鋁鋰合金

鋰是世界上最輕的金屬元素。把鋰作為合金元素加到金屬鋁中，就形成了鋁鋰合金。加入鋰之後，可以降低合金的比重，增加剛度，同時仍然保持較高的強度、較好的抗腐蝕性和抗疲勞性以及適宜的延展性。因為這些特性，這種新型合金受到了航空、航天以及航海業的廣泛關注。正是由於這種合金的許多優點，吸引着許多科學家對它進行研究，鋁鋰合金的開發事業猶如雨後春筍般迅速發展起來了。

1983年在巴黎國際航空博覽會上，世界上兩家最大的鋁合金生產企業——英國阿爾康鋁業公司和美國阿爾考鋁業公司，同時宣佈研製成功新的革命性材料——鋁鋰合金。專家們認為，鋁鋰合金是從1943年發明鋁鋅系高強合金以來，鋁合金研究和開發的又一個里程碑。

其實，鋁鋰合金並不是個新鮮概念。對這種材料的認識經歷了相當長的時間。由於鋰的比重小，在鋁中的溶解度高，長期以來人們就把鋰看作鋁的親密合作夥伴。早在本世紀20年代，科技工作者就對鋁鋰合金進行過許多評論。1924年，德國研製成功一種工業鋁鋰合金——司克龍。這是一種僅含0.1%鋰的鋁鋅合金。它的機械性能比當時盛行的鋁鎂合金——杜拉鋁要稍好一些。由於當時杜拉鋁已得到公認，所以影響了司克龍合金應受到的廣泛重視。1943年，高強度的鋁鋅鎂銅合金問世，再一次低估了鋁鋰合金的工業價值。1957年，英國研製成功了含鋰1.1%的X-2020鋁合金。這種合金用於美國艦載超音速攻擊機的機翼和水平尾翼的蒙皮上，取代原設計中的鋁合金後，RA-5C飛機的重量減輕6%。原蘇聯的科技工作者同時也研製出了一種含鋰2%的鋁合金。又經過10年徘徊，到1967年發生了世界範圍的能源危機後，各國又重新開始大規模研究鋁鋰合金。由於冶金技術和相關技術的發展，使含鋰量更大、比重更小、強度更高的鋁鋰合金的出現成為可能。據認為，許多先進的戰鬥機和民航飛機大都採用了這種合金。鋁鋰合金的成本大約只是碳纖維增強塑料的1/10。如果採用鋁鋰合金製造波音飛機，重量可以減輕14.6%，燃料節省5.4%，飛機成本將下降2.1%，每架飛機每年的飛行費用將降低2.2%。可以預料，隨着材料科學的發展，將有越來越多的新型合金進入航空航天業、各個工業部門及千家萬户。

鋁鋰合金主要為飛機和航空航天設備的減重而研製的，因此也主要應用於航空航天領域，還應用於軍械和核反應堆用材，坦克穿甲彈，魚雷和其它兵器結構件方面，此外在汽車、機器人等領域也有充分運用。從20世紀30年代開始，德、美、英、前蘇聯對Al-Li合金進行研製，但是真正具有商業價值的是1957年美國Alcoa公司研製成功的含鋰1.1%的2020合金，用於製造海軍TA－5CVigitante飛機的機翼蒙皮和尾翼的水平安定面。主要使用的鋁鋰合金有2×××系（Al-Li-Cu-Zr）和8×××系（Al-Li-Cu-Mg-Zr）等10餘種牌號，最大鑄錠規格達到25t以上，其軋製、擠壓和鍛造的加工技術已達到常規鋁合金的水平。

鋁鋰合金的航空應用

Al-Li合金已經在軍用飛機、民用客機和直升飛機上使用或試用，主要用於機身框架、襟翼翼肋，垂直安定面、整流罩、進氣道唇口、艙門、燃油箱等等。

早在20世紀50年代，美國就開發了x2020鋁鋰合金後來用來取代7075用於RA-SC預警機。美國一公司將C-155鋁鋰合金用於波音777和空中客車A330/340飛機的垂尾和平尾，該合金比普通鋁合金有更好的抗疲勞性能和高的強度。其中A330/340飛機每架使用Al-Li合金650kg，可使飛機減重達4250kg，可以提高有效載荷及降低燃料消耗。麥道公司的C-17運輸機使用了鋁鋰合金板材和擠壓型材製造貨艙的地板梁、襟翼副翼蒙皮等結構，用量達2.8t，比用普通鋁合金減重208kg，法國幻影式戰鬥機上也大量應用鋁鋰合金，其成本低於熱固塑料和金屬基複合材料。在1988年的時候，洛克希德·馬丁戰術飛機系統公司、洛克希德·馬丁航空系統公司和雷諾茲金屬公司就開始AA2l97合金研製的聯合計劃，為軍用殲擊機隔板和艙壁生產重載厚板。1996年6月，雷諾茲金屬公司開始售出第一批AA2l97合金板材，用於取代其它材料製造美國空軍F－16飛機的後部隔板(艙壁)和其它零件。歐洲試驗型戰鬥機EFA其前部所有薄板狀零件皆由8090薄板製成，佔所有材料的9%，駕駛艙內使用了不少A1-Li合金，其中用A1-Li超塑成形工藝製造的電子設備室的蓋板長達1.5m。英、意合作生產的大型直升機EH101上，其機身框架、蒙皮和內部結構使用了相當多的A1－Li合金板材和鍛件，每架質量減輕200kg。而據估計，直升機在整個服役期間每減輕1kg增加經濟效益高達3000英鎊。

在航空鋁鋰合金的研究和應用方面，前蘇聯及俄羅斯也一直處於世界的領先地位，比較有代表性的有01420、01421（含鈧）、01423（含鈧）、01430、01440、01450等。早在20世紀70年代，前蘇聯就將鋁鋰合金用於製造雅克－36飛機的主要構件，包括機身蒙皮、尾翼、翼肋等，該飛機在惡劣的海洋氣候條件下使用，性能良好。20世紀90年代初又在米格－29和米格－31飛機上採用1420合金焊接結構，使減重效果進一步提高。米格－29使用了1420合金薄板、模鍛件、擠壓壁板等製造機身、駕駛員座艙、油箱等，每架飛機鋁鋰合金用量達3.8t。採用焊接油箱後減重達24%，其中12%是由於材料比重的降低，12%是由於焊接結構減少了鉚釘、螺釘、密封劑和搭接部分而達到的。1420合金在其它飛機，如運輸機、客機、直升機上用量也相當可觀。安－124用量近8t，圖－204用量2.7t，米－26用量1.8t，還有伊爾－86、安－72等也都採用了A1-Li合金。近年來，Al-Li合金也大量用在蘇－27、蘇－35、蘇－37等戰鬥機上，以及遠程導彈彈頭殼體等。

鋁鋰合金的航天應用

對於航天飛行器結構，質量的減輕可增加有效載荷，而有效載荷每增加1kg可帶來4,400～110,000美元的效益。因此，由於Al-Li合金密度低、性能好的特點，在很多航天飛行器中都採用Al-Li合金結構。

美國洛克希德導彈和空間公司(LMSC)製造的飛行器使用低密度、中等強度和高剛度的材料，因此大量採用Al-Li合金產品。從20世紀80年代中期開始，大量選用8090及普通加工方法生產各種鍛件、厚板、薄板與擠壓件。LMSC在大力神有效載荷轉接器上使用8090板材，減輕質量180kg。該公司使用AA2195合金生產的新的航天飛機“超輕型油箱”，長達47m，直徑達8.4m，用於盛裝低温燃料和液態氫。AA2195合金的使用使油箱減輕5%（減重近3400kg），強度提高30%，有效地增加了有效載荷，節約成本約7500萬美元。麥道空間系統公司採用2090－T81板材製成直徑2.44m，長3.05m的低温箱，用於三角翼火箭盛放燃料和液氧的容器，質量減輕15%。美國通用動力空間公司在阿特拉斯和半人馬運載火箭上的三個部件採用2090合金，總量達70kg，質量較2024減輕8%。1997年12月的美國“奮進號”航天飛機外貯箱採用2195代替2219，運載能力提高了3.4t。

Al-Li合金在俄羅斯的航天業中也有很多的應用。俄羅斯在1450合金基礎上添加0.20%的Sc元素研製出1460合金，有更優良的性能，將其應用於大型運載火箭“能源號”的結構件上。此外，還用在其它火箭、“暴風雪”號航天飛機和空間站的結構件上。