1924年, 第一个含Li的铝合金Scleron (Al-12Zn-3Cu-0.6Mn-0.1Li) 在德国诞生。之后各国的科学研究者相继研制出一系列的性能优良的铝锂合金, 并把铝锂合金的低密度、高比强度、高比刚度、优良低温性、良好的耐蚀性和卓越超塑性成型性能应用于航空航天等领域, 取代了部分传统的2 X X X和7XXX的铝合金。与普通铝合金相比, Al-Li合金在材料制备、零件制造工艺上无原则差别[1]。有研究表明:在铝合金中每添加1%的Li, 可使合金密度降低3%, 而弹性模量提高6%, 并可保证合金在淬火和人工时效后硬化效果良好[2]。我国自主研发的新型合金2A97 (Al-Cu-Li系脱溶强化型铝合金) 有良好的合金加工性能是一种有吸引力和发展前途的航空材料。
自20世纪80年代起, Al-Li合金已成为主要工业国家材料研究领域重点研究、开发课题, 美国和前苏联在这个时期末成功开发了Al-Li合金的完整体系。在Al-Li合金的发展史上有很多具有重要意义的事件。
1942年, 美国Alcoa公司申报了2020AlLi合金的专利, 在克服了熔炼技术上的难题后于1957年开发出了Li含量为1.1%的铝锂合金并在1959年将其用于美国海军RA-5C预警飞机机翼蒙皮和水平安定面上, 取代7075合金, 减重达6%[3]。
前苏联开始了铝锂合金方面的研究并开发出类似2020Al-Li合金BAд23 (Al-5.3Cu-1.2Li-0.6Mn-0.17Cd) [4]。而后, 苏联专家研制出Al-Mg-Li系合金, 其中以中等强度、低密度、好的焊接性能和抗腐蚀性能的1420合金为代表。其后在1420合金的基础上通过加入Sc元素成功研制出1421、1423合金, 使得其强度、热循环载荷、焊接性都有所改善[5]。
1989年前苏联研制出非焊接结构件用的中强度1430、1440和高强度1450合金, 接着又研制出高强度、可焊、低温条件下使用的1460合金[6], 20世纪90年代, 各国开始开发出了一些具有特殊优势的Al-Li合金。美国Reynods公司和Martin Maritta公司合作的Al-Cu-Li-Ag-Mg系具有良好可焊性的超高强Weldalite-049合金系列。
此外, 澳大利亚墨尔本Comalco公司采用高真空纯化法熔炼Al-Li合金得到一种改良型Vachte合金、美国Reynods公司高韧性合金2097和2197、Donald Webste的特殊真空处理的高韧性, 高抗应力腐蚀铝锂合金XT系列[7]。最近, 以Al-Li合金为基的Si C晶须或颗粒增强的各向同性复合材料也研制成功。
国内铝锂合金的研究起步比较晚, 国家“九五”期间完成从俄罗斯引进6吨级铝锂合金工业化熔铸生产线, 并根据我国航天型号的发展规划及运载火箭箭体结构的发展要求, 提出了“高强铝锂合金研究”国家科技攻关任务。
“十五”期间, 研究重点是“一型两用”新型高强高韧铝锂合金和2195合金的性能优化和工业化生产技术开发。“一型两用”新型高强高韧铝锂合金的研究已经完成了实验室中试规模的研究, 并申请了国家铝合金牌号2A97。
“十一五”期间, 在总装备部的支持下, 连续开展了“一型两用”铝锂合金的工业化试制研究。通过连续几个五年计划的国家支持, 我国铝锂合金研究开发的基地已建立, 其规模和水平已达到美、俄等国上个世纪90年代初的水平[8]。
经过几个五年计划的材料研究与应用研究, 国产铝锂合金已在航空航天工业中应用, 特别是1420合金深冲模锻件已批量用于我国DF-XX导弹上, 薄板已用于我国新型战斗机Su-XX蒙皮, 标志着我国铝锂合金研究已进入实质性应用阶段。
(1) 铸锭冶金法 (I/M法) 是铝锂合金制备的主要方法。IM法的优点是生产工艺, 成本低, 可生产大规格铸锭。I/M法的优点是成本较低, 可生产大规格铸锭[9]。
(2) 粉末冶金法 (P/M法) 是一种能制备复杂形状接近净形产品的生产技术, 也是生产Al-Li合金的重要方法。因冷却速度较高, 因而提高了合金元素的溶解度, 细化了晶粒和第二相质点, 减少了偏析, 改善了合金性能。
(3) 电解法, 我国学者徐君莉等发现选用圆柱形A l作阴极可降低阴极裂开的几率, 提高产品纯度。在制备过程中合金一直受熔盐保护, 很大程度上降低了对环境气氛的要求, 简化了生产设备, 在较低成本下可制备出H含量符合要求、Na含量很低的合金[10]。
(4) 其他制备方法, 电磁模拟微重力法:是利用地面电磁模拟设备, 模拟在微重力环境状态下进行合金的熔炼方法。此法可以较大的提高合金中Li的含量重力场AlLi合金是难混合金, 但在微重力场对难混合金的熔炼提供了一个广阔空间[11]。
形变热处理所带来的形变强化实质就是这种亚结构强化, 袁志山等研究了淬火后形变时效对新型高强Al-Cu-Li-X AlLi合金2197组织和性能的影响。研究表明, 淬火后立即预变形引入的位错和随后双级时效过程形成的位错环增加基体中T1和θ/相数量, 并使T1相细化、分布更均匀[12]。
研究表明, 采用分级时效工艺, 可以通过调整强化相析出及分布而明显提高铝锂合金的性能[13]。袁志山等研究了2A97三级失效工艺和性能的关系, 结果表明:含有δ′相二次析出过程的三级时效和含有δ′相回溶过程的三级时效处理合金的强度和塑性达到T6峰值时效水平, 三级时效改型工艺由于增加变形使前者合金的强度升高, 塑性降低, 使后者的强度显著提高[14]。
分别或者同时加入Cu、Mg、Ag等元素可以有效改善Al-Li合金的强韧性[15]。在Al-Li合金中添加微量的Zr、Sc分别形成Al3Zr、Al3Sc弥散质点, 对基体起到弥散强化和细晶强化作用。
铝锂合金的强度和韧性在一定程度上是相互矛盾的, 一种性能的提高常伴随着另一种性能的降低。但是铝锂合金具有低密度、高比强度和比刚度, 经过性能改进还具有优良的低温性能、良好的耐腐蚀性和超塑性等, 加上高的性价比, 铝锂合金是航空航天材料的理想材料。
摘要：综述了国内外铝锂合金的研究历史和应用概况;总结了我国铝锂合金研究进入实际应用阶段的主要表现方面;同时指出因其具有低密度、高比强度和比刚度等优点, 是一种理想的航天材料。
关键词：铝锂合金,研究,比强度,比刚度
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