浅议世界铝-锂合金产业(上)

2020年10月28日 15:28 13557次浏览 来源:   分类: 新材料前沿   作者:

导读: 铝-锂合金是近40多年来发展最快的一种轻量化结构材料,具有低密度、高的弹性模量、比强度、比刚度、疲劳强度、可焊性等,用其取代传统高强度铝合金可使结构质量减轻10%~20%,刚度提高15%~20%。

    铝-锂合金除含Li外,还含Cu、Mg、Mn、Si、Zn等主要合金元素,以及Zr、Sc、Ce、Ag等微合金化元素。锂是地球上最轻的金属元素,向铝中每添加质量分数为1%Li,可降低该合金密度3%、弹性模量上升5%~6%。铝-锂合金是近40多年来发展最快的一种轻量化结构材料,具有低密度、高的弹性模量、比强度、比刚度、疲劳强度、可焊性等,用其取代传统高强度铝合金可使结构质量减轻10%~20%,刚度提高15%~20%。

凡是含有合金化元素锂的铝合金都称铝-锂(Al-Li)合金,不管其含量多少,截至2019年年底,全世界注册的Al-Li合金约60个,其中:在美国铝业协会公司(AA)注册的38个(2×××系的33个、8×××系的5个,常用的34个,非常用的4个);在俄罗斯ГOST注册的约15个(AI-Mg合金基的10个,Al-Cu合金基的5个);其他国家的约10个。在这60多个合金中,含Li量最低的是2018合金,只有0.50%~1.00%,而含Li量最高的是1999年注册的英国合金8024,为3.4%~4.2%,俄罗斯的1420合金,为4.5%~6.0%。看来,在铝-锂合金中,锂含量宜≥0.50%与≤6.5%。最后,顺便说一句,Al-Li合金最好写为铝-锂合金,不要写成“铝锂合金”。

国外铝-锂合金发展概要

按照Al-Li合金的发展可分为4个阶段,上世纪20年代中期至50年代末为第一阶段,研发的合金可认为是第一代。德国是铝-锂合金的诞生地,1924年在德国出现了世上首个名为“斯克莱龙(Scleron)”的合金,由于性能没有得到全面的改善,仅其硬度比2024合金的略高些,同时,由于熔炼技术的制约,没有形成生产能力和应用,几年后销声匿迹,它的质量分数为Al-12%Zn-3%Cu-0.6%Mn-0.1%Li。1957年,美国铝业公司推出2020合金(1.1%Li-4.5%Cu-0.5%Mn-0.2%Cd,其余为Al及不可避免的杂质),此合金于1974年11月列入非常用合金(inactive alloy),1961年,苏联研发出BAD23合金(0.9%~1.4%Li、4.8%~5.8%Cu、0.4%~0.8%Mn、0.1%~0.25%Cd、0.15%Fe、0.1%Si,其余为Al)。

2020合金在美国海军RA-5C预警机上获得应用,用于制造机翼蒙皮和尾翼水平稳定面,减重6%。不过2020合金和BAD23合金的塑性低、缺口敏感性高,加工困难,成品率低,无法满足航空工业的需求,应用受到限制,2020合金于1974年11月7日被列为非常用合金,BAD23合金的命运也如此。

20世纪70年代中期(1973年开始)世界石油危机以来,装备轻量化要求提上日程,Al-Li合金被重新重视,获得了迅猛发展,各大铝业公司纷纷加大投入,硕果累累。美国铝业公司于1984年注册了2090合金;英国的加拿大铝业公司(Alcan)于1985年注册了8091合金,欧洲铝业协会(EAA)1984年注册了8090合金,前者含2.4%~2.8%Li,后者含2.3%~2.7%Li;苏联也研制成功了1420合金,其成分为(质量%):1.9~2.9Li,4.5~6.0Cu,0.08~0.15Zr,0.2Fe,0.15Si,0.005Na,其余为AI,在苏联的米格-29、苏-35等战斗机上和一些远程导弹弹头壳体上获得应用。

这些第二代Al-Li合金的不足之处是:抗拉强度普遍不高,一般都<500MPa;各向异向较为突出,短横向强度更低,裂纹敏感性大;热稳定性差,不能在80℃~100℃长期工作,否则脆性增加;可焊性差;加工成形性低。因此,第二代Al-Li合金在与7×××系合金的较量中,败下阵来。除苏联的1420合金外,其它的都很少获得实际应用。

加拿大铝业公司已于2007年被力拓(Rio Tio)公司收购,从此不再以加铝的名义进行商业活动,但有时有称力拓-加铝(Rio Tio-Alcan)的。在此期间,美国的雷诺兹金属公司(Reynolds Metals)、凯撒铝业公司,法国的普基铝业公司(Pechnery Aluminium)、苏联都对Al-Li合金进行了较大规模的研发,涌现出一批新型的Al-Li合金,如2050、2195、2196、2297、2397、2098、2198、2099、2199、Weldalite 049、1460合金,它们都是美国研发的,法国研发并注册的有2065、2076、2091与2298合金,这些第三代合金在航空航天器上都获得了不同程度的应用。雷诺兹金属公司2008年被美国铝业公司兼并,早在12年前法国普基铝业公司被加拿大铝业公司收购,所以这家被称为“法铝”的公司早已烟消云散,不存在于世了。

这些第三代铝-锂合金曾一度获得较为广泛的应用:2195合金是最先得到商业应用的,用于制造发射航天器的火箭低温燃料箱;2196合金不但具有低的密度、还有高的强度与断裂韧性,原为哈勃望远镜太阳能板边框研发,之后其挤压材用于制造商用飞机结构件;2098合金是为休斯通讯卫星终端(HSCT)研发的,因其具有的疲劳性能高,后用于制造F-16型机的机身和空间(Space)X公司猎鹰火箭燃料箱;2198合金薄板在商用飞机结构制造中获得较多应用;2050合金厚板用于取代7050-T7451合金制造商用飞机结构和发射车,2050合金的Cu+Mn含量比2195合金的低,因而淬火敏感性下降,有利于厚板生产。

第三代AI-Li合金是一代性能优秀的航空航天材料,使科学家认识到,只要成分设计合理,工艺路线和参数制订正确,就可以制备性能更好的合金。第三代AI-Li合金的特点:适当的密度降低,比常规铝合金的低5%~8%;强度-韧性平衡更佳;优良的耐磨性、抗疲劳性能;各向异性小;抗腐蚀;热稳定性好,有高的抗热性;加工成形性好,适于激光焊、摩擦搅拌焊;以及更高的性价比。

第三代铝-锂合金中最亮的那颗“星”是美国肯联铝业公司(Constellium)设在法国的伊苏瓦尔铝业公司与设在加拿大蒙特利尔的研发中心研发的AirwareTM铝-锂合金最具代表性。AirwareTM包含3个2×××系铝-锂合金及其材料的加工工艺,是专为A380飞机的制造研发的(主要是2195和2050合金)。第三代铝-锂合金的综合性能与传统的铝合金、碳纤维增强塑料、格拉尔(GLARE)层压板相比具有明显的优势,因而在航空航天器零部件制造中获得了相当广泛的应用。2099合金结构件在空客公司A380大飞机制造中大量使用:机身、地板横梁、座位滑轨用的是2099-T83挤压材;机翼纵梁用的是2099-T8E67挤压材,地板梁为2099-T8511挤压型材,座椅导轨、辅助导轨、紧急舱地板等也都是用此合金制造的,2099-TBE77板材用于制造其它零部件。2199合金薄板用以制造A380-F头部和中部机身蒙皮,取代部分2524合金,减重350kg,并用于制备A350机身蒙皮。

美国航空航天局(NASA)制造的奥利安(Orion,希腊神话中的罗马猎神)载人飞船载人舱,是用肯联铝业公司的第三代Al-Li合金厚板制造的,2014年12月发射。中国C919大飞机中段的等直段(7.45m长、4.2m宽)是用从美国铝业公司进口的Al-Li合金制造的,板材来自美国达文波特轧制厂,挤压材来自该公司设在韩国的一个工厂,等直段是中国航空工业集团南昌洪都飞机制造厂生产的,2010年12月7日下线,是C919客机七大部段之一。

除美国几乎垄断了工业发达国家Al-Li合金的研发与生产外,日本也在加紧研发、生产与推广应用方面的工作,建成了4t级的铝-锂合金真空熔炼-铸造生产线。2000年用H-ⅡA火箭发射的往返航天器Hope-X的主体是采用铝-锂合金制造的,1998年~2002年建设的国际空间站日本舱内的一些零部件也用Al-Li合金打造。

苏联/俄罗斯在Al-Li合金研究、生产和应用方面一直居世界先进水平,其规模仅次于美国。发射航天器的火箭低温燃料贮箱采用Al-Li合金制造,例如“能源号”运载火箭的液氢、液氧贮箱用1460合金制造,箱体直径8m,分箱体长度分别为40m和20m,真够壮观。

美国和俄罗斯

分道扬镳发展铝-锂合金

由以上的介绍可看出,在发展铝-锂合金方面世界可以分成两大阵营,美国、日本和加拿大发展的是含锂的2×××系合金,不沾边含锂的5×××系合金,而俄罗斯则一心发展含锂的5×××系合金,也间或涉及一下含锂的2×××系。英国、意大利、韩国虽有生产铝-锂合金的工厂,但是这些工厂都不是所在国的,例如英国基茨格林轧制厂(Kitts Green Works)、意大利富西拉轧制厂(Fusina Works),他们都生产板材,韩国的一个厂生产挤压材,此三厂都是美国豪梅特航空航天公司(Howmet Aerospace Inc.)的独资子公司,该公司是2020年4月1日从奥科宁克铝业公司(Arconic Corporation)分离出来的,分管工程产品与锻件,而奥科宁克铝业公司则负责通用铝材加工与销售。

法国的伊苏瓦尔铝业公司是美国肯联铝业公司的独资子公司,负责生产铝-锂合金与工艺制订,AirwareTM铝-锂合金就是该厂的产品,但研究工作由在法国的沃雷普(Verop)研究所与在加拿大蒙特利尔(Montreal)技术中心进行,这3个单位历时6年半研发与生产了A380飞机所需的全部AI-Li合金材料。伊苏瓦尔铝业公司是欧洲最大的Al-Li合金板材生产厂,欧洲航空航天工业用的铝-锂合金板带材的40%左右是该厂生产的,而Al-Li合金板材的70 %以上由该厂提供。

为了满足未来航空航天工业对Al-Li合金的需求,美国铝业公司/奥科宁克公司除了加强研发工作外,二三年前对在全世界的Al-Li合金生产线进行了大规模的改扩建,使2018年的生产能力比2016年的翻了一番:它们是达文波特(Davenport)轧制厂、拉斐特(Lafayette)锻造挤压厂、朗维(Longview)铝业公司(原属雷诺兹金属公司,2003年被美国铝业公司兼并);英国基茨格林公司,意大利富西纳铝业公司,基茨格林轧制公司成为一个专业Al-Li合金厚板轧制厂。Al-Li合金铸锭生产都集中到拉斐特锻造挤压厂,铸锭生产能力>20kt/a,是世界最大者,可铸造世界最大直径的锭。

另外,凯撒铝业公司对特伦特伍德(Trent wood)轧制厂、肯联铝业公司对西弗吉尼亚州的雷文斯伍德(Reves Wood)轧制厂和在法国的伊苏瓦尔轧制厂的铝-锂合金生产线都作了现代化的技术改扩建,特别对伊苏瓦尔厂的改造更为彻底,生产能力扩大了三倍,成为工业发达国家第二大AI-Li合金板带轧制厂。

爱励铝业公司在德国的科布伦茨(Koblenz)轧制厂也生产Al-Li合金材料,但不成规模。

苏联及俄罗斯在Al-Li合金研发与生产方面并不比美国逊色,是全球第二大生产与应用大国,而且自成体系,特别是在Al-Mg-Li合金生产研发应用领域独树一帜,其中,最典型的是1420合金(1.9%~2.3%Li,4.5%~6.0%Mg,0.08%~0.15%Zr,其余为Al),1965年定型,可以生产板带材、挤压材与锻件等,1971年成为轻型直升机的主要结构材料,1980年以后在MIG-29、SU-27、SU35等超声速歼击机上得到应用,至今仍是俄罗斯航空航天器的主要Al-Li合金材料。

苏联/俄罗斯在大力发展Al-Mg-Li合金的同时,也未放松对Al-Cu-Li系合金的研发,所开发的1450铝-锂合金成分与美国的2090铝-锂合金相似,但材料的热处理工艺更加着重其综合性能的发挥。20世纪80年代,苏联又推出性能更加优秀的Al-Cu-Li系合金1460,它的强度更高一些,同时,还有优越的低温性能与可焊性,韧性也更好一些,是焊接火箭燃料液氢、液氧贮箱的良好材料,它的其它性能与美国的2095、2195等Al-Li合金的相当。1996年以后,俄罗斯开始实施更为全面与系统发展Al-Li合金的规划。苏联/俄罗斯研发Al-Li合金的工作主要集中在轻金属研究院,主要领导人为弗里德良捷尔院士,而材料生产则主要在乌拉尔地区的卡缅斯克(kamensk)铝加工公司。苏联的1421、1423、1460铝-锂合金还含有0.05%~0.21%Sc,也是他们的Al-Li合金的一个特点,美国的Al-Li合金不含这个稀土元素。俄罗斯在10t感应炉内氩保护下熔炼,在氩保护下注入真空搅拌炉内除氢,氩保护铸造,扁锭尺寸:(225~400)mm×(950~1160)mm×(2500~4500)mm。

责任编辑:陈岩

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