導 讀

介紹了第一代Al-Li合金的開發與應用以及第二代Al-Li合金的研發情況，并詳細地論述了第三代Al-Li合金的化學成分、工程性能及開發與應用。討論了航空用第三代Al-Li合金的改進方向和發展趨勢。

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一、第一代 Al-Li的早期發展歷史

鋰是最輕的金屬元素，因此作為鋁中的合金化元素是最有優勢的，用于輕量合金基的航空航天材料的主要結構材料。每增加一個單位鋰，鋁的密度降低約3%，而彈性模量提高了約6%。除此之外，在提高高周疲勞和抗疲勞裂紋擴展的同時，還能增強抗拉強度。鋁鋰合金在低溫溫度下的強度-斷裂韌性的綜合性能也比較有優勢。在鋁基體中加入鋰及其它合金化元素，可制備不同系列不同性能和用途的鋁鋰合金。

鋁鋰合金的開發可追溯到1942 年，由 I.M.LeBaron首次開發了Al-Cu-Li合金并于1945年獲得一項Al-Li 合金專利。此后，在英國 Hardy 和Silcock 的后續工作確認了在 Al-Cu-Li 合金中的強化相。表1為鋁鋰合金早期開發與使用情況。

表1 Al-Li合金早期研究

在20世紀50年代，美國鋁業公司的冶金學家認為，鋰的添加提高了鋁合金的彈性模量，并在1957年開發了高強度的 Al-Cu-Li 合金2020。2020合金的標稱化學成分為Al-4.5Cu-1.1Li-0.5Mn-0.2Cd，除了在150～200℃下具有高強度外，該合金在這些溫度下還具有高抗蠕變性。

隨后，2020合金被商業化生產，并用于美國海軍RA5C義務警員飛機上。它一直表現良好，在二十多年里沒有任何失效記錄。鋁鋰合金在航空應用上引人注目，因為與傳統航空用鋁合金相比它們具有低密度和高模量。在鋁中每添加一個重量百分比的鋰會使鋁密度降低3%，模量提高約6%。

但是，2020 合金的脆性和生產問題阻礙了其進一步應用，于20 世紀 60 年代從商業生產中撤出。一份當代數據圖表顯示，盡管2020-T6可能表現出較低的韌性，但即使它在一種非常嚴苛的條件下被使用，其相對性能與同期的其他高強度的航天合金相比沒有差異。

在20 世紀 60 年代初，跟隨美國Al-Cu-Li-Cd合金的研究工作，前蘇聯對Al-Li合金也有一些重要的研究和開發，尤其是I.N.Fridlyander院士和他的同事們。當時被廣泛研究的俄羅斯合金 VAD23有著與2020 合金非常相似的成分，即，Al-4.8%~5.8%Cu，0.9%~1.4%Li，0.4%~0.8%Mn，0.1%~0.25%Cd，Ti≤0.15%，0.3%Fe，0.3%Si，0.1%Zn，以及0.05%Mg。該合金在前蘇聯的使用有限，但在反坦克導彈的翼穩定器的制造中得以使用。

在1952 年，F.I. Samray 研究了許多Al-Mg-Li系合金并證實了含Li的合金化Al-Mg合金對其力學性能幾乎沒有影響，并在熱處理過程中也不會導致力學性能的改善。他斷定開發該系列的新的工業成分并沒有前途。但是，在1965年，I.N.Fridlyander、M.V. Shiryaeva、B.V. Tyurin 和V.S. Sandler 發現在Al-Li-Mg 系中大量合金的硬化效果。該工作導致開發了含2% Li、5.5% Mg 和0.1% Zr 的 01420 合金，比2024 合金輕 10%～12%，在許多國家有專利。據稱，該合金具有較高的抗腐蝕性、較好的焊接性、較高的彈性模量以及靜態強度。Fridlyander等人也開發了含Sc 的 01420 合金的一個變型，即01421。在抑制再結晶長大方面，Sc比Zr、Cr和Mn有更強的影響力。它有助于在變形產品中形成較細的亞晶組織，并提供另外的強化作用，這歸因于穩定的Al3Sc彌散顆粒的形成。其在鋁中的最大原子溶解度超過Zr約1.7倍（0.5%VS對0.089%），并有大約相等的重量百分溶解度。

01420合金是商用合金中密度最低的合金之一。在 1970～1971年，該合金被用于垂直起飛和降落飛機？k36和？k38中。這是首次將焊接鋁合金用于飛機上。該合金也用于直徑為4.5m 的液態氧氣瓶中。

二、第二代鋁鋰合金的研發與應用

2.1 概述

在20世紀70年代，燃料成本、與增長幅度相關的市場價值以及著陸重量費用導致將技術重點集中到重量減輕上。均衡研究是為了確定哪些性能的改進對節省重量有最大的影響。這些研究表明，密度降低是最有優勢的。鋰，作為最輕的金屬，對減少鋁的密度有最大的影響。鋁業公司也開始對低密度的合金產生了興趣，因為他們擔心來自航空材料用的非金屬復合材料的競爭，并相信在鋁合金的開發上會有重大的進展，且可以保持這一競爭力。盡管碳纖維和硼纖維非金屬復合材料比其它航空用結構材料具有更大的密度優勢，但鋁合金的性能改進似乎更令人滿意。

詳細的設計研究預測Al-Li合金滿足預先確定的鋁合金開發目標，通過減少密度和增加剛度，能夠生產出重量節省約8%～15%的產品（見圖2）。絕大多數這些Al-Li合金開發項目的方法是利用從先前的鋁冶金得出的經驗教訓。這些方法包括將鐵和硅含量減少到韌性和延性經濟可行的最低限度；用Zr代替Mn，形成Al3Zr彌散顆粒，用于晶粒細化，因為較大的富Mn彌散顆粒通過成核孔穴對其延性有不利影響；不使用Cd為成核強化析出物，因為該元素似乎增加了2020 合金的晶間斷裂。這些研究項目導致“第二代”Al-Li合金的產生。

圖2 洛克希德飛機與重量節省及各種性能改進圖

2.2 第二代Al-Li合金的開發與應用

有兩種不同的方法來開發第二代Al-Li 合金：一是粉末冶金法（P/M），另一種是鑄錠冶金法（I/M）。粉末冶金的優點是，更大范圍的化學成分、顯微結構靈活、有幾種可能的生產方法，例如快速凝固和機械合金化。但是，P/M工藝成本更高，生產能力較小，導致生產的鑄錠尺寸較小。I/M工藝生產成本可能較低，能生產較大尺寸的鑄錠，大部分使用現有的生產設備。Al-Li合金的鑄造設備可能受限且昂貴，其化學成分比用粉末冶金法生產的更受限。

最大的P/M 研發部門是由 R.E.Lewis 和洛克希德導彈和空間公司帶領的一個團隊，他們的目標是生產一種模量/密度比和強度/密度比（與5AA7075-T76相比）分別增加 30%和20%的 Al-Li-X 合金。由于生產困難，該目標未能完成。在這個項目中，很明顯的是，使用I/M方法是成功的最佳途徑。

主要的鋁生產廠家，如Alcoa（美國）、Pechiney（法國）以及英國的Alcan都參與了采用I/M方法進行鋁鋰合金的研究。阿爾考集中在7075-T6替代產品，Pechiney集中在2024-T3薄板和輕規格產品的替代品，英國的Alcan也是如此。在這些生產廠家研制的最初合金中，大約含2%或更多的Li，約2%或更多的Cu，一些Mg和Zr，以便控制晶粒組織。表2示出了部分初始合金的化學成分以及密度。

表2 部分第二代鋁鋰合金的化學成分（質量分數/%）及密度

必須首先解決的主要問題之一是鋁鋰合金的生產成本。這包括與含鋰鋁合金的反應性相關的特殊鑄造設備，且生產廠家必須研究方法以控制在鑄造過程中鋰與空氣發生反應。融熔鋁鋰合金與空氣中的氧氣發生反應會導致大量的生產問題。這些問題包括如下：金屬表面與熔體里的氧化物、氮化物和碳酸鹽夾雜物發生快速反應；熔體與鑄造材料、坩堝、里襯和模子發生反應；還有較大的爆炸危險。

在熔煉和鑄造過程中，必須使用改進的耐火材料和除氣程序、保護惰性氣體和/或表面助熔劑，采用專門的鑄錠冷卻技術（有些采用有機冷卻劑來代替水）。除此之外，要注意來自鋁鋰合金的廢料與其他鋁合金的廢料混合在一起，以及這類夾雜對性能的影響。因此，研發廢料回收系統，對合金的有用成分進行回收再利用是十分重要的。

三、第三代 Al-Li合金的研發應用及改進方向

3.1 研發與應用

第三代鋁鋰合金可以追溯到20 世紀 80 年代，那時Pickens 等人效力于 Martin Marietta 馬丁公司（后為LockheedMartin洛克希德公司），著手設計用于航空航天運載火箭和冷凍桶槽的具有低密度的可焊鋁基合金。他們采用2219 合金為基體（因其具有較好的低溫性能），利用Hardy和 Silcock相圖來選擇T1相場的化學成分，希望最大程度上減少δ‘的存在。根據Polmear的研究工作，針對T1相，添加Ag和Mg作為成核劑，添加Zr來控制晶粒結構，以細化焊接區域的晶粒結構。這種名為Weldalitet的標稱化學成分為 Al-（4.6-6.3） Cu-1.3Li-0.4Ag-0.4Mg-0.14Zr-0.06Fe-0.03Si，通過均勻分布T1該合金能達到700MPa的屈服強度。

第三代鋁鋰合金含鋰少于2%。Weldalitet合金系列的后續款含有Zn，提高了抗腐蝕性。鋅進入到晶粒中的固溶體中，降低了基體的點蝕電位，并降低了晶界與基體之間的電化學勢差，這樣就改進了靜態和動態腐蝕性能。研究開發了2195 合金，用于 1998 年首飛的航天飛機的超輕罐上。該新合金和一些設計改變使整個輕量貯罐減輕了重量3175kg/7000 lb，并使航天飛機的性能有顯著的提高，達到了國際空間站要求。表3中示出了其它第三代Al-Li合金的化學成分。

表3 第三代Al-Li-X合金的化學成分（質量分數/%）

3.2 改進與發展方向

在航空航天應用中，鋁合金的一般用途中力學性能的各向異性起著一個重要的作用。所有的含有作為晶粒細化劑Zr 的早期鋁鋰合金都顯示出細長的薄餅狀晶粒，有明顯的晶體織構。Zr在鑄錠的預熱過程中形成了連貫的Al3Zr彌散體，在正常的鑄錠斷裂和后續處理過程中非常有效地抑制了再結晶。

在1992 年，美國空軍賴特實驗室為了大大降低含Li量大于2%的鋁合金的平面內各向異性，最初的方法是在軋制步驟之間引入中間再結晶退火，以減少劇烈變形織構，從而降低合金的各向異性。所設計的既抑制又促進再結晶兩步法被證明是很成功的，模量和屈服強度的各向異性從早期的Al-Li合金的20%～25%減少到空軍用合金的10%。此外，整個合金短橫向的斷裂韌性提高了近4倍，合金中Li含量均超過2.0%。空軍用合金代號為AF/C-489，標稱化學成分為 Al- 2.7Cu- 2.05Li- 0.6Zn-0.3Mn-0.3Mg-0.04Zr。

美國空軍與美鋁開發了AF/C-489 的衍生合金，代號 AF/C-458，標稱化學成分為Al-2.58Cu-1.73Li-0.6Zn-0.25Mn-0.26Mg-0.09Zr。選擇添加銅和鋰來形成Al3Li、Al2Cu和Al2CuLi析出的組合物，以便獲得高強度。

四、小結

鋰是最輕的金屬元素，在鋁合金中添加Li不僅可提高彈性模量，降低密度，而且力學性能、疲勞性能、抗疲勞裂紋擴展、斷裂韌性和腐蝕性等都有所改善，是航空結構件輕量化的首選材料。

鋁合金的開發始于1942 年，1945 年獲得專利并開發出第一代鋁鋰合金如2020 等。此后又研發出了第二代鋁鋰合金如 2090、8092等。為了避免鐵硅以及 Li含量過高引起的不良影響，以提高鋁鋰合金的綜合工程性能，進一步研發了第三代鋁鋰合金如2199、2060等，現已廣泛應用于各種飛機的結構部件并在進一步改進之中，具有十分廣闊的發展前景。

來源：《鋁加工》2018年第5期