铝锂合金的发展与研究进展.pptx

1、铝锂合金的发展与研究进展铝锂合金的发展与研究进展xxxx国外铝锂合金的发展历史第一阶段（20世纪20年代到60年代初）：1924年德国的材料专家研制出了第一种含Li的铝合金“Scleron”。1957年美国Alcoa铝业公司研制成功X2020合金，1958年，美国将X2020合金用于海军RA-5Cvigitante飞机机翼蒙皮和水平安定面上，取代7075合金，获得了6%的减重效果。这种合金含1.2%的锂，与铝合金2024相比密度降低了3%。1961年前苏联开发出类似X2020合金的合金BA23.（1230）。X2020和和BA23（1230）合金成分合金成分合金牌号合金元素含量/%杂质/%（不

2、大于）AlLiCuMnCdFeSiX2020基1.14.50.50.2BA23（1230）基0.91.44.85.80.40.80.10.150.150.1X2020和和BA23（1230）的机械性能）的机械性能合金牌号机械性能密度/（gcm-3）抗拉强度b/MPa屈服强度0.2/MPa延伸率/%弹性模量E/GPa断裂韧性KIC/MPaX20202.71575531377.2BA23（1230）2.722.7450062040056049767880100第一代铝锂合金缺点第一代铝锂合金缺点：延展性和断裂韧性低，缺口敏感性高，以及加工生产上的困难，价格昂贵等等。第二阶段（70年代到80年代末）

3、：背景：背景：一是石油危机冲击了航运界，为了减轻航空器重量以降低航运成本，对高强度、高弹性模量、低密度材料的需求更迫切；二是复合材料的发展开始对原有航空铝合金构成威胁。铝业公司急需推出高比刚、高比强的铝合金用于米格-25等军用型飞机。20世纪80年代，前苏联成功研制出1420合金，该合金作为可焊接材料用于米格29的机身和机头；美国Alcoa公司研制出的2090合金，英国Alcan公司的8090和8091合金，法国Pechinev公司开发的209l合金等。第二代铝锂合金在军用飞机上的应用包括俄罗斯的Su227、Su235，美国的C217，英国的EFA2000 等；对于民用飞机，比较典型的是在EH

4、101直升机以及空客A330、A340上的应用。由于第二代铝锂合金存在各向异性严重、塑韧性水平较低、热暴各向异性严重、塑韧性水平较低、热暴露后会严重损失韧性、大部分合金不可焊露后会严重损失韧性、大部分合金不可焊，综合性能和价格难以与原有2000系、7000系铝合金竞争，除前苏联的1420合金获得广泛应用之外，欧美的大部分第二代铝锂合金都未获得大量应用。第二代铝锂合金成分表第二代铝锂合金成分表合金排号合金元素/%杂质/%（不大于）LiMgCuZrFeSiNaZn其他/每种1420（俄）1.92.34.56.00.080.150.20.150.005（0.0015）0.052090（美）1.92.

5、60.252.43.00.080.150.120.10.10.058090（英）2.22.70.61.31.01.60.040.160.30.20.250.05第二代铝锂合金半成品典型性能表第二代铝锂合金半成品典型性能表合金牌号半成品形式状态抗拉强度b/MPa屈服强度0.2/MPa延伸率/%弹性模量E/GPa密度/（gcm-3）断裂韧性KIC/MPa1420（俄）模锻件TB1440（360）280（266）10（3）762.74402090（美）薄板T845204705802.59728090（英）薄板T6514904405.5802.5436第二代到第三代的改进方向：第二代到第三代的改进方向

6、：解决铝锂合金各向异性问题的方法为合金化，合金化的作用应重点考虑增大相的界面错配度或引入新的强化相来抑制共面滑移，阻碍晶界粗大粒子的析出及杂质向晶界的偏聚，再配合以有效的热加工工艺，形成合理的织构分布及超细化的再结晶组织。第三阶段（80年代末至今）：从1987年开始，全俄航空材料研究院就开始着手研制新的高强度、可焊铝锂合金，合金牌号定为1460。此合金中含有少量的稀土元素Sc，可以大幅度提高铝锂合金的综合性能。总的来说，1460合金与1201相比b、0.2分别提高了25%和35%，质量减轻20%25%，疲劳寿命提高20%30%，而焊接性能相当。美国的Reynolds金属和Martin Mari

7、tta公司（现为Lookheed Martin公司），也在20世纪80年代后期开发出了Weldalite铝锂合金系列，主要包括2094、2095、2096、2195等牌号。这些合金强度可达690MPa，其强度水平居铝合金前列。此外，Weldalite系列具有良好的焊接性能。第三代主要铝锂合金的化学成分第三代主要铝锂合金的化学成分合金牌号合金元素含量/%LiCuMgZrAgZnMn其他14601.92.52.53.50.12Si:0.10.2Weldalite0490.71.82.35.20.250.80.140.250.820951.14.20.90.140.421950.81.23.74.3

8、0.250.80.140.250.60.250.25Ti0.1Weldalite2101.34.50.40.140.40.521971.31.72.53.10.250.122%）而其他元素含量较低，时效后的主要强化相是 相。第3代铝锂合金的Li含量较低（3%），此外，还添加了少量的Mg、Mn、Zn、Ag及Sc等微合金化元素，其时效组织与第2代铝锂合金明显不同。Al-Li-Cu系合金的析出顺序和强化相的种类在很大程度上取决于Cu/Li比。Al-Li-Cu合金的析出过程合金的析出过程 第3代铝锂合金中的主要析出相包括、T1、S和Al20Cu2Mn3相等，其时效组织基本特征是有多种不同尺度、不同结构

9、和形态的相多种不同尺度、不同结构和形态的相组成，由于微观组织的不同，导致第2 代和第3 代铝锂合金性能存在很大差别。第第三三代铝锂合金的性能特点：代铝锂合金的性能特点：（1）适当的密度降低(一般比常规A l合金低5 一8%)，不是片面追求低密度。（2）更好的强度-韧性平衡。（3）耐损伤、抗疲劳性能优良。（4）各向异性小。（5）优良的耐腐蚀性。如2099 合金样品在未包铝的情况下，在海岸边暴露14 年也只发生均匀的点蚀，而2024已发生鼓泡，剥蚀明显。（6）热稳定性好，有较好的耐热性。（7）良好的加工成型性(适用于激光束焊接、搅拌摩擦焊接、时效成形)（8）更高的性/价比。第四代铝锂合金展望 新型

10、第三代铝锂合金向着超强、超韧、超低密度超强、超韧、超低密度等方向发展，其中高高强可焊合金和低各向异性合金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具有各向同性、以颗粒或晶须性、以颗粒或晶须SiC 陶瓷为增强体的铝锂金属基复合材料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。2009 年空客公司材料和加工集成部的负责人Roger Digby 在一次国际会议上正式提出了第4 代铝锂合金的概念。所谓第4 代铝锂合金的成分特点是Li 含量比第含量比第3 代铝锂合金更低代铝锂合金更低，而性能的最大特点是在裂纹扩展速率、在

11、裂纹扩展速率、疲劳性能以及弹性模量等和第疲劳性能以及弹性模量等和第3 代铝锂合金相当的条件下，代铝锂合金相当的条件下，有更高的静强有更高的静强度度(尤其屈服强度尤其屈服强度)和更高的断裂韧性和更高的断裂韧性。我国铝锂合金研究与展望 国内铝锂合金的研究起步比较晚,国家“九五”期间完成从俄罗斯引进6 吨级铝锂合金工业化熔铸生产线,并根据我国航天型号的发展规划及运载火箭箭体结构的发展要求,提出了“高强铝锂合金研究”国家科技攻关任务。“十五”期间,研究重点是“一型两用”新型高强高韧铝锂合金和2195合金的性能优化和工业化生产技术开发。“一型两用”新型高强高韧铝锂合金的研究已经完成了实验室中试规模的研究

12、,并申请了国家铝合金牌号2A97。“十一五”期间,在总装备部的支持下,连续开展了“一型两用”铝锂合金的工业化试制研究。通过连续几个五年计划的国家支持,我国铝锂合金研究开发的基地已建立,其规模和水平已达到美、俄等国上个世纪90年代初的水平。经过几个五年计划的材料研究与应用研究,国产铝锂合金已在航空航天工业中应用,特别是1420合金深冲模锻件已批量用于我国DF-XX 导弹上,薄板已用于我国新型战斗机Su-XX 蒙皮,标志着我国铝锂合金研究已进入实质性应用阶段。据2010 年12 月1 日中新网等多家网站报道，我国拥有自主知识产权的C919 大型商用客机的铝锂合金机身等直段部段于当日在中航工业洪都大

13、飞机部装厂房顺利下线，机身段采用先进的铝锂合金材料，这在国内民机应用上尚属首次。C919 机身等直段部段的研制成功，不仅验证了相关的工程设计及制造工艺方案，还为C919 大型客机项目铝锂合金等新材料的应用、适航审查积累了宝贵经验，也为推动我国铝锂合金研究、生产和应用带来了新机遇。C919 大型客机铝锂合金机身等直段部段照片大型客机铝锂合金机身等直段部段照片 国内铝锂合金研究的差距国内铝锂合金研究的差距 （1）可供航天航空工业选用的成熟铝锂合金材料和产品规格品种有限；（2）基础研究相对薄弱，研究工作的系统性、完整性和深入程度有待加强；（3）铝锂合金成本偏高，产品质量的批次稳定性需提高；（4）应用

14、技术研究相对落后，应用领域有待扩展。国内铝锂合金的发展方向：国内铝锂合金的发展方向：未来我国铝锂合金研究的思路应该是以大飞机和空间探测等航天航空技术发展的需求为契机，加强高性能铝锂合金的基础研究，深入研究铝锂合金的成分、生产加工工艺、微观组织和性能之间的关系和合金设计准则，研发有自主知识产权的超高强铝锂合金、高损伤容限铝锂合金、高成形性可焊铝锂合金等新型合金，开发新的热处理技术和状态，建立铝锂合金服役性能评价体系，进一步突破铝锂合金工程化生产中的共性关键技术，提高铝锂合金研发的自主创新能力和自主保障能力，完善铝锂合金研发平台和工装设备条件，加快铝锂合金的应用技术研究，扩大铝锂合金的工程应用范围

15、。铝锂合金的应用领域铝锂合金的应用领域材料牌号应用领域国家型号应用部位AA2197航空美国F-16后隔板及其他部件AA8090英国EH-10125%的结构件AA2091法国第三代Rafele结构骨架1420俄罗斯米格-27、米格-29、米格-33、雅克-36AA2195航天美国外挂储箱2090美国三角翼火箭低温储箱8090美国“大力神”运载火箭载荷舱Weldalite-049美国“奋进号”外储箱1460俄罗斯“能源号”运载火箭低温储箱铝锂合金与复合材料的性能对比铝锂合金与复合材料的性能对比铝锂合金存在的主要问题铝锂合金存在的主要问题 （1）一些合金存在塑性、韧性水平较低，热暴露后会损失韧性等问

16、题。影响铝锂合金强韧性的主要因素是共面滑移和晶界无沉淀析出带。（2）晶界上的粗大平衡析出相，氢、钠、钾、钙等杂质污染和织构也影响合金的性能。（3）针对铝锂合金的组织特性、强化机制和导致该合金韧性低的根本原因，研究者们采取了不同的强韧化措施。其中包括合金化、形变热处理、分级时效、纯净化等。合金化合金化 Cu 和Li 在铝锂合金中除起固溶强化作用外，主要是作为(Al3Li)、T1(Al2CuLi)、(A12Cu)等强化相的构成元素促进这些相的析出，Cu/Li 比的不同会改变这些相的体积分数与分布，Cu 能减小无沉淀带宽度，提高合金强度和改善塑韧性，但Cu 含量过高会产生中间相使韧性下降、密度增大；

17、Cu 含量过低不利于减弱局部应变和减小无沉淀带宽度，故Al-Li 合金中的Cu 含量一般为2%4%(质量分数)。在Al-Cu-Li 合金中单独添加少量Ag 其强化作用很小，单独加入Mg 有较大的强化作用，同时添加少量Ag 和Mg，产生更大的时效强化效应。Mg 的强化作用源于Mg 能加速GP 区的形核，从而促进T1 相的析出，同时抑制的生长速率，使相更加细小、弥散。微合金化是一个重要的方向。稀土元素的添加可以改善合金超塑性、热变形性、抗腐蚀性、焊接性等,并能减轻杂质的危害,Sc 能细化合金晶粒,促进T1 相的析出和均匀弥散分布,改变合金的断裂行为。同时加入Sc、Zr还会形成极细的Al3(Sc1-

18、x,Zrx)相,能有效抑制合金的再结晶的发生。我国学者还研究发现,适量Ce、Er、Y、La 等对Al-Li 合金起到良好的改良性能 形变热处理形变热处理 对固溶处理后的铝锂合金在时效前进行适当的冷变形，可在合金基体中形成密布的位错或位错缠结，大大增加S相、T1相的形核位置，从而增大位错不能切割沉淀相的体积分数。同时时效前的预变形能减少晶界析出物的大小、数量和密度，减少合金的共面滑移及晶界应力集中。此外，时效前的预变形可加快沉淀动力学，使沉淀相更细小均匀地分布，抑制晶界平衡相的形成。分级时效分级时效 形变热处理可提高铝锂合金的强韧性，但对复杂零部件在工艺上难以进行。分级时效同样能提高合金的强韧性

19、，先低温时效使析出相在基体内大量形核，然后在较高温度短时间时效，使析出质点长大。这样既可以抑制晶界有害相的形成，又不降低合金强度。纯净化纯净化 为减少杂质污染，一般采用纯度高的合金配料成分和真空纯化。澳大利亚Comalco铝有限公司利用真空纯化法，使碱金属总含量由原来的310ppm降到1ppm以下，氢含量也显著降低，从而使合金韧性显著提高。铝锂合金的搅拌摩擦焊铝锂合金的搅拌摩擦焊 当铝锂合金采用传统的熔焊工艺焊接时，由于材料的熔化和凝固容易出现焊接缺陷，如气孔和热裂纹等，材料中锂也易于烧损，导致焊接接头的强度远低于母材的。搅拌摩擦焊接(FSW)是一种新型的固态连接技术，由英国焊接研究所(TWI

20、)发明。采用搅拌摩擦焊焊接铝锂合金，可以获得高质量的焊缝，同时简化焊接工艺，节约成本。在搅拌摩擦焊接过程剧烈搅拌和热循环的作用下，焊缝区域会形成微观组织各异的区域，包括焊核区(WNZ)、热机影响区(TMAZ)、热影响区(HAZ)和基材区(BM)。焊缝区的微观组织决定其宏观性能(强度、腐蚀和疲劳性能等)，因此，研究铝锂合金搅拌摩擦焊焊缝微观组织的演化极其重要，这对于设计和开发新一代的铝锂合金也具有实际的指导意义。腐蚀性研究方面腐蚀性研究方面到目前为止,Al-Li 合金腐蚀性能的研究仍然极其有限,因此研究这类合金的腐蚀性能及防护措施对于提高飞机构件的结构性能、保证飞行安全具有重要的实际意义。在过去

21、有限的报道中Al-Li 合金腐蚀性能的研究主要集中于孔蚀、晶间腐蚀及应力主要集中于孔蚀、晶间腐蚀及应力腐蚀上腐蚀上,并对其剥蚀性能作了少量研究并对其剥蚀性能作了少量研究。要保证Al-Li 合金的有效使用,在这方面尚有大量工作要作。合金制备方面合金制备方面 (1)铸锭冶金法(I/M法)是铝锂合金制备的主要方法。IM法的优点是生产工艺,成本低,可生产大规格铸锭。I/M法的优点是成本较低,可生产大规格铸锭。熔炼过程应防止Li的氧化烧损，减少吸气，需要熔剂覆盖或惰性气体保护。铸造工艺参数必须合理，浇注工具也有特殊要求。采用连续或半连续铸造时，液态金属与水接触会发生剧烈反应，甚至会有爆炸危险。这种方法获

22、得的合金Li含量较低。(2)粉末冶金法(P/M法)是用高速空气气流或惰性气体雾化熔体金属，冷却速率可达103106。合金含Li 量可提高到3%。因冷却速度较高,因而提高了合金元素的溶解度，细化了晶粒和第二相质点,减少了偏析,改善了合金性能。但PM法生产成本高，获得的坯锭尺寸较小。(3)熔盐电解法是以Al为阴极，以Li盐溶解液为电解质，在阴极上一次合金化直接生成铝锂合金。这种方法可获得Li含量较高的合金，具有节能、简单、无金属烧损等优点。但易在Al表面富集Li，合金内Li的扩散不均匀，且由于Li密度低于Al与电解液而上浮在液体表面，因而与阳极气体二次反应。在制备过程中合金一直受熔盐保护,降低了对

23、环境气氛的要求,简化了生产设备,在较低成本下可制备出H 含量符合要求、Na 含量很低的合金。(4)电磁模拟微重力法:是利用地面电磁模拟设备,模拟在微重力环境状态下进行合金的熔炼方法。此方法由于克服重力影响，降低因合金元素体积质量引起的偏析和弥散不均匀性，从而形成颗粒弥散较好的均质合金。此法可以较大的提高合金中Li的含量，重力场下Al-Li合金是难混合金,但在微重力场对难混合金的熔炼提供了一个广阔空间。铸锭切割的后续试验：铸锭切割的后续试验：1、成分的测量：采用美国物理电子公司生产的PHI5702 型多功能电子能谱仪和其自带的XPS 能谱分析软件进行分析,各点的成分与该点的能谱峰值所包含的曲线面

24、积与机器内部设定的参数成正比,比较各点能谱峰值的面积,可以得出在采集点上锂元素的偏析状况。地点：1保定铝厂2钢研院2、金相组织观察：在镶样机上将待观察试样镶好，用500#、800#、1200#、1500#、2000#、3000#砂纸上打磨后.金相组织观察在光学显微镜下进行。腐蚀液：1.0%HF+99.0%H2O的酸性溶液3、取部分样品进行热处理工艺和热轧，并将处理的两个试样按照未处理的试样的试验流程进行测试，比较试验结果。4、硬度测试：硬度测试在HXZ-1000显微硬度计上进行，负荷为200g，加载时间为10秒，硬度测试的试样先用砂纸磨平，再依次在500#、800#、1200#、1500#、2

25、000#、3000#砂纸上打磨后，再机械抛光至表面光亮。在圆盘状试样据中心每隔0.5mm测量一个值，绘制硬度随距离中心的位移变化的曲线。5、透射电镜观察：透射试样先用水磨砂纸减薄至0.1mm左右，进行机械减薄至0.05mm左右，然后打成直径为3mm的圆片，在双喷电解减薄仪上进行双喷，双喷时施加的电压为1015V，工作电流尽量控制在70100mA，用液氮冷却至-20-25。双喷液采用25%硝酸，75%甲醇溶液（体积比约为1:3）。所有作TEM观察的试样在穿孔后都必须用无水乙醇清洗三次，至少放置20分钟以上。观察时使用型号为JEM-2100的透射电镜，加速电压为200kV。6、拉伸试验在SANS万

26、能力学性能测试机上进行，拉伸速度0.05mm/min。由于拉伸试样尺寸很小，常规拉伸试验机上无法进行拉伸试验，还另外设计拉伸所用夹具。试样的断口观察在JSM-5800型扫描电镜上进行，加速电压为20KV。7、必要的情况下，研究合金在不同高压扭转状态下的强度特性，对未处理的试样进行高压扭转。当金属材料的晶粒尺寸被细化至亚微米乃至纳米级别时，材料由于具有很小的晶粒尺寸和独特的缺陷结构，在室温下不仅具有高的强度、硬度和耐磨性，而且还具有良好的塑形和韧性，在一定的温度范围内还具备超塑性。高压扭转法（High-pressure Torsion,HPT）被认为是剧烈塑性变形中细化能力最强的工艺，可以获得均匀的大小为100nm的纳米晶粒。