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    铝锂合金:现代飞机新型材料的选择研究

    时间:2020-12-10 08:02:28 来源:雅意学习网 本文已影响 雅意学习网手机站


      [摘 要]新材料是航空航天技术的重要基础,航空航天技术的发展又不断对材料科学提出新的问题和要求。铝锂合金是近十几年来航空金属材料中发展最为迅速的一个领域。铝锂合金在航空航天领域显示出广阔的应用前景的同时,也暴露出一些相应的问题,从而限制了其在结构部件方面的应用。
      [关键词]新型材料;铝锂合金;航空航天
      中图分类号:T62 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2018)46-0061-01
      一、铝锂合金的整体介绍
      铝锂合金材料是近年来航空航天材料中发展最为迅速的一种先进轻量化结构材料,具有密度低、弹性模量高、比强度和比刚度高、疲劳性能好、耐腐蚀及焊接性能好等诸多优异的综合性能。用其代替常规的高强度铝合金可使结构质量减轻10%~20%,刚度提高15%~20%,因此,在航空航天领域显示出了广阔的应用前景。
      虽然铝锂合金在航空航天领域显示出了广阔的应用前景。但是由于其成本比普通铝合金高 、室温塑性差、屈强比高、各向异性明显、冷加工容易开裂等,导致其成形难度大,目前只能成形较简单的零件,难以制造复杂的零部件,从而限制了其在结构部件方面的应用 。 近年来,国外铝锂合金的研制和成形技术日渐成熟,不仅在军用飞机和航天器上大量应用 ;而且民用飞机铝锂合金的用量也呈增加态势。在我国,由于铝锂合金熔铸工艺,板料轧制挤压技术不成熟,新型铝锂合金的开发研制相对落后,目前只在某些型号的航天器中有少量应用。
      二、先进铝锂合金发展现状
      近年来,航空用碳纤维复合材料的面市,对传统铝合金材料在航空工业的应用带来一定的冲击。面对航空碳纤维复合材料的崛起与竞争,以美国铝业公司为代表的铝企针对碳纤维复合材料的弱项,成功开发出了第一代2099铝锂合金。它与碳纤维复合材料相比,其气动性更好、防腐能力更强、质量更轻,在制造、运行、维修成本上更低。据了解,铝锂合金的生产成本仅为碳纤维复合材料的10%。在新型飞机设计制造中,采用铝锂合金可使飞机铝合金零部件的质量减轻14%-30%,铝锂合金已成为新一代航空飞机的关键性结构材料。
      目前,新型第三代铝锂合金向着超强、超韧、超低密度等方向发展,其中高强可焊合金和低各向异性合金的研究最多。此外,还研制出了具有各向同性、以颗粒或晶须SiC陶瓷为增强体的铝锂金属基复合材料,其弹性模量达130GPa,成为在航空航天领域中其他复合材料强有力的竞争者。
      可以预料,随着材料科学的发展,将有越来越多的新型合金进入航空航天业、各个工业部门及千家万户。
      三、铝锂合金的先进制造技术及其发展趋势
      1. 超塑成形及扩散连接技术
      超塑成形指利用某些金属在特定条件下所呈现的超塑性进行锻压成形的方法,利用材料的超塑性,对形状复杂 、难以加工的薄壁零件,采用吹塑、胀形等方法进行成形的过程,是一种几乎无余量 、低成本、高效的特种成形方法。铝锂合金与其他超塑材料一样可以通过合金化或者机械热处理获得均匀、细小、等轴晶而产生超塑性能。
      目前,铝锂合金的超塑成形正由次承力构件向主承力构件发展,并且由单一的超塑成形向超塑成形/扩散连接的组合工艺发展,使铝锂合金加工成本更低,结构更具整体性、轻质量。
      2.旋压技术
      旋压技术,也叫金属旋压成形技术,通过旋转使之受力点由点到线由线到面,同时在某个方向给予一定的压力使金属材料沿着这一方向变形和流动而成型某一形状的技术。这里,金属材料必须具有塑性变形或流动性能,旋压成形不等同塑性变形,它是集塑性变形和流动变形的复杂过程,是综合了锻造、挤压、拉伸、弯曲等工艺特点的少无切削加工的先进工艺 。航天器上许多Al-Li合金构件都是空心回转体薄壳结构,特别适合用旋压法加工,其中最典型的零件是运载火箭低温贮箱的圆顶盖。
      四、铝锂合金的军事应用
      1.航空应用
      在航空领域,许多先进的战斗机和民用飞机都选用了铝锂合金。
      早在20世纪70年代,前苏联就将铝锂合金用于制造雅克-36飞机的主要构件,包括机身蒙皮、尾翼、翼肋等,该飞机在恶劣的海洋气候条件下使用,性能良好。20世纪90年代初又在米格-29和米格-31飞机上采用1420合金焊接结构,使减重效果进一步提高。米格-29使用了1420合金薄板、模锻件、挤压壁板等制造机身、驾驶员座舱、油箱等,每架飞机铝锂合金用量达3.8t。采用焊接油箱后减重达24%,其中12%是由于材料比重的降低,12%是由于焊接结构减少了铆钉、螺钉、密封剂和搭接部分而达到的。除美国外,其他国家,如俄国、英国、法国等都在积极推进铝锂合金在航空航天器上的应用:威斯特兰(Westland)EH101型直升机25%的结构件是用8090合金制造的,其总质量下降约15%;法国的第三代拉费尔(Rafele)战斗机计划用铝锂合金制造其结构框架;俄罗斯在雅克-36、苏-27、苏-36、米格-29、米格-33等战斗机都有大量零部件是用铝锂合金制造的。
      2.航天应用
      对于航天飞行器结构,质量的减轻可增加有效载荷,而有效载荷每增加1kg可带来4,400~110,000美元的效益。因此,由于Al-Li合金密度低、性能好的特点,在很多航天飞行器中都采用Al-Li合金结构。
      美国洛克希德导弹和空间公司(LMSC)制造的飞行器使用低密度、中等强度和高刚度的材料,因此大量采用Al-Li合金产品。俄罗斯在铝锂合金的研究、生产和应用方面也一直处于领先地位,为提高载荷能力,航天飞机的外燃料贮箱便采用铝锂合金制成,“能源号”运载火箭的低温贮箱是采用1460铝锂合金制成。
      五、结语
      我国航空民机尤其是国产C919、ARJ21大飞机的快速发展已是不争的事实,截至目前,C919和ARJ21-700大飞机订单已分别达到517架、278架。面对航空工业需求旺盛的铝锂合金,我国要实现规模化生产锂合金还有很多难题去攻克,还有很长的路径去实践。但是在困难面前,也要看到我们的长处,利用好现代化铝熔炼与铝加工装备优势,与美、俄等先进国家的同行开展技术合作,吸收他们的工作经验和研发成果,实现“弯道超车”,尽快实现国产大飞机所用铝锂合金材料的国产化。
      参考文献:
      [1]大飞机用铝合金的研究现状及展望 - 刘兵 彭超群 王日初 王小锋 李婷婷 - 《 中国有色金属学报 》 - 2010, 20(9)
      [2]铝锂合金研究进展 - 杨守杰 陆政 苏彬 戴圣龙 刘伯操 颜鸣皋 - 《 材料工程 》 - 2001, (5)
      [3]铝锂合金研究开发的历史与现状 - 尹登峰 郑子樵 - 《 材料导报 》 - 2003, 17(2)
      [4]铝锂合金的合金化与微观组织演化 - 郑子樵 李劲风 陈志国 李红英 李世晨 谭澄宇 - 《 中國有色金属学报 》 - 2011, 21(10)
      [5]铝锂合金热机械处理研究进展 - 吴秀亮 刘铭 李国爱 汝继刚 陈军洲 陆政 - 《 航空材料学报 》 - 2016, 36(5)
      [6]1460铝锂合金的力学性能与微观组织 - 李劲风 陈永来 张绪虎 许秀芝 郑子樵 - 《 中南大学学报(自然科学版) 》 - 2017, 48(11).
      作者简介:陈天铖(1998—)男;浙江绍兴人;学生;专业:材料成型及控制工程.
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