目前主流的火箭，燃料貯箱全都沒有采用鋁鋰合金材料。但值得一提的是，中國已經攻克了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火箭發射了。

第三代鋁鋰合金在一定程度上已經克服了前兩代鋁鋰合金材料的缺陷，使用安全性、可靠性得到了大幅度提升，但仍存在一定的提升空間，于是又催生了第四代鋁鋰合金材料。第四代鋁鋰合金材料要求性能更優異，成本更低廉。第三代鋁鋰合金材料，通過添加少量銀元素，改進了合金材料的性能，但是銀元素的成本還是比較高的，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，還能進一步提升材料性能。目前已經制備出來的第四代鋁鋰合金材料，強度高、抗裂性能、抗腐蝕性能好的同時，具有更好的韌斷性和更好的靜強度，能進一步滿足航空航天領域的需求。

需要補充的是，鋁鋰合金不僅僅是成分比較特殊，它們在生產和加工時也有很多需要注意的。如果不能把各種因素都考慮到位，是不可能生產出合格的高性能鋁鋰合金的，這也正是這種材料還不能成為大眾材料的重要原因。

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，那添加鋰元素的鋁鋰合金冶煉的過程中有很多因素需要考慮。最重要的一點，那就是在冶煉的過程中一定要主要隔絕空氣，因為空氣很容易氧化鋰元素，而鋰元素氧化以后，會嚴重影響最后鋁鋰合金的性能。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，之后才能開始冶煉。另外，冶煉的原材料也必須嚴格控制，稍有不慎混進一些雜物，比如一些氧化物，就很容易把鋰元素氧化，從而嚴重影響最終產品的性能。

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

中國的鋁鋰合金生產和加工起步相對比較晚，產業化程度還不太高，主要應用到軍工領域，航天領域還沒有正式鋪開，民用航空應用也不多，未來提升空間比較大。雖然中國大飛機C919應用鋁鋰合金的比例相對很高，但就目前而言，我國各類鋁鋰合金材料進口比例較高，距離完全實現國產化替代的道路還是比較長的，這也是推動中國鋁鋰合金產業轉型升級的重要契機。