铝锂合金在航空结构设计中的应用

段一凡

【摘  要】在简要介绍铝锂合金的分类及特点的基础上，重点论述了第三代铝锂合金在航空结构件上的性能研发与应用，并以实例论证了其在实际应用中的作用及重要性?

【关键词】铝锂合金;航空结构件;研发与应用

锂是世界上最轻的金属元素?把锂作为合金元素加到金属铝中，就形成了铝锂合金?加入锂之后，可以降低合金的比重，增加刚度，同时仍然保持较高的强度?较好的抗腐蚀性和抗疲劳性以及适宜的延展性?因为这些特性，这种新型合金受到了航空?航天以及航海业的广泛关注?

1第二代铝锂合金

第二代铝锂合金的研发目的是想比同类传统铝合金轻8%～10%，也更坚韧，以便更广范围地取代它们?这一早期种类包括未能形成商业效益的X8092和X8192合金?此外还有AA8091，与8090相比，其含锂量较高（2.6%vs2.4%），铜含量也高（1.9%vs1.2%）?2090和8090是最有前景的二代铝锂合金，很有应用潜力，但由于某些缺陷，一直未能打开更广阔的应用空间?事实证明，将铝锂合金作为直升机最适用选材是减重所需，这对于垂直起飞?降落的直升飞机而言是极为重要的?表1列出了EH101直升飞机早期（1984）和最终所采用的二代铝锂合金?最初设想的是采用AA2091，但最终选用了8090系列?实际上，因为可以减重8%～10%，机身框架构件采用的都是8090合金?遗憾的是，早期使用经历表明，该类合金的断裂韧性和疲劳性能成了人们的担忧?

2第三代铝锂合金

众多第三代铝锂合金已经被人们广泛地应用了?早期应用的有：AA2195厚板，用作航天飞机外挂储油箱;AA2297和AA2397，用作Lock-heedMartinF-16舱板及军用飞机上的其它零部件?近来，又有一些合金取得商用运输机（如空客A380）的应用资格，应用领域不断扩大?这一点从表2中就可看出?研发不同形式和用途的基本相同的第三代铝锂合金，即研发第三代铝锂系列是一个明确的发展趋势?表2示出了第三代铝锂合金存在几乎可以取代所有的现有传统合金的可能性?促成这一可能性的最主要的就是研发一系列优化的?性能均衡的合金牌号，从而在与特殊应用合金配合使用时更具灵活性和适应性?而另一个重要方面在于其优异的耐腐蚀和耐应力腐蚀性?因为有时可以省去为了使传统AA2×××及部分AA7×××合金耐腐蚀所需的低强包覆层，这样可以大大减轻重量，包覆层还会降低机械紧固接头（如铆接拼接）的耐疲劳性?人们对薄板及厚板的应用尤其感兴趣?

3第三代铝锂合金在特殊构件上的应用实例

3.1机身蒙皮

运输机机身蒙皮由强度及断裂韧性综合性能优异的薄板材料制成?最新的AA2060T8态铝锂合金在强度和韧性方面均取得了显著提高?

表2列出了AA2198?AA2199和2060三种铝锂合金薄板在机身蒙皮应用中的评估，值得注意的是：

（a）2199-T8E74的主要特性在于密度降低了5%，疲劳裂纹扩展阻力有了明显提高?

（b）2060-T8E30的密度降低了2%，但其强度和断裂韧性更高了?

（c）与Alclad2524-T3相比，两种铝锂合金的综合性能提高了?

3.2上机翼

3.2.1上机翼盖

运输飞机的上机翼盖是典型的通过压缩强度和刚性来抵抗弯曲变形的?所以它们必须要有足够的断裂韧性?此处应注意的是，当选用铝锂合金取代传统合金时，必须要认真考虑高弹性模量引起的比刚性的增大?因为较高弹性模量会改变机身框架内的加载路径和分布，所以简单的替换不一定是好的选择?具体而言，较高的刚性会引起更大负荷，从而带来更高应力，这些都会在疲劳负荷承受区域引发问题?

3.2.2上机翼纵梁

2055-T8E83Al-Li挤压合金与两种传统高强7×××挤压合金进行的对比结果表明，2055-T8E83合金总体优于7075-T6511老款合金?相比7055-T7751而言，2055合金具有更高的抗压弹性模量和断裂韧性，密度更低，与其较低的抗拉强度和压缩屈服强度结合良好?但是，由于上机翼纵梁最重要的性能是刚性，所以得益于其较低的密度，2055-T8E83合金是这一应用的极佳选材?2055-T8E83合金也是机身纵梁选用材料?

3.3下机翼盖

运输机下机翼盖采用的是强度和损伤容限综合性能优异的厚板材料?传统材料为自然时效态（T3XX）AA2X24合金?与2024-T3相比，更先进合金的提升主要体现在韧性方面?从2060-T8E86数据中可看出，这种合金的强度也得到了较大提高?铝锂厚板合金具有不同的强度与韧性结合，这对性能均衡探讨具有指导性作用?与传统2X24-T3XX相比，2199-T86和2060-T8E86具有优异的强度?刚性?韧性和谱疲劳裂纹扩展抗力?此外，这两种铝锂合金的密度分别降低了5%和2%?

4结论

（1）在铝合金中添加锂元素能降低合金的密度?提高弹性模量，因此具有显著减重（与传统不含锂合金相比）的潜能，这已成为促进铝锂合金研发的主要驱动力?

（2）第二代鋁锂合金?锂含量过高会导致严重的不利后果，如力学性能各向异性?短横向延性?断裂韧性低?热稳定性差等等，限制了其在飞机构件上的应用?

（3）第三代铝锂合金?与第二代（一般在2%以上）相比，第三代合金大幅降低了锂的含量（0.75%～1.8%），此外还对成分进行了重要调整?为了提高强度，添加了Ag和Zn?此外，Zn还可以改善耐腐蚀性?除Zr外，还添加有Mn（第二代中也含有），以便控制再结晶和织构?这些差异以及热机械加工和热处理技术知识的提高，研发出性能优势显著的铝锂合金系列，覆盖了运输机所有重要结构部位和应用?

参考文献：

[1]余东梅，王祝堂.世界铝-锂合金工业概要及中国与它们的差距[J].铝加工，2016（4）：10-16