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Al


Key words   Al2Li alloy , manufact ure , microalloying , jointing      2Li 合金是一种综合性能好 、 Al 具有巨大开发潜力的轻质合 1957 年美国 Alcoa 公司研究成功的 2020 合金为代表 。第二个 金 ,用其取代普通 Al 合金可使构件的质量减轻而刚度提高 , 因 阶段是繁荣发展阶段 ,时间跨度为 20 世纪 70 年代至 80 年代后
此被认为是 21 世纪航空航天飞行器理想的结构材料 ,在舰船以 及兵器工业中也具有很大的应用潜力 。Al2Li 合金的材料制备 维修等都较复合材料方便 , 成本也远远低于复合材料 [1 ] 。 家材料研究领域中的重点研究开发课题 , 我国从 “七五” 期间也 开始将 Al2Li 合金的研究列入国家攻关计划 , 并取得了重大进 展 。本文简单回顾了 Al2Li 合金的发展历程 , 概述了其制备方 法、 微合金化和焊接工艺方面的研究现状 。 了一系列性能优良的 Al2Li 合金 ,美国和前苏联均在 20 世纪 80 年代末成功开发了 Al2Li 合金的完整体系 。Al2Li 合金的发展 到目前经历了 3 个阶段 [ 2 ] 。第一个阶段是初步发展阶段 , 时间 跨度为 20 世纪 50 年代至 60 年代初 。这一阶段的研究成果以 和零件制造工艺都与普通铝合金无原则上的差别 , 可沿用普通 铝合金的技术和设备 ; 用 Al2Li 合金替代飞机上使用的传统铝 合金 ,不需要对适航条例做大的修改 ; 另外 ,Al2Li 合金的成形 、

1   2Li 合金发展回顾 Al

自 1924 年第一个含 Li 的 铝 合 金 Sclero n 合金 ( Al212Zn2 3Cu20. 6Mn20. 1Li) 在德国诞生以来 , 各国的科学家相继研制出

Al2Li 合金的研究进展/ 高洪林等
st rengt h coefficient of t he joint .

?87 ?

( 云南大学材料科学与工程系 , 昆明 650091)

of t he mo st att ractive materials , and can be used as perfect st ruct ural material of t he aircraft and warship of 21 cent ury.

 3 云南省自然科学基金项目 ( 编号 :2006 E0012M)   高洪林 : 男 ,硕士生   吴国元 : 通讯作者 ,男 ,博士 ,教授  Tel :087125033371  E2mail :way66 @to m. co m ? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.

从 20 世纪 80 年代起 ,Al2Li 合金就已成为世界主要工业国

op ment of Al2Li alloy research in f ut ure are p ut forward. They are optimizing t he existing p reparatio n craft and p ropo2 sing t he new p reparation technology ; seeking t he more effective alloying way , increasing t he mismatch of base p hases andδ p recipitatio n and int roducing new age2st rengt hening p hases ; imp roving t he welding technology and raising t he ′

   摘要    2Li 合金是一种综合性能好 、 Al 具有巨大开发潜力的轻质合金 ,被认为是 21 世纪飞行器和舰船理想的结 构材料 。简要回顾了 Al2Li 合金的发展历史 , 重点介绍了铝锂合金的制备方法 、 微合金化 、 焊接等方面的研究进展 。 提出了对 Al2Li 合金研究今后的发展方向 : 组合优化现有制备工艺 ,提出新的制备技术 ; 进一步探寻更有效的合金化 途径 ,增加基体相与δ 相界面的错配度 ,引入新的时效强化相 ; 不断改进焊接工艺 ,使合金的接头强度系数提高 。 ′ 关键词   Al2Li 合金   制备   微合金化   焊接
( Material Science and Engineering Depart ment , Yunnan U niversity , Kunming 650091) t ure met hods , microalloying and weld met hods are summarized in detail. At last , so me opinio ns on t he p robable devel2 In t his paper , t he develop ment history of t he Al2Li alloy is reviewed simply , and t he research p rogress of t he manufac2

Abstract   For po ssessing low density and fine integral performance , Al2Li alloy has been considered to be one
http://www.cnki.net

Research Progress in Al2Li Alloys
GAO Ho nglin , WU Guoyuan

Al2Li 合金的研究进展 3
高洪林 , 吴国元

期 。在这一时期 ,对 Al2Li 合金进行了全面研究 , Al2Li 合金得 到了迅猛发展 。研制成功了低密度型 、 中强耐损伤型和高强型 等一系列较为成熟的 Al2Li 合金产品 , 如 前苏联 研制成功的 1420 合金 、 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 Pechiney 公司开发出的 2091 合金 等 ,这些 Al2Li 合金都获得了一定的应用 。但人们发现第二代 合金存在诸如各向异性 、 不可焊 、 塑韧性及强度水平较低等缺 点 。进入 90 年代以后 , 人们针对 Al2Li 合金的上述问题 , 开发 出了具有一定特殊优势的 Al2Li 合金 。Al2Li 合金的发展也因 此进入了第三个发展阶段 。目前 , 已开发出的新型 Al2Li 合金 主要有高强可焊的 1460 和 Weldalite 系列合金 , 低各向异性的 表 1 列出了各个时期主要的 Al2Li 合金的化学成分 。1990 年 工艺和新颖的结构设计 ,可能将发射 1kg 有效载荷进入太空的

A F/ C2489 、 F/ C2458 合金 ,高韧的 2097 、 A 2197 合金 , 高抗疲劳 裂纹的 C2155 合金 , 以及经特殊真空处理的 XT 系列合金等 。

成本由当时的 6800 美元减为 660 美元 。美国 “发现号” 航天飞 机外储箱采用 2195Al2Li 合金取代 2219 合金 ,使航天飞机的运 载能力提高了 3. 6t ,相当于每千克有效载荷节约成本 1764 美元 。

Westwood [3 ] 曾预言 ,使用 Weldalite2049 型 Al2Li 合金 ,配合 XD

?88 ?

材料导报   

   2007 年 6 月第 21 卷第 6 期

Alloy 2020 BA Д 23 2090 2091 8090 8091 1420 1421 1423 1429 1430 1440 1441 1450 1460 2094 2095 2096 2195 2097 2197 Weklalite049 Weklalite210 A F/ C489 A F/ C458

Cu 4. 5 4. 8~5. 8 2. 7 2. 0 1. 2 1. 9

1. 4~1. 8 1. 5 2. 0 2. 9 2. 9 4. 8 4. 3 2. 3~3. 0 3. 7~4. 3 2. 5~3. 1 2. 5~3. 1 2. 3~5. 2 4. 5 2. 7 2. 7

  表示允许的最大含量 a

coa 、 英国的 Alcan 、 法国的 Pechiney 、 俄罗斯等都采用 IM 法生产

于锂的化学性能活泼 ,采用此方法熔炼 Al2Li 合金时 ,必须加保 护气氛 。通常 Al2Li 合金的熔炼炉大多采用密闭式 , 在惰性气 体保护下 ,快速感应加热熔炼 ,有利于铸锭质量的提高 。但该方 法制备的 Al2Li 合金锂的质量分数不超过 3 % ,很难满足对轻型 合金的要求 。

术 ,也是生产 Al2Li 合金的重要方法 ,其基本工序为粉末制取 → 粉末成形 → 粉末烧结 。为了提高材料的性能 ,各国科学家已开 发出多种不同的生产工艺 ( 如高温烧结 、 复压复烧 、 粉末锻造 、 热

2   2Li 合金制备方法 Al
2. 1   铸锭冶金法( IM)
铸锭冶金法
[4 ]

( IM) ,另一类是粉末冶金法 ( PM) 。为解决这两类方法在制备

2. 2   粉末冶金法( PM)
粉末冶金法
[5 ]

Al2Li 合金时遇到的问题 ,有人也提出了一些新的制备方法 。

Al2Li 合金 。IM 法的优点是成本较低 ,可生产大规格铸锭 。由

Al2Li 合金的制备方法主要有两大类 : 一类是铸锭冶金法

? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.

是 Al2Li 合金的主要生产方法 。美国的 Al2 是一种能制备复杂形状近净形产品的生产技

2 2 2 2

2. 3~3. 0 0. 8 0. 9

0. 25~0. 8 0. 25~0. 9 0. 35 a 0. 25 a 0. 4 0. 3 0. 3

0. 25~0. 8

表1  主要 Al2Li 合金的化学成分及研制者 [ 2] Table 1  The co mpo sitio n and t he fo under of Al2Li alloys (wt %)
Mg Li Zr Si Fe 1. 3 0. 8 0. 8 5. 2 5. 2 3. 7 5. 4 0. 4 0. 4

2 2 2 2 2

1. 2

0. 9~1. 4 2. 1 2. 0 2. 4 2. 6 2. 1 2. 1 2. 1 2. 2 2. 4 1. 9 2. 1 1. 3 1. 3

0. 11 0. 11 0. 11 0. 12 0. 12 0. 11 0. 11 0. 08 0. 11 0. 11 0. 11 0. 09 0. 11 0. 11 0. 11 0. 11 0. 14 0. 14 0. 14 0. 12 0. 14 0. 14 0. 05 0. 08

1. 5~1. 9

2. 25

1. 3~1. 9 0. 8~1. 2 1. 2~1. 8 1. 3~1. 7 0. 7~1. 8 1. 3 2. 1 1. 8

2

0. 20a 0. 10

0. 30a 0. 15

其他成分 Cd :0. 2 Mn :0. 5

研制者
Alcoa ( 美)

Cd : 0. 1~0. 2 Mn :0. 4~0. 8

前苏联
Alcoa ( 美) Pechinery Alcan ( 英)

0. 10a 0. 20a 0. 10 0. 15
a

0. 12a 0. 30a 0. 10 0. 20
a

0. 20a
a

0. 30a
a

0. 10a 0. 20 0. 10

0. 15a 0. 15 0. 15

Sc : 0. 1~0. 2 Sc :0. 1~0. 2 Be :0. 2~0. 3

0. 10a 0. 10
a

0. 15a 0. 15
a

0. 05

0. 11

0. 10a 0. 10a 0. 12 0. 12
a

0. 15a 0. 15a 0. 15a 0. 15a 0. 15
a

0. 12a
a

Ag :0. 25~0. 6

0. 12a 0. 12a 0. 10a 0. 10 0. 10 0. 10
a

0. 15a 0. 15a 0. 10a 0. 10
a

Ag :0. 25~0. 6 、 :0. 25a Zn Mn :0. 35 、 :0. 35 a Zn Mn :0. 30 、 :0. 05 a Zn Ag :0. 25~0. 8 Ag :0. 4 、 :0. 5 Zn

0. 10a
a a

0. 10a 0. 10a 0. 10
a

Mn :0. 3 、 :0. 6 Zn Mn :0. 3 、 :0. 6 Zn

等静压 、 喷射沉积 、 急冷快速凝固制粉等 ) 。其中快速凝固技术 使 Al2Li 合金中的 Li 含量增加 ,大幅度降低了合金的密度 。耐 高温快速凝固 Al2Li 合金中含有不溶性的过渡族元素和稀土元 素 ,可生成稳定的弥散相 ,能有效地阻碍平面滑移 , 有助于合金 强韧化 。由于冷却速度较高 ( 可达 10 3 ℃ s ) , 大大提高了合金 / 元素的溶解度 , 使微观组织均匀细小 ,减少了偏析 , 从而改善了 合金塑性 ,提高了合金强度 。但该工艺存在流程长 、 粉末易氧 化、 铸锭尺寸小 、 成本高等问题 。

2. 3   其他制备方法

鉴于传统的合金制备方法存在的缺点 ,研究者已经开始探

索其他的一些更好的制备 Al2Li 合金的方法 。其中较有代表性 的有熔盐电解法和模拟微重力状态制备 。 的 ,它是将 LiCl2 KCl 系电解液放在经加工的陶瓷纤维容器中作 产品性能的影响 ,发现选用圆柱形铝作阴极可降低阴极裂开的 几率 ,提高产品纯度 。在制备过程中合金一直受熔盐保护 ,很大 程度上降低了对环境气氛的要求 ,简化了生产设备 ,在较低成本 下可制备出 H 含量符合要求 、 含量很低的合金 。目前熔盐 Na http://www.cnki.net 电解法制备 Al2Li 合金最初是日本芝甫工业大学开发研究

阴极 ,熔融 Al 作阳极进行电解 。徐君莉等 [6 ] 研究了工艺条件对

2 Sc :0. 1~0. 2
Ag :0. 4 Ag :0. 4

2 2 2 2 2 2 2 2

前苏联

前苏联

Martin Marietta & Reynolds ( 美)

美空军莱 特实验室

电解法只在实验室中进行研究 , 有些问题 ( 如降低钾含量 、 提高 锂含量等) 还需进一步解决 。 重力场中 Al2Li 合金是难混合金 , 但在微重力场中对难混 合金的熔炼提供了一个广阔空间 [7 ] 。耿桂宏等 [8 ] 研究了模拟微 重力状态下的合金制备 ,制出了我国第一台电磁模拟微重力装 置 ,提高了 Al2Li 合金中 Li 含量 ( 达 5 %~ 10 %) ,实现了 Al2Li 合金低密度的要求 ,合金中也未发现锂的偏析 ,且晶粒组织比其 它铝合金的组织更为致密 。模拟微重力熔炼比现在其他难混合 金的制备方法更为方便 ,成本也大大降低 。 高的力学各向异性 ,主要原因是合金对有害杂质具有较高的敏 感性 。微合金化是解决这些问题的良好方法之一 。 和塑性明显提高 [ 21 ] 。而 Zn 能明显促进 T1 相的析出和弥散分

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 。因此 ,国内外学者开展了 在 Al2Li 合金中添加微量 Ce 、 、 、 等稀土元素的研究 [9 ] ,结 Sc Y La 果显示稀土元素不同程度地改善了 Al2Li 合金的组织和性能 。 我国学者 [ 10 ,11 ] 研究发现 , 适量 Ce 能够减少合金中 Fe 、 、 Si Na 、 等杂质对塑性 、 K 断裂韧性的危害 ,改善合金的性能 。Ce 在 晶界偏析 ,能抑制晶界附近 Li 等溶质的贫化 , 改善合金本征疲 劳裂纹扩展抗力 ; 提高 Cu 原子的结合能 , 使 T1 相细化和弥散 化 ,从而提高合金的塑性 。此外 Ce 还能使板材平面内各向异性 的差异下降 , 但 对 不 同 序 列 的 Al2Li 合 金 Ce 的 作 用 有 所 不 同 [12 ] 。 Sc 是 3d 过渡族元素 ,又是稀土元素 , 在 Al2Li 合金中兼具 两者的作用 ,可提高合金强度 、 塑性 、 抗蚀性 、 焊接性 ,降低热裂 纹敏感性 。前苏联开发的含 Sc 的 Al2Li 合金已获得生产和应 用 。尹登峰等 [ 13 ] 的研究表明 , 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 Al 3 ( Sc1 - x ,Zr x ) 相 [ 14 ] ,能有效抑制合金的再 结晶的发生 。 桂全红等 [ 15 ] 的研究表明 ,添加 0. 1 % Y 能在不降低合金强 度的情况下改善合金的塑性 。而少量 La [16 ] 的添加可减少 Fe 、 Si 、 等杂质在晶界的偏聚 , 抑制δ 相的生长 , 减少 S′ Na ′ 相的析 出 ,延缓时效过程 , 且减小晶界无析出带宽度 ,从而改善合金的 断裂韧性 。

有研究表明 [ 9 ] ,对于二元 Al2Li 合金 ,Ag 富集在δ 粒子中 ′ 置换 Al 或 Li 原子 ,并增大δ 粒子与基体的错配度而起强化作 ′ 用 ,但 Ag 减小了 Li 在 Al 中的固溶度 ,使析出的δ 粒子体积分 ′ 数增大 。文献 [ 17 ,18 ] 研究了 Mg 对多元 Al2Li 合金的力学性能 和抗腐蚀性能的影响 。郑子樵等 [19 ] 还提出了 Ag 和 Mg 在 Al2 Cu2Li 合金中促进 T1 相析出的作用机理 。 国内外许多研究者分别研究了 Cd 、 、 、 对 Al2Li 合金 In Be Zn 的作用 [ 9 ] ,结果表明这几种金属能够提高合金的时效效果 。另 外 ,合金中掺入 In 能使合金中的δ 相和 S′ ′ 相发生变化 , In 还以 一种新相呈短棒状均匀分散在合金中 ,提高合金的强度 [20 ] 。In 和 Be 同时加入加速了 T1 相和θ 相的形成 ,使材料的强度 、 ′ 韧性

3   2Li 合金中的微合金化 Al
3. 1   稀土元素 3. 2   其他合金元素

Al2Li 合金的研究进展/ 高洪林等

?89 ?
布 ,提高合金的强度 ,但不改变合金的断裂机制 [22 ] 。 过渡族元素 ( Zr 、 、 、 、 、 等) 由于特殊的电子结构 Ti Hf Mn Cr V 和独特的性质 , 添加到 Al2Li 合金中对合金的性能有显著的改 善 [9 ] 。其中 Zr 的作用最多 ,既是最好的变质剂 , 又能提高再结 晶温度 ,阻碍位错滑移 ,提高合金塑性和断裂韧性 , 现在常用的
Li 合金的作用 ,发现 Hf 的掺入不仅使合金的塑性和断裂韧性 Al2Li 合金也大都含有一定量的 Zr 。Tomas [23 ] 研究了 Hf 对 Al2 20 世纪 80 年代 ,前苏联用焊接工艺代替传统飞机构件中

有明显提高 ,还提高了合金的抗腐蚀能力 。

4  焊接技术与工艺的研究

Al2Li 合金的塑性差 ,断裂韧性和短横向强度较低 , 且有较

Li 合金在航空航天工业中应用的关键 [24 ] 。国内外已采用不同

? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.

以铆接为主的工艺连接 Al2Li 合金结构件 ,减轻了结构重量 ,提 焊接方法 、 不同填充焊丝和热处理制度来提高 Al2Li 合金接头 强度系数 。

高了结构刚度 ,且节约能源 ,节省装配时间 。从此焊接成为 Al2

4. 1   熔化焊接

传统的焊接方法都属于熔化焊接 ,至今已采用的焊接工艺 有电弧焊 、 焊 、 TIG MIG 焊 、 激光焊 、 点焊 、 电阻焊 、 真空电子束 焊、 变极性等离子弧焊 ( V PPA) 等 。变极性等离子焊接技术用 于铝合金焊接 , 单道焊接铝合金厚度可达 25. 4mm 。在实际生 产中通常采用向上焊工艺 , 有利于焊缝的正面成形和熔池中氢 的逸出 ,减少气孔缺陷 。真空电子束焊接工艺是将被焊工件置 于真空环境中进行焊接 ,所得焊缝较窄 ,深宽比大 , 焊接应力和 变形较小 ,在工业各领域得到了广泛的应用 。 “九五” 期间 ,北京 材料与工艺研究所和中科院电工所合作研制了国内第 1 台真空 电子束焊机 [25 ] 。

4. 2   搅拌摩擦焊

搅拌摩擦焊是近 10 年发展起来的一种新型焊接技术 ,通过

高速旋转的搅拌头与被焊材料表面间生成的摩擦热而实现固相 性能优良 ,焊后残余应力和变形小 ,无烟尘 、 无飞溅 、 无辐射 , 不 需焊丝 ,不需气体保护 ,节能等优点 ,是对低熔点金属及其合金 连接最具前途的焊接方法 。ESAB 公司已制造可供商业应用的 搅拌摩擦焊机 ,并于 2002 年安装在 TWI 。 试件经受的热循环程度和温度场分布是搅拌摩擦焊研究的

连接 [ 26 ] 。与传统熔化焊接方法相比 , 它有焊接接头外观平整 、

重点内容之一 。Frigaard 等 [ 27 ] 研究了 Al2Li 合金搅拌摩擦焊试 件整体的热循环和温度场分布 , 发现焊缝中心经受的焊接热循 环温度最高 ,其周围材料的最高焊接温度随离中心的距离而逐 渐降低 。王大勇等 [28 ] 的研究表明 ,焊接接头组织由 3 个区域组 成 ,并发现焊核区发生了动态再结晶 ,热机影响区组织发生了弯 曲变形 ,而热影响区组织发生了回复和粗化反应 。

4. 3   焊接修补技术

铝合金结构件的焊接修补是航天器在生产和使用中不可避

免的问题 。焊接生产中的偶然因素以及运载器重复使用后 ,在
1995 年英国剑桥焊接研究所发明摩擦塞焊技术 ; 美国洛马公司

某些构件局部出现焊接缺陷 、 裂纹等都需要进行补焊 。对此 , 和国家宇航局马歇尔飞行中心进行了补焊工艺研究 ,并于 2000 年用于外贮箱焊接修补 。它不同于熔焊修补 ,在缺陷去掉前要 反复打磨和填充 , 比通常的熔焊修补强度高 20 % , 改善了补焊 http://www.cnki.net

?90 ?

材料导报   
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

   2007 年 6 月第 21 卷第 6 期

部位的力学性能 ,且不易产生焊接缺陷 。该工艺还可大大缩短 修补时间 ,降低成本 。 有人还提出激光补焊的设想 。但铝合金激光焊的难点在于 铝合金对 CO 2 激光束有极高的表面初始反射率 ( 90 %以上 ) , YA G 激光束反射率也接近 80 % , 此外铝合金激光束还易产生 气孔 ,这些问题都有待于深入研究 。

5  结束语
国内外已有一些牌号的 Al2Li 合金实现了工业化应用 , 但 还存在很多缺点 。鉴于当前 Al2Li 合金存在的不足 , 作者认为 对这类材料的研究将主要从以下 3 方面展开 : ( 1) 改进现有制备工艺 ,提出新的制备技术是提高 Al2Li 合 金综合性能的途径之一 。各种制备技术各有优缺点 ,将各种制 备方法优化组合 ,将可以提高产品性能 ,降低生产成本 。如在微 重力场中可以使重力场中难混的铝和锂较均匀地混合 , 而温压 工艺 [ 29 ] 是一种成本低廉 、 工艺简单的粉末冶金生产技术 , 把这 两种技术优化组合将可以生产出性能更优良 、 成本更低廉的 Al2Li 合金 。 ( 2) 目前微合金化研究多限于细化组织和抑制杂质危害等 方面 ,效果有限 [30 ] 。因此 , 在保持和提高合金元素已有效果的 基础上 ,应进一步探寻更有效的合金化途径 ,增加基体相与δ 相 ′ 界面的错配度 ,引入新的时效强化相并生成更有效的弥散相粒 子 ,使 Al2Li 合金的形变与断裂模式发生根本的转变 , 从而使 Al2Li 合金的性能得到根本改善 。 (3) 随着载人航天和可重复使用航天器的发展 ,新焊接技术 在航天工艺焊接生产中的应用将获得突飞猛进的发展 。总结现 有工作 ,不断改进已有焊接工艺 ,提出更优良的新工艺使合金的 接头强度系数提高 , 加上焊接自动化程度的提高将使 Al2Li 合 金获得更广泛的应用 。

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