鋁鋰合金在機載電子設備結構中的應用試驗*

楊 龍，李文剛，王立志，齊文亮，李曉明

(西安航空計算技術研究所，陜西 西安 710068)

0 引 言

目前機載電子設備結構一般采用鋁合金材料，具體包括硬鋁、超硬鋁以及鍛鋁、防銹鋁等。這些鋁合金一般都是在鋁中增加銅和鎂等元素，密度在2.7～2.8 g/cm3之間。而鋁鋰合金是鋁-鋰-銅-鎂系可熱處理強化鋁合金，其強度水平與硬鋁相當，密度則降低了10%左右[1]。由于鋁鋰合金和常規鋁合金在加工工藝等方面基本相同，如果能將鋁鋰應用于機載電子設備結構件如機箱、安裝架、模塊結構件等產品中，在結構設計完全不變的情況下可減重10%以上，具有較為廣闊的應用前景。筆者重點對鋁鋰合金的機載環境適應性進行了驗證，并采用電子束焊接的方法解決了焊接成型問題，為鋁鋰合金在機載環境下應用奠定了基礎。

1 性能比較

機載電子設備結構件減重已經進行了大量的嘗試，如拓撲優化、強度仿真等手段已非常成熟。目前結構件的設計均以材料的加工極限為目的，壁厚最低可做到0.7～0.8 mm。因此，制約進一步減重的關鍵因素是材料的密度，對材料的強度相對要求較低。

以機載電子設備結構件中目前應用較為廣泛的鋁合金6061為例，其與鋁鋰合金5A90在物理參數方面對比如表1所列。

表1 6061與5A90性能對比

從表1可以看出，鋁鋰合金強度優于6061，密度更低，具備減重價值。

2 性能驗證

機載電子設備對材料的要求可分為三類：第一類是材料物理性能，具體包括強度、密度、導熱性能、導電性能等。鋁鋰合金作為鋁合金的一種，其性能可滿足機載電子設備的強度、導熱和導電需求。第二類是環境適應性，具體要求包括高低溫、鹽霧、霉菌、濕熱、酸性大氣等。第三類是材料工藝性，具體要求包括可加工性、焊接性能、噴漆附著力等。

2.1 物理性能分析

物理性能以相應國軍標和材料手冊為基礎，其成分及密度驗證可通過材料分析，力學性能和其它物理性能可通過制作樣件，按相應測試標準獲取[2]。經測試，鋁鋰合金5A90樣件密度約為2.48 g/cm3，T6狀態抗拉強度可達450 MPa左右，可滿足機載電子設備的基本要求。

2.2 環境適應性研究及驗證

考慮機載電子設備特點和材料基本屬性，環境適應性以GJB150A為準則[3]，高低溫可不進行驗證，重點驗證材料抗鹽霧、濕熱、霉菌及酸性大氣性能。具體驗證通過制作樣片的形式進行，具體情況見表2。

表2 5A90環境試驗驗證情況

從三防試驗結果可以看出，鋁鋰合金可滿足機載環境適應性要求。

2.3 工藝性能研究及驗證

2.3.1 可加工性能

由于機載電子設備結構一般尺寸均較小，加工難度不大。由于鋁鋰合金材料內部存在一定的各向異性和內應力，在機械加工過程中需要根據零件結構特點選用合適的裝夾方式以及通過穿插必要的熱處理消除零件內部應力，以提高產品質量及成品率。同時，在強度要求不高的情況下，也可考慮退火狀態。

2.3.2 噴漆附著力

機載電子設備外部一般采用噴漆的表面涂覆工藝，因此鋁鋰合金與漆膜的附著力也需要考慮。采用5A90鋁鋰合金材料加工樣件，在樣件進行表面化學氧化后按現行工藝噴涂聚氨酯類油漆,采用畫格法進行測試，結果評定為1級，滿足產品需求。

2.3.3 焊接工藝研究

機載計算機機箱箱體組件一般采用焊接工藝加工而成。鋁鋰合金由于熔點相對較低，其中鋰元素活潑等特點，焊接工藝方面需重點進行研究和驗證。

(1) 真空釬焊 如表1所列，5A90鋁鋰合金是一種面向航空航天領域的新研材料，質量輕，耐蝕性好，強度高等都是它的特點。但材料固相線低(僅為536 ℃)，超過500 ℃就易出現過燒的特性，造成了傳統鋁合金6061材料(固相線582 ℃)所用的真空釬焊釬料已不能滿足5A90鋁鋰合金材料的真空釬焊問題， 6061用的A1SiMg釬料4004熔化溫度為555～590 ℃，超過5A90鋁鋰合金母材固相線溫度54°、超過過燒控制溫度90°。如果采用硬釬焊，則需要釬料的固相線溫度不低于465 ℃，液相線溫度不超過490 ℃。經調研，市場暫時沒有符合要求的焊料，后續需跟蹤焊料發展情況，繼續進行相關工藝試驗。

(2) 電子束焊接 電子束焊接焊接速度快、能量密度大、工件變形小，適合于活潑金屬的焊接，因此可作為鋁鋰合金焊接的選擇之一。電子束焊接原理是利用25～300 kV的高加速電壓將電子加速到0.3～0.7倍光速，通過電子槍中的靜電透鏡和電磁透鏡將電子匯聚成能量密度高達106W/cm2以上的電子束，高速、高能電子束流轟擊結構件，使束流周邊金屬迅速融化和凝固，從而實現焊接[4]。電子束焊接強度一般可達母材80%以上，性能優異。針對機載計算機機箱產品，其結構特點適合于電子束焊接，因此，為驗證電子束焊接的強度和工藝，首先采用樣件對焊縫強度進行驗證，具體試驗標準參考GB/T228.1-2010。五組樣件中樣件1從本體斷裂，其余四件從焊縫斷裂。具體參數如表3所列。

表3 焊縫強度檢測結果

從試驗結果可以看出，電子束焊接焊縫強度高于母材80%以上。

其次，參考GJB441中3/4ATR機箱，并針對電子束焊接特點進行了適應性設計，需要焊接的箱體部分如圖1所示。

圖1 針對電子束焊接設計的標準機箱箱體

該箱體采用電子束焊接后，整機按照GJB150A進行了12.8 g振動摸底試驗，產品順利通過了考核。

(3) 攪拌摩擦焊 攪拌摩擦焊熱輸入量低，焊接溫度低，殘余應力低，強度系數可達本體70%～85%，是另一種可選的焊接工藝。攪拌摩擦焊由焊針嵌入到零件對接處，通過攪拌頭的告訴旋轉產生熱量，在機械和熱的雙重作用下，使焊接部分的材料溫度升高并發生塑性變形，從而達到焊接目的。其工藝特點適合于側壁液冷機箱、貫穿式液冷模塊結構件的焊接。表4給出了5A90采用攪拌摩擦焊的焊縫性能[5]。

表4 攪拌摩擦焊焊縫性能

3 結 語

機載電子設備材料發展較為緩慢，鋁鋰合金的出現使其在減重方面有了一定的進展。目前機載電子設備結構部分占比約為35%～68%，鋁鋰合金的應用可使整機重量降低5%～10%，具有較好的應用前景。本文對鋁鋰合金應用于機載電子設備可能面臨的環境適應性和工藝問題進行了分析和研究，并通過樣件和產品進行了驗證。驗證結果表明，鋁鋰合金在物理性能、環境適應性方面均滿足機載電子設備要求，可加工性、噴漆附著力、電子束焊接性能滿足工藝要求，鋁鋰合金可在機載電子設備結構中推廣應用。