导 读

介绍了第一代Al-Li合金的开发与应用以及第二代Al-Li合金的研发情况，并详细地论述了第三代Al-Li合金的化学成分、工程性能及开发与应用。讨论了航空用第三代Al-Li合金的改进方向和发展趋势。

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一、第一代 Al-Li的早期发展历史

锂是最轻的金属元素，因此作为铝中的合金化元素是最有优势的，用于轻量合金基的航空航天材料的主要结构材料。每增加一个单位锂，铝的密度降低约3%，而弹性模量提高了约6%。除此之外，在提高高周疲劳和抗疲劳裂纹扩展的同时，还能增强抗拉强度。铝锂合金在低温温度下的强度-断裂韧性的综合性能也比较有优势。在铝基体中加入锂及其它合金化元素，可制备不同系列不同性能和用途的铝锂合金。

铝锂合金的开发可追溯到1942 年，由 I.M.LeBaron首次开发了Al-Cu-Li合金并于1945年获得一项Al-Li 合金专利。此后，在英国 Hardy 和Silcock 的后续工作确认了在 Al-Cu-Li 合金中的强化相。表1为铝锂合金早期开发与使用情况。

表1 Al-Li合金早期研究

在20世纪50年代，美国铝业公司的冶金学家认为，锂的添加提高了铝合金的弹性模量，并在1957年开发了高强度的 Al-Cu-Li 合金2020。2020合金的标称化学成分为Al-4.5Cu-1.1Li-0.5Mn-0.2Cd，除了在150～200℃下具有高强度外，该合金在这些温度下还具有高抗蠕变性。

随后，2020合金被商业化生产，并用于美国海军RA5C义务警员飞机上。它一直表现良好，在二十多年里没有任何失效记录。铝锂合金在航空应用上引人注目，因为与传统航空用铝合金相比它们具有低密度和高模量。在铝中每添加一个重量百分比的锂会使铝密度降低3%，模量提高约6%。

但是，2020 合金的脆性和生产问题阻碍了其进一步应用，于20 世纪 60 年代从商业生产中撤出。一份当代数据图表显示，尽管2020-T6可能表现出较低的韧性，但即使它在一种非常严苛的条件下被使用，其相对性能与同期的其他高强度的航天合金相比没有差异。

在20 世纪 60 年代初，跟随美国Al-Cu-Li-Cd合金的研究工作，前苏联对Al-Li合金也有一些重要的研究和开发，尤其是I.N.Fridlyander院士和他的同事们。当时被广泛研究的俄罗斯合金 VAD23有着与2020 合金非常相似的成分，即，Al-4.8%~5.8%Cu，0.9%~1.4%Li，0.4%~0.8%Mn，0.1%~0.25%Cd，Ti≤0.15%，0.3%Fe，0.3%Si，0.1%Zn，以及0.05%Mg。该合金在前苏联的使用有限，但在反坦克导弹的翼稳定器的制造中得以使用。

在1952 年，F.I. Samray 研究了许多Al-Mg-Li系合金并证实了含Li的合金化Al-Mg合金对其力学性能几乎没有影响，并在热处理过程中也不会导致力学性能的改善。他断定开发该系列的新的工业成分并没有前途。但是，在1965年，I.N.Fridlyander、M.V. Shiryaeva、B.V. Tyurin 和V.S. Sandler 发现在Al-Li-Mg 系中大量合金的硬化效果。该工作导致开发了含2% Li、5.5% Mg 和0.1% Zr 的 01420 合金，比2024 合金轻 10%～12%，在许多国家有专利。据称，该合金具有较高的抗腐蚀性、较好的焊接性、较高的弹性模量以及静态强度。Fridlyander等人也开发了含Sc 的 01420 合金的一个变型，即01421。在抑制再结晶长大方面，Sc比Zr、Cr和Mn有更强的影响力。它有助于在变形产品中形成较细的亚晶组织，并提供另外的强化作用，这归因于稳定的Al3Sc弥散颗粒的形成。其在铝中的最大原子溶解度超过Zr约1.7倍（0.5%VS对0.089%），并有大约相等的重量百分溶解度。

01420合金是商用合金中密度最低的合金之一。在 1970～1971年，该合金被用于垂直起飞和降落飞机？k36和？k38中。这是首次将焊接铝合金用于飞机上。该合金也用于直径为4.5m 的液态氧气瓶中。

二、第二代铝锂合金的研发与应用

2.1 概述

在20世纪70年代，燃料成本、与增长幅度相关的市场价值以及着陆重量费用导致将技术重点集中到重量减轻上。均衡研究是为了确定哪些性能的改进对节省重量有最大的影响。这些研究表明，密度降低是最有优势的。锂，作为最轻的金属，对减少铝的密度有最大的影响。铝业公司也开始对低密度的合金产生了兴趣，因为他们担心来自航空材料用的非金属复合材料的竞争，并相信在铝合金的开发上会有重大的进展，且可以保持这一竞争力。尽管碳纤维和硼纤维非金属复合材料比其它航空用结构材料具有更大的密度优势，但铝合金的性能改进似乎更令人满意。

详细的设计研究预测Al-Li合金满足预先确定的铝合金开发目标，通过减少密度和增加刚度，能够生产出重量节省约8%～15%的产品（见图2）。绝大多数这些Al-Li合金开发项目的方法是利用从先前的铝冶金得出的经验教训。这些方法包括将铁和硅含量减少到韧性和延性经济可行的最低限度；用Zr代替Mn，形成Al3Zr弥散颗粒，用于晶粒细化，因为较大的富Mn弥散颗粒通过成核孔穴对其延性有不利影响；不使用Cd为成核强化析出物，因为该元素似乎增加了2020 合金的晶间断裂。这些研究项目导致“第二代”Al-Li合金的产生。

图2 洛克希德飞机与重量节省及各种性能改进图

2.2 第二代Al-Li合金的开发与应用

有两种不同的方法来开发第二代Al-Li 合金：一是粉末冶金法（P/M），另一种是铸锭冶金法（I/M）。粉末冶金的优点是，更大范围的化学成分、显微结构灵活、有几种可能的生产方法，例如快速凝固和机械合金化。但是，P/M工艺成本更高，生产能力较小，导致生产的铸锭尺寸较小。I/M工艺生产成本可能较低，能生产较大尺寸的铸锭，大部分使用现有的生产设备。Al-Li合金的铸造设备可能受限且昂贵，其化学成分比用粉末冶金法生产的更受限。

最大的P/M 研发部门是由 R.E.Lewis 和洛克希德导弹和空间公司带领的一个团队，他们的目标是生产一种模量/密度比和强度/密度比（与5AA7075-T76相比）分别增加 30%和20%的 Al-Li-X 合金。由于生产困难，该目标未能完成。在这个项目中，很明显的是，使用I/M方法是成功的最佳途径。

主要的铝生产厂家，如Alcoa（美国）、Pechiney（法国）以及英国的Alcan都参与了采用I/M方法进行铝锂合金的研究。阿尔考集中在7075-T6替代产品，Pechiney集中在2024-T3薄板和轻规格产品的替代品，英国的Alcan也是如此。在这些生产厂家研制的最初合金中，大约含2%或更多的Li，约2%或更多的Cu，一些Mg和Zr，以便控制晶粒组织。表2示出了部分初始合金的化学成分以及密度。

表2 部分第二代铝锂合金的化学成分（质量分数/%）及密度

必须首先解决的主要问题之一是铝锂合金的生产成本。这包括与含锂铝合金的反应性相关的特殊铸造设备，且生产厂家必须研究方法以控制在铸造过程中锂与空气发生反应。融熔铝锂合金与空气中的氧气发生反应会导致大量的生产问题。这些问题包括如下：金属表面与熔体里的氧化物、氮化物和碳酸盐夹杂物发生快速反应；熔体与铸造材料、坩埚、里衬和模子发生反应；还有较大的爆炸危险。

在熔炼和铸造过程中，必须使用改进的耐火材料和除气程序、保护惰性气体和/或表面助熔剂，采用专门的铸锭冷却技术（有些采用有机冷却剂来代替水）。除此之外，要注意来自铝锂合金的废料与其他铝合金的废料混合在一起，以及这类夹杂对性能的影响。因此，研发废料回收系统，对合金的有用成分进行回收再利用是十分重要的。

三、第三代 Al-Li合金的研发应用及改进方向

3.1 研发与应用

第三代铝锂合金可以追溯到20 世纪 80 年代，那时Pickens 等人效力于 Martin Marietta 马丁公司（后为LockheedMartin洛克希德公司），着手设计用于航空航天运载火箭和冷冻桶槽的具有低密度的可焊铝基合金。他们采用2219 合金为基体（因其具有较好的低温性能），利用Hardy和 Silcock相图来选择T1相场的化学成分，希望最大程度上减少δ‘的存在。根据Polmear的研究工作，针对T1相，添加Ag和Mg作为成核剂，添加Zr来控制晶粒结构，以细化焊接区域的晶粒结构。这种名为Weldalitet的标称化学成分为 Al-（4.6-6.3） Cu-1.3Li-0.4Ag-0.4Mg-0.14Zr-0.06Fe-0.03Si，通过均匀分布T1该合金能达到700MPa的屈服强度。

第三代铝锂合金含锂少于2%。Weldalitet合金系列的后续款含有Zn，提高了抗腐蚀性。锌进入到晶粒中的固溶体中，降低了基体的点蚀电位，并降低了晶界与基体之间的电化学势差，这样就改进了静态和动态腐蚀性能。研究开发了2195 合金，用于 1998 年首飞的航天飞机的超轻罐上。该新合金和一些设计改变使整个轻量贮罐减轻了重量3175kg/7000 lb，并使航天飞机的性能有显著的提高，达到了国际空间站要求。表3中示出了其它第三代Al-Li合金的化学成分。

表3 第三代Al-Li-X合金的化学成分（质量分数/%）

3.2 改进与发展方向

在航空航天应用中，铝合金的一般用途中力学性能的各向异性起着一个重要的作用。所有的含有作为晶粒细化剂Zr 的早期铝锂合金都显示出细长的薄饼状晶粒，有明显的晶体织构。Zr在铸锭的预热过程中形成了连贯的Al3Zr弥散体，在正常的铸锭断裂和后续处理过程中非常有效地抑制了再结晶。

在1992 年，美国空军赖特实验室为了大大降低含Li量大于2%的铝合金的平面内各向异性，最初的方法是在轧制步骤之间引入中间再结晶退火，以减少剧烈变形织构，从而降低合金的各向异性。所设计的既抑制又促进再结晶两步法被证明是很成功的，模量和屈服强度的各向异性从早期的Al-Li合金的20%～25%减少到空军用合金的10%。此外，整个合金短横向的断裂韧性提高了近4倍，合金中Li含量均超过2.0%。空军用合金代号为AF/C-489，标称化学成分为 Al- 2.7Cu- 2.05Li- 0.6Zn-0.3Mn-0.3Mg-0.04Zr。

美国空军与美铝开发了AF/C-489 的衍生合金，代号 AF/C-458，标称化学成分为Al-2.58Cu-1.73Li-0.6Zn-0.25Mn-0.26Mg-0.09Zr。选择添加铜和锂来形成Al3Li、Al2Cu和Al2CuLi析出的组合物，以便获得高强度。

四、小结

锂是最轻的金属元素，在铝合金中添加Li不仅可提高弹性模量，降低密度，而且力学性能、疲劳性能、抗疲劳裂纹扩展、断裂韧性和腐蚀性等都有所改善，是航空结构件轻量化的首选材料。

铝合金的开发始于1942 年，1945 年获得专利并开发出第一代铝锂合金如2020 等。此后又研发出了第二代铝锂合金如 2090、8092等。为了避免铁硅以及 Li含量过高引起的不良影响，以提高铝锂合金的综合工程性能，进一步研发了第三代铝锂合金如2199、2060等，现已广泛应用于各种飞机的结构部件并在进一步改进之中，具有十分广阔的发展前景。

来源：《铝加工》2018年第5期