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鋁鋰合金:現代飛機新型材料的選擇

2018-02-06 17:13:03 來源: 材料科學與工程

  鋁鋰合金材料是近年來航空航天材料中發展迅速的一種先進輕量化結構材料,具有密度低、彈性模量高、比強度和比剛度高、疲勞性能好、耐腐蝕及焊接性能好等諸多優異的綜合性能。用其代替常規的高強度鋁合金可使結構質量減輕10%——20%,剛度提高15%——20%,因此,在航空航天領域顯示出了廣闊的應用前景。

  雖然鋁鋰合金在航空航天領域顯示出了廣闊的應用前景。但是由於其成本比普通鋁合金高、室溫塑性差、屈強比高、各向異性明顯、冷加工容易開裂等,導致其成形難度大,目前只能成形較簡單的零件,難以制造復雜的零部件,從而限制了其在結構部件方面的應用。近年來,國外鋁鋰合金的研制和成形技術日漸成熟,不僅在軍用飛機和航天器上大量應用;而且民用飛機鋁鋰合金的用量也呈增加態勢,如“奮進號”航天飛機的外貯箱、空客A330/340/380等係列飛機。在我國,由於鋁鋰合金熔鑄工藝,板料軋制擠壓技術不成熟,新型鋁鋰合金的開發研制相對落後,目前只在某些型號的航天器中有少量應用。

  1、先進鋁鋰合金發展現狀

  按照鋁鋰合金研制的歷史進程和成分特點,可以將其劃分成3個階段。

  第 一階段為初步發展階段,該階段的時間跨度大約為20世紀50年代至60年代初。其主要代表為1957年美國Alcoa公司研究成功的2020合金,並將其應用於海軍RA-5C軍用預警飛機的機翼蒙皮和尾翼水平安定面上,獲得了6%的減重效果。前蘇聯在60年代成功研制了BAⅡ23合金。但這兩款合金延展性低,缺口敏感性高、加工生產困難等,無法滿足航空生產及性能要求,未取得進一步的應用。

  20世紀60年代中期,迫於能源危機的壓力,鋁鋰合金被重新重視,並進入了快速發展階段,即第二階段。在這一時期,鋁鋰合金得到了迅猛發展和全面研究,其中具有代表性的合金有:前蘇聯研制的1420合金,美國Alcoa公司的2090合金,英國Alcan公司的8090和8091合金等。這些合金具有密度低、彈性模量高等優點,可用其替代航空航天器部分2xxx和7xxx鋁合金。如前蘇聯在米格-29、蘇-35等戰鬥機及一些遠程導 彈彈頭殼體上採用了1420合金構件。第二代鋁鋰合金雖取得了令人矚目的研究和應用成果,但是由於存在嚴重的各向異性,且塑韌性低、熱暴露嚴重、韌性損失,大部分合金不可焊等,使其難以與7xxx鋁合金競爭。

  20世紀80年代末期,以美國的Weldalite049係列合金為典型代表的第三代高強可焊鋁鋰合金相繼被研發出來,並已成功應用於航空航天等領域中。目前,新型第三代鋁鋰合金向著超強、超韌、超低密度等方向發展,其中高強可焊合金和低各向異性合金的研究較多。此外,還研制出了具有各向同性、以顆粒或晶須SiC陶瓷為增強體的鋁鋰金屬基復合材料,其彈性模量達130GPa,成為在航空航天領域中其他復合材料強有力的競爭者。

  2、鋁鋰合金在航空航天中的應用及其發展趨勢

  據統計,每減輕1kg結構重量可以獲得10倍以上經濟效益,所以密度較低的鋁鋰合金受到航天工業的廣泛重視。鋁鋰合金已在許多航天構件上取代了常規高強鋁合金。其中,美國的應用發展非常快,在航天工業上的應用尤為突出。洛克希德·馬丁公司利用8090鋁鋰合金制造了“大力神”運載火箭的有效載荷艙,減重182kg。

  1994年,為解決“奮進號”航天飛機外貯箱的超重問題,洛克希德·馬丁公司聯合雷諾茲金屬公司研發出新型2195材料以取代之前的2219合金。該合金的密度比2219合金的輕5%,而其強度則比後者高30%。採用2195制造的整體焊接結構貯箱,減輕重量3405kg,其中液氫箱減重1907kg,液氧箱減重736kg,直接經濟效益近7500萬美元,因此被稱為超輕燃料貯箱(SuperLight Weight Tank)。俄羅斯在鋁鋰合金的研究、生產和應用方面也一直處於領先地位,為提高載荷能力,航天飛機的外燃料貯箱便採用鋁鋰合金制成,“能源號”運載火箭的低溫貯箱是採用1460鋁鋰合金制成。

  在航空領域,許多先進的戰鬥機和民用飛機都選用了鋁鋰合金。1988年,洛克希德·馬丁戰鬥飛機係統公司、航空器係統公司與雷諾茲金屬公司共同制定了開發2197合金應用的計劃——用其厚板制造戰鬥機艙壁甲板。1996年,美國空軍F-16型飛機開始用此合金厚板制造後艙甲板及其他零部件。

  除美國外,其他國家,如俄國、英國、法國等都在積極推進鋁鋰合金在航空航天器上的應用:威斯特蘭(Westland)EH101型直升機25%的結構件是用8090合金制造的,其總質量下降約15%;法國的第三代拉費爾(Rafele)戰鬥機計劃用鋁鋰合金制造其結構框架;俄羅斯在雅克-36、蘇-27、蘇-36、米格-29、米格-33等戰鬥機都有大量零部件是用鋁鋰合金制造的。

  在民用飛機方面,空中客車工業公司的A330、A340和A380客機上都使用了鋁鋰合金,其中,A330和A340每架飛機約有3t的鋁鋰合金用於機身結構、桁條等部件,目前較新型的A350客機在原有基礎上,首次在機身蒙皮上使用全新的2198鋁鋰合金。美國的波音747、777客機、麥道係列飛機等均使用了鋁鋰合金,其使用部位包括燃料箱、隔框、機翼蒙皮、前緣、後緣等。龐巴迪C係列飛機機身也將全部採用全新的鋁鋰合金。

  3、鋁鋰合金的先進制造技術及其發展趨勢

  超塑成形及擴散連接技術

  超塑成形及超塑成形/擴散連接技術(SPF及SPF/DB)是利用材料的超塑性,對形狀復雜、難以加工的薄壁零件,採用吹塑、脹形等方法進行成形的過程,是一種幾乎無餘量、低成本、高效的特種成形方法。鋁鋰合金與其他超塑材料一樣可以通過合金化或者機械熱處理獲得均勻、細小、等軸晶而產生超塑性能。鋁鋰合金的SPF研究始於1980年,在1982年的範堡羅國際航空展覽會上英國超塑性成形金屬公司首次演示了鋁鋰合金的超塑性現象及其超塑F零件。

  美國Weldalite049合金具有異的超塑性,在507℃固溶處理,不加反壓,4×10-3應變速率下,延伸率可達829%。這一應變速率明顯高於其他鋁合金的應變速率,這對解決超塑工藝速度低的問題有重要意義。俄羅斯已經對1420採用SPF工藝加工了許多飛機的零部件,有的尺寸達1200mm×600mm。

  國內航天材料及工藝研究所、北京航空制造工程研究所等科研單位針對鋁鋰合金的SPF及SPF/DB組合工藝進行了大量的開拓性工作,取得了很多成果。目前,鋁鋰合金的超塑成形正由次承力構件向主承力構件發展,並且由單一的超塑成形向超塑成形/擴散連接的組合工藝發展,使鋁鋰合金加工成本更低,結構更具整體性、輕質量。

  旋壓技術(Spin Forming)

  旋壓技術是一項綜合了鍛造、擠壓、拉伸、彎曲等工藝特點的少無切削加工的先進工藝。剪切旋壓是近年來在傳統旋壓技術基礎上發展起來的新型旋壓技術,它不改變毛坯的外徑而改變其厚度來實現制造圓錐等各種軸對稱薄壁件的旋壓方式(錐形變薄旋壓)。這種成形方法的特點是旋輪受力較小,半錐角和壁厚互相影響,材料流動流暢,表面粗糙度好和成形精度高,並且能較容易地成形、拉伸、旋壓難於成形的材料。航天器上許多Al-Li合金構件都是空心回轉體薄殼結構,特別適合用旋壓法加工,其中較典型的零件是運載火箭低溫貯箱的圓頂蓋。

  美國“大力神”運載火箭圓頂蓋採用3塊直徑為0.65m,厚為10.7mm的Weldalite049板材旋壓制造。其中1塊中部是使用變極性等離子弧焊(VPPA)焊接,經過343℃/4h去除應力,旋壓時,所有毛坯用火焰加熱保持317℃;成形後進行505℃/0.5h固溶處理,水淬;再經177℃/18h人工時效,測得其室溫拉伸強度達600MPa左右,-196℃時增加到700MPa,且有很好的斷裂韌性。“奮進號”航天飛機的外貯箱圓頂蓋也採用了相同的旋壓技術,並在外貯箱的筒段採用了先進的剪切旋壓技術。

  輥鍛成形技術(Roll Forging)

  Al-Li合金特別是Weldalite係列合金和1420合金具有良好的鍛造性能,用它們制造的模鍛件不會出現開裂,這已被150多種鍛件所證實。因而將其應用於航空航天工業具有廣闊的前景。輥鍛是近年來發展起來的新型近凈成形技術,將材料在一對反向旋轉模具的作用下產生塑性變形得到所需鍛件或鍛坯的塑性成形工藝。輥鍛成形的發展有兩個重要領域。

  其一,是在長軸類鍛件生產上實現體積分配與預成形,減少成形負荷,組成精輥精鍛復合生產線,用較少投資大批量生產復雜鍛件。其二,是精密輥鍛技術,包括冷精輥技術。在板片類零件的精密成形上有良好的發展前景,如在葉片成形與變截面鋼板彈簧上均有優勢。近年來輥鍛成形的兩個方向被成功應用於鋁鋰合金的環形鍛件和帶筋條的鈑金件。如“奮進號”航天飛船外貯箱的“Y”形框和對接環。

  焊接技術(Welding)

  焊接是制造鋁鋰合金航空航天產品如貯箱、彈頭外殼等的主要工藝之一。前蘇聯研究1420合金的焊接時間長達10多年,從焊接工藝方法、焊接組 織、焊接性能及焊後熱處理都進行了深入的理論研究和探討。20世紀80年代還開展了1460高強合金可焊性的研究。採用鎢極氫弧焊(GTAW)和真空電子束焊(EB)工藝的1460合金,已成功用於制造“能源號”運載火箭貯箱。

  美、歐等國的鋁鋰合金焊接始於20世紀80年代初,與俄國不同的是,美國特別注重焊接裂紋的研究。美國採用的焊接方法主要有GTAW、EB、VPPA(變極性等離子弧焊)等,並用VPPA法焊接了Weldalite049合金制造的航天飛機外貯箱,Alcoa公司採用EB焊對12.7mm厚的2090合金板材施焊,焊透率達100%。

  近幾年2種新型焊接技術:攪拌摩擦焊和激光焊接技術也開始應用於鋁鋰合金制造研究。美國洛克希德·馬丁公司用攪拌摩擦焊對2.3——8.5m厚的2195AI-Li合金及2219合金板材進行焊接,發現接頭強度可提高15%——26%,焊縫斷裂韌性增高30%,塑性提高1倍,焊縫組 織極細小。空客公司經過20多年的努力利用激光焊接技術制造了大型客機用雙光束“T”結構件,並成功應用於A330、A340、A380等客機機身壁板上。

  新型熱處理工藝技術

  鋁鋰合金的主要優點是密度低、比模量高、耐腐蝕強等,綜合性能較常規高強度鋁合金優異。但在以壓應力為主的變振幅疲勞試驗中,鋁鋰合金的這一優點不復存在,主要原因在於,其峰值強度材料短-橫向的塑性與斷裂韌性低,各向異性嚴重,人工時效前需施加一定的冷加工量才能達到峰值性能,疲勞裂紋呈精細的顯微水平時,擴展速度顯著加快。為改善鋁鋰合金的疲勞、斷裂韌性等性能,美國航天宇航局就新型的2195鋁鋰合金作了大量的研究工作,開發了雙級、三級、五級熱處理工藝,使得2195合金的室溫斷裂韌性和疲勞性能提高了近30%,而強度與傳統時效相當。

  目前我國研發新型鋁合金的同時,在生產工藝上也做了大量研究。通過新的熱處理工藝(T74、T73)大幅度提高了7xxx合金斷裂韌性和抗應力腐蝕開裂性能,並進一步研究開發7xxx合金的熱處理工藝,如7075-T76用於L-1011機翼擠壓壁板,7075-T736用於起落架構件、窗框和液壓係統部件。但是目前針對鋁鋰合金的研究工作,尚在起步階段,基礎研究相對較弱,離應用還有距離。鋁鋰合金的熱處理應該在鋁合金熱處理的基礎上,結合國外的新工藝新方法,開展係統的基礎研究,以求早日實現鋁鋰合金熱處理工藝的工業化應用。

  (1)作為航空航天重要的結構材料,鋁鋰合金受到西方國家的廣泛重視,如今第三代鋁鋰合金已在大型商用客機制造中獲得應用並成為未來機型發展的重要趨勢。但目前,新型鋁鋰合金主要依靠國外供應商,不僅成本高,而且得不到鈑金、熱處理等相關關鍵技術的支持,因此獨立開發和研制新型高強、高損傷容限鋁鋰合金是我國鋁鋰合金未來發展的重要方向。此外,鋁鋰合金和復合材料是未來民用飛機的重要選擇,如何提高其減重效益、強度和損傷容限是開發新型合金面臨的重大挑戰。

  (2)鋁鋰合金在鑄造、軋制等技術逐漸成熟的基礎上,先進加工制造技術不斷拓寬,超塑成形、旋壓、輥鍛焊接等新工藝不斷創新,並已取得重大的應用成果,然而,由於其自身性能限制,室溫成形能力仍較困難。鋁鋰合金在大型客機中的應用主要以冷成形為主,因此,解決和實現復雜結構件的室溫鈑金成形和熱處理工藝是未來我國大型客機用鋁鋰合金使用的關鍵技術和發展方向,同時在傳統工藝基礎上不斷開發新型技術,提高成形精度、效率和質量。

(責任編輯:靜靜)
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