新材料:三代铝锂合金的认识

  • 发布时间:2023-05-19

一、铝锂合金的应用

   

新材料的应用是C919的一大技术亮点。C919飞机使用了多种新材料,包括碳纤维复合材料、第三代铝锂合金以及钛合金等。这些新材料的使用可以使飞机更加轻便,同时也能够提高飞机的强度和耐久性。

  

其中第三代铝锂合金材料由于重量轻、比刚度比强度高,被认为是新一代飞机研制较为理想的结构材料。

 

美国、俄罗斯、欧洲和日本在航空航天领域均有使用铝锂合金的应用实例。比如空客公司的A330、A340和A380等机型的座椅滑轨、地板梁等部件均使用了铝锂合金。

 

在我国的大型客机C919上,大规模地使用了第三代铝锂合金,机身蒙皮、长桁、地板梁、座椅滑轨、客舱地板支撑立柱等部件均使用了该类合金,其机体结构重量占比达7.4%,综合减重7%,屈服强度相对二代铝锂合金提高了40%。

    

    

二、铝锂合金的迭代

 

1. 二代铝锂合金

优点:增加了锂含量,故密度低、弹性模量高。

缺点:抗拉强普遍不高,热稳定性差,在80°C~100°C长期工作导致脆性增加,焊接性能较差,加工成形性低。

由于锂的增多同时造成了材料各向异性加重,虽然通过调整热处理工艺等手段可降低铝锂合金各向异性,但同时也增加了生产、成型工艺的复杂程度,提高了制造成本,其制造成本是传统铝合金的4~8倍。

   

2. 三代铝锂合金

优点:密度比常规铝合金低5%~8%,强度-韧性平衡更佳,具有良好的耐磨性、抗疲劳性能,各向异性小,抗腐蚀性好,热稳定性好,加工成型性好,适于激光焊、摩擦搅拌焊接,及更高的性价比。

  

同时降低了合金中的Li含量,提高了Cu含量,并通过微合金化元素增加了有效弥散相粒子进而改善弥散强化的效果,使合金各向异性大大降低,强韧性有显著提高。

 

三、三代铝锂合金常用牌号

   

第三代铝锂合金牌号:1441; 1450; 1460; 2050; 2055; 2060; 2094; 2095; 2096; 2097; 2099; 2195; 2196; 2197; 2198; 2199; 2297; 2397; AF/C489; AF/C458; Weldalite049; Weldalite210等

 

以下是美国肯联Airware第三代铝锂合金系列产品:

产品成分表

牌号

Si

Fe

Cu

Mn

Mg

Zn

Ti

Ag

Li

Zr

2050

0.08

0.1

3.2-3.9

0.20-0.50

0.20-0.60

0.25

0.1

0.20-0.7

0.7-1.3

0.06-0.14

2065

0.1

0.1

3.8-4.7

0.15-0.50

0.25-0.8

0.30

0.1

0.15-0.5

0.8-1.5

0.05-0.15

2098

0.12

0.15

3.2-3.8

0.35

0.25-0.80

1

0.1

0.25-0.6

0.8-1.3

0.04-0.18

2195

0.12

0.15

3.70-4.30

0.25

0.25-0.80

1

/

0.25-0.6

0.80-1.2

0.08-0.16

2196

0.12

0.15

2.5-3.3

0.35

0.25-0.8

0.35

0.1

0.25-0.6

1.4-2.1

0.04-1.18

2198

0.08

0.1

2.9-3.5

0.5

0.25-0.8

0.35

0.1

0.10-0.5

0.8-1.1

0.04-0.18

2297

0.10

0.1

2.5-3.1

0.10-0.5

0.25

1

1

1

1.1-1.7

0.08-0.15



产品特性和主要用途

牌号

状态

产品形式

产品标准

特性

典型应用

2050

T84

厚板

12.7~175 

mm

AMS4413

高强高韧高损伤容限,性能 均衡

下翼结构部件,大尺寸零部件,如机身框 架、横梁、翼梁

2297

T87

厚板

38~150

mm

AMS4330B

高疲劳寿命

机身框架、翼梁、隔框

2195

T84

/T82

/ T8

板材

3.18~50.88 

mm

AMS4472

AMS4474

超高强度(700MPa级别)以及抗拉抗压强度组合,断裂韧性和耐应力腐蚀的平衡

直接替代重量敏感的部件;低温和非低温场合皆可

2198

T8

板材

1.6~6.3

mm

AMS4412A

高损伤容限和静态力学性能组合

机身板材或其他内部结构

2098

T8

薄板

3.2~6.3

mm

AMS4457

高韧性和耐蚀性

机身辐壁、腹板,纵梁,或替代钛合金结 

2065

T84

型材

壁厚1~12.5

mm

AMS4366

低密度,高强高韧,高耐蚀 

货物梁,上翼纵梁

2196

T8511

型材

壁厚1~32

mm

AMS4416

低密度,高模量;易于加工 成形

机身结构、下翼蒙反,地族梁,生阁导轨



四、铝锂合金供应现状

   

1.国外现状

新型铝锂合金作为航空航天重要的结构材料,在欧美各国得到广泛重视。美国几乎垄断了工业发达国家Al-Li合金的研发与生产,日本也在加紧Al-Li合金研发、生产和应用。

   

欧美主要的铝锂合金生产商:

  • 美国铝业公司/奥科宁克公司
  • 英国基茨格林公司
  • 意大利富西纳铝业公司
  • 肯联铝业公司
  • 法国伊苏瓦尔铝业公司(美国肯联铝业公司的独资子公司,欧洲航空航天工业用铝-锂合金板带材的40%左右是该公司生产的,而Al-Li合金板材的70 %以上由该公司提供)。
  • 美国豪梅特航空航天公司(Howmet Aerospace Inc.)

 

2.国内现状

目前我国主要依靠进口该类材料,成本、售后和相关关键技术支持受限于进口国,而我国作为用材大国,自主开发该类材料势在必行。

未来独立开发和研制新型高强、高损伤容限铝锂合金是我国该类材料发展的重要方向。


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