鋁鋰合金在航空結構設計中的應用

段一凡

【摘 ?要】在簡要介紹鋁鋰合金的分類及特點的基礎上，重點論述了第三代鋁鋰合金在航空結構件上的性能研發與應用，并以實例論證了其在實際應用中的作用及重要性?

【關鍵詞】鋁鋰合金;航空結構件;研發與應用

鋰是世界上最輕的金屬元素?把鋰作為合金元素加到金屬鋁中，就形成了鋁鋰合金?加入鋰之后，可以降低合金的比重，增加剛度，同時仍然保持較高的強度?較好的抗腐蝕性和抗疲勞性以及適宜的延展性?因為這些特性，這種新型合金受到了航空?航天以及航海業的廣泛關注?

1第二代鋁鋰合金

第二代鋁鋰合金的研發目的是想比同類傳統鋁合金輕8%～10%，也更堅韌，以便更廣范圍地取代它們?這一早期種類包括未能形成商業效益的X8092和X8192合金?此外還有AA8091，與8090相比，其含鋰量較高（2.6%vs2.4%），銅含量也高（1.9%vs1.2%）?2090和8090是最有前景的二代鋁鋰合金，很有應用潛力，但由于某些缺陷，一直未能打開更廣闊的應用空間?事實證明，將鋁鋰合金作為直升機最適用選材是減重所需，這對于垂直起飛?降落的直升飛機而言是極為重要的?表1列出了EH101直升飛機早期（1984）和最終所采用的二代鋁鋰合金?最初設想的是采用AA2091，但最終選用了8090系列?實際上，因為可以減重8%～10%，機身框架構件采用的都是8090合金?遺憾的是，早期使用經歷表明，該類合金的斷裂韌性和疲勞性能成了人們的擔憂?

2第三代鋁鋰合金

眾多第三代鋁鋰合金已經被人們廣泛地應用了?早期應用的有：AA2195厚板，用作航天飛機外掛儲油箱;AA2297和AA2397，用作Lock-heedMartinF-16艙板及軍用飛機上的其它零部件?近來，又有一些合金取得商用運輸機（如空客A380）的應用資格，應用領域不斷擴大?這一點從表2中就可看出?研發不同形式和用途的基本相同的第三代鋁鋰合金，即研發第三代鋁鋰系列是一個明確的發展趨勢?表2示出了第三代鋁鋰合金存在幾乎可以取代所有的現有傳統合金的可能性?促成這一可能性的最主要的就是研發一系列優化的?性能均衡的合金牌號，從而在與特殊應用合金配合使用時更具靈活性和適應性?而另一個重要方面在于其優異的耐腐蝕和耐應力腐蝕性?因為有時可以省去為了使傳統AA2×××及部分AA7×××合金耐腐蝕所需的低強包覆層，這樣可以大大減輕重量，包覆層還會降低機械緊固接頭（如鉚接拼接）的耐疲勞性?人們對薄板及厚板的應用尤其感興趣?

3第三代鋁鋰合金在特殊構件上的應用實例

3.1機身蒙皮

運輸機機身蒙皮由強度及斷裂韌性綜合性能優異的薄板材料制成?最新的AA2060T8態鋁鋰合金在強度和韌性方面均取得了顯著提高?

表2列出了AA2198?AA2199和2060三種鋁鋰合金薄板在機身蒙皮應用中的評估，值得注意的是：

（a）2199-T8E74的主要特性在于密度降低了5%，疲勞裂紋擴展阻力有了明顯提高?

（b）2060-T8E30的密度降低了2%，但其強度和斷裂韌性更高了?

（c）與Alclad2524-T3相比，兩種鋁鋰合金的綜合性能提高了?

3.2上機翼

3.2.1上機翼蓋

運輸飛機的上機翼蓋是典型的通過壓縮強度和剛性來抵抗彎曲變形的?所以它們必須要有足夠的斷裂韌性?此處應注意的是，當選用鋁鋰合金取代傳統合金時，必須要認真考慮高彈性模量引起的比剛性的增大?因為較高彈性模量會改變機身框架內的加載路徑和分布，所以簡單的替換不一定是好的選擇?具體而言，較高的剛性會引起更大負荷，從而帶來更高應力，這些都會在疲勞負荷承受區域引發問題?

3.2.2上機翼縱梁

2055-T8E83Al-Li擠壓合金與兩種傳統高強7×××擠壓合金進行的對比結果表明，2055-T8E83合金總體優于7075-T6511老款合金?相比7055-T7751而言，2055合金具有更高的抗壓彈性模量和斷裂韌性，密度更低，與其較低的抗拉強度和壓縮屈服強度結合良好?但是，由于上機翼縱梁最重要的性能是剛性，所以得益于其較低的密度，2055-T8E83合金是這一應用的極佳選材?2055-T8E83合金也是機身縱梁選用材料?

3.3下機翼蓋

運輸機下機翼蓋采用的是強度和損傷容限綜合性能優異的厚板材料?傳統材料為自然時效態（T3XX）AA2X24合金?與2024-T3相比，更先進合金的提升主要體現在韌性方面?從2060-T8E86數據中可看出，這種合金的強度也得到了較大提高?鋁鋰厚板合金具有不同的強度與韌性結合，這對性能均衡探討具有指導性作用?與傳統2X24-T3XX相比，2199-T86和2060-T8E86具有優異的強度?剛性?韌性和譜疲勞裂紋擴展抗力?此外，這兩種鋁鋰合金的密度分別降低了5%和2%?

4結論

（1）在鋁合金中添加鋰元素能降低合金的密度?提高彈性模量，因此具有顯著減重（與傳統不含鋰合金相比）的潛能，這已成為促進鋁鋰合金研發的主要驅動力?

（2）第二代鋁鋰合金?鋰含量過高會導致嚴重的不利后果，如力學性能各向異性?短橫向延性?斷裂韌性低?熱穩定性差等等，限制了其在飛機構件上的應用?

（3）第三代鋁鋰合金?與第二代（一般在2%以上）相比，第三代合金大幅降低了鋰的含量（0.75%～1.8%），此外還對成分進行了重要調整?為了提高強度，添加了Ag和Zn?此外，Zn還可以改善耐腐蝕性?除Zr外，還添加有Mn（第二代中也含有），以便控制再結晶和織構?這些差異以及熱機械加工和熱處理技術知識的提高，研發出性能優勢顯著的鋁鋰合金系列，覆蓋了運輸機所有重要結構部位和應用?

參考文獻：

[1]余東梅，王祝堂.世界鋁-鋰合金工業概要及中國與它們的差距[J].鋁加工，2016（4）：10-16