（机械制造及其自动化专业论文）2099型铝锂合金的微合金化与性能初步研究.pdf

独创性声明 l i i i iit llt ll i lti l uiii 18 9 4 9 7 3 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的作品成果，也不包含为获得江苏大学或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承 担。 学位论文作者签名：叉棉 i 0 1 1 年6 月日 学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密函。 学位论文作者签名：炙粥 弛1 1 年6 月c 7 日 时j埘日 浒7 ：月 名、o 签 f礁年 教 州导2 指 江苏大学硕士学位论文 摘 在当今世界最先进的铝锂合金中，2 0 9 9 铝锂合金具有最低的各向异性、最 高的减重效果，同时还具有良好的抗腐蚀性、热暴露稳定性，以及杰出的耐超 低温性能等，是现代航空航天、武器装备非常重要的结构材料，其相关研究技 术资料处于高度保密状态。本文针对2 0 9 9 型铝锂合金的成分设计、微合金化( s r 、 s c ) 、合金制备、后续热锻压加工以及热处理工艺等进行研究探索，对其组织结 构、力学性能、抗腐蚀性能等进行了研究。所取得的创新成果如下： 锶微合金化高锌2 0 9 9 型铝锂合金( a 1 2 5 2 c u - 1 8 7 l i 1 1 9 z n 0 4 9 7 m g - 0 3 0 9 m n 一0 0 8 2 5 z r - 0 0 6 0 5 s r ，简称为2 0 9 9 s r 合金) 在h t l ( 固溶5 4 0 x 2h + 时效 1 2 1 x 1 4h + 1 5 1 x 4 8h ) 和h t 2 ( 固溶5 4 0 c x 2h + 5 5 0 x 2 6 7h + 时效1 2 1 x 1 4 h + 1 5 1 x 4 8h 1 两种热处理制度下，其硬度分别达至1 j 1 6 2 7h v 、1 5 4 1h v 。其抗 晶间腐蚀等级分别为接近3 级和4 级；其抗剥落腐蚀等级分别为e a 矛i p c 。硬度、 抗腐蚀性能完全超过2 0 2 4 - t 6 铝合金。与h t l 态合金相比，h t 2 态合金硬度降低主 要源自于位错密度的降低；抗晶间腐蚀性能的下降主要是由于晶粒长大，而抗剥 落腐蚀性能的提高则主要可能源自于晶粒等轴性的提高。 钪和锶复合微合金化的高锌2 0 9 9 型铝锂合金( 舢2 5 7 c u 1 8 6 l i 一1 3 1 z n - 0 4 2 0 m g 0 3 2 1 m n 0 0 7 3 5 z r 一0 0 9 4 3 s r 一0 0 4 3 3 s c 简称为2 0 9 9 s r - s c 合金) 在h t l 和h t 2 、h t 3 ( 固溶5 4 0 x 2h + t 6 时效1 2 1 x 2 4 h - 1 6 3 。c x 7 2h ) 、h t 4 ( 固溶5 4 0 2l l + t 8 时效9 6 x 4 8 h - 1 4 9 x 2 4 h ) 下的硬度值分别为1 7 4 6h v 、1 6 3 3h v 、 1 6 9 2h v 、1 7 3 7h v 。其抗剥落腐蚀等级分别为p c 、e c 、e a 、e b 。2 0 9 9 s r - s c 合金在h t l 和h t 2 状态下的晶间腐蚀等级均接近3 级。与2 0 9 9 s rh t l 合金相 比，2 0 9 9 s r - s ch t l 合金晶粒尺寸要细小得多，证明s c 的微合金化的确起到了 细化晶粒、抑制晶粒长大的作用，但抗晶间腐蚀性能并没有得到改善，说明晶 间腐蚀性能除与晶粒尺寸有关外还与其他因素有关。 研究了2 0 9 9 型铝锂合金的真空重熔及其在t 8 3 ( 预压缩变形3 4 + 时效 9 6 。c x 4 8 h - 1 4 9 * c x 2 4 h ) 时效状态下的硬度、拉伸性能和抗腐蚀性能。合金的硬度 为1 1 3 4 1 3 6 7h v ，导电率2 9 3 1 3 4 4 8 ，抗拉强度2 8 7 5 3 2 0 6m p a ，断面延伸 率2 1 1 2 4 0 ，抗晶间腐蚀性能达到3 级，抗剥落腐蚀性能达到p a p b 级。但真 2 0 9 9 型铝锂合金的微合金化与性能初步研究 空重熔过程中如何控制合金元素的失去是一个值得深入研究的课题。 本文的研究成果为高性能2 0 9 9 型铝锂合金的研制奠定了理论和技术基础， 打破了国外的垄断制约。 关键词：铝锂合金，2 0 9 9 ，微合金化，熔铸，热处理，微观组织，性能 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt o d a y sw o r l d sm o s ta d v a n c e da l u m i n u m - l i t h i u ma l l o y , 2 0 9 9a 1 一l ia l l o yh a s t h el o w e s ta n i s o t r o p y , t h eh i g h e s tw e i g h tl o s s ，b u ta l s oh a sg o o dc o r r o s i o nr e s i s t a n c e ， t h e r m a l e x p o s u r es t a b i l i t y , a n do u t s t a n d i n gr e s i s t a n c et ou l t r a l o wt e m p e r a t u r e p e r f o r m a n c e ，e t c i ti sv e r yi m p o r t a n ts t r u c t u r a l m a t e r i a li nm o d e r na e r o s p a c e ， w e a p o n sa n de q u i p m e n t ，t h er e l e v a n tr e s e a r c ht e c h n i c a l i n f o r m a t i o ni s h i g h l y c o n f i d e n t i a l i nt h i sp a p e r , 2 0 9 9a 1 一l ia l l o yc o m p o s i t i o nd e s i g n ，m i c r o a l l o y i n g ( s r ， s c ) ，a l l o yp r e p a r a t i o n ，f o l l o w u pt oh o tf o r g i n ga n dh e a tt r e a t m e n tp r o c e s sw e r e i n v e s t i g a t e dt oe x p l o r ei t ss t r u c t u r e ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，a n dc o r r o s i o nr e s i s t a n c e ， e r e i n n o v a t i o n sh a db e e nm a d ei nt h es t u d ya sf o l l o w i n g ： t h eh a r d n e s so f as rm i c r o a l l o y e d2 0 9 9t y p ea l u m i n u ma l l o yw i t hh i g hz i n c ( a l 一2 5 2 c u - 1 8 7 l i 1 19 z n 一0 4 9 7 m g - 0 3 0 9 m n - 0 0 8 2 5 z r - 0 0 6 0 5 s r ，r e f e r e d t oa s 2 0 9 9 一s ra l l o y ) i nb o t hh t l ( s o l u t i o n ：5 4 0 c x 2h ；a g i n g ：1 2 1 c x l 4h + 1 5 1 。c x 4 8h ) a n dh i 2 ( s o l u t i o n ：5 4 0 。cx 2h + 5 5 0 。cx 2 6 7h ；a g i n g ：1 21 。cx1 4h + 151 0 x 4 8h ) h e a t t r e a t m e n ta r e16 2 7 h va n d15 4 1h v i t si n t e r g r a n u l a rc o r r o s i o nl e v e l sw e r ec l o s et o 3a n d4 ；t h ec o r r o s i o nr a t i n go fe x f o l i a t i o nc o r r o s i o ni nh t li se a ，w h i l et h el a t e ri s g o o dw i t ht h ec o r r o s i o nr a t i n gi sp c t h eh a r d n e s sa n dt h ec o r r o s i o nr e s i s t a n c ea r e b o t hb e r e tt h a n2 0 2 4 - t 6a l l o y c o m p a r e dw i t l lh t ls t a t e h t 2s t a t ea l l o yh a r d n e s s d e c r e a s e dm a i n l yd e r i v e df r o mt h ed e c r e a s e di nd i s l o c a t i o nd e n s i t y ；i t si n t e r g r a n u l a r c o r r o s i o nr e s i s t a n c eo fd e c l i n ei s m a i n l yd u e t o g r a i ng r o w t h ，a n di n c r e a s e d r e s i s t a n c et oe x f o l i a t i o nc o r r o s i o nm a yb em a i n l yd e r i v e df r o me q u i a x e dg r a i n so f i m p r o v e m e n t t h eh a r d n e s so fas ra n ds cm i c r o a l l o y e d2 0 9 9t y p ea l u m i n u ma l l o yw i t h h i g hz i n ( a 1 2 5 7 c u - 1 8 6 l i 1 3 1 z n - 0 4 2 0 m g 。0 3 2 1 m n _ 0 0 7 3 5 z r - 0 0 9 4 3 s v 0 0 4 3 3 s e ， r e f e r e dt oa s2 0 9 9 - s ra l l o y ) i nh t l 、h t 2 、h t 3 ( s o l u t i o n ：5 4 0 。c x 2h ；a g i n g ：1 2 1 c x 2 4 h 十1 6 3 7 2h ) a n dh t 4 ( s o l u t i o n ：5 4 0 x 2h ；a g i n g ：9 6 。c x 4 8h + 1 4 9 。c x 2 4h ) h e a t t r e a t m e n ta r e1 7 4 6 h v , 1 6 3 3h 钐1 6 9 2h v1 7 3 7h v t h ec o r r o s i o nr a t i n go f e x f o l i a t i o nc o r r o s i o ni nd i f f e r e n th e a tt r e a t m e n ta r ep c 、e c 、e a 、e b i t si n t e r g r a n u l a r i i i 2 0 9 9 型铝锂合金的微合金化与性能初步研究 c o r r o s i o nl e v e l sw e r ec l o s et o3 t h eg r a i ns i z eo f2 0 9 9 - s r - s ch t la l l o yi sm u c ht o s m a l lt h a n2 0 9 9 一s rh t la l l o y , s os cm i e r o a l l o y i n gi n d e e da b l et or e f i n et h eg r a i n , i n h i b i tg r a i ng r o w t h ，b u tr e s i s t a n c et oi n t e r g r a n u l a rc o r r o s i o na n dn o ti m p r o v e d ，s oi n a d d i t i o nt ot h es i z eo ft h eg r a i n ，t h ei n t e r g r a n u l a rc o r r o s i o nr e l a t e dt oo t h e rf a c t o r s t h ev a c u u mm e l t i n ga n dt h eh a r d n e s s ，t e n s i l ep r o p e r t i e sa n dc o r r o s i o n r e s i s t a n c ei nt h e a g i n gs t a t eo ft 8 3o f2 0 9 9t y p ea l u m i n u m l i t h i u ma l l o yw e r e i n v e s t i g a t e d i n t h i s p a p e r , f o rw h i c hi s e q u i v a l e n t t o ( 3 4 ) + 9 6 * cx 4 8 h + 1 4 9 * cx 2 4 h t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ea l l o yh a r d n e s si sb e t w e e n113 4 h va n d13 6 7h v , t h ec o n d u c t i v i t yi sb e t w e e n2 9 31 a n d3 4 4 8 ，t h et e n s i l e s t r e n g t hi sb e t w e e n2 8 7 5m p aa n d3 2 0 6m p a ，t h es p e c i f i cd o n g a t i o ni sb e t w e e n 21 1 a n d2 4 0 ，t h er e s i s t a n c et oi n t e r g r a n u l a rc o r r o s i o nc a nr e a c h3 ，a n dt h e e x f o l i a t i o nc o r r o s i o nr e s i s t a n c el e v e lc a na c h i e v ep a p b b u th o wt oc o n t r o lt h e l o s so fa l l o y i n ge l e m e n t si nt h ev a c u u mr e m e l t i n gp r o c e s si sw o r t h yo ff u r t h e rs t u d y t h er e s e a r c ho ft h i sp r o j e c td e v e l o p e dat h e o r e t i c a la n dt e c h n i c a lf o u n d a t i o n f o r t h e d e v e l o p m e n to f2 0 9 9a 1 - l ia l l o yt ob r e a kt h em o n o p o l yo ff o r e i g n c o n s t r a i n t s k e yw o r d s ：a 1 一l ia l l o y , 2 0 9 9 ，m i c r o a l l o y e d ，c a s t i n g ，h e a tt r e a t m e n t ， m i c r o s t r u c t u r e ，p r o p e r t y ? ， 1 、 r v 二 i v ， 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 目录 1 1 课题研究背景1 1 2 铝锂合金的发展动态及应用1 1 2 1国外铝锂合金的发展动态1 1 2 2国内铝锂合金的发展动态5 1 32 0 9 9 铝合金的合金化及微合金化。6 1 3 1主要合金化元素及其作用6 1 3 2 微量元素对铝锂合金的作用7 1 4 杂质元素对铝锂合金的影响8 1 4 1 氢一9 1 4 2铁和硅9 1 4 3 钠、钾、钙的影响一9 1 5 铝锂合金性能提高的主要途径：。9 1 5 1 微合金化：j ：- o 9 1 5 2 形变热处理1 0 1 5 3 纯净化处理1 0 1 5 4 再结晶、在不同方向上拉伸或冷轧、锻造、减小变形量、改变弥 散相类型等方法l o 1 6 铝锂合金的腐蚀类型11 1 7 本论文课题来源、研究内容1 2 1 7 1 课题来源1 2 1 7 2研究内容1 2 1 8 本章小结1 2 第二章组织性能测试方法 2 1 引言13 2 2 组织结构分析1 3 2 2 1 金相观察1 3 2 2 2s e m 分析1 3 2 2 3 x r d 分析一1 3 v 2 0 9 9 型铝锂合金的微合金化与性能初步研究 2 3 力学性能测试1 4 2 3 1 硬度测试1 4 2 3 2拉伸性能测试1 5 2 4 抗腐蚀性能分析16 2 4 1 晶间腐蚀1 6 2 4 2 剥落腐蚀1 6 2 5 本章小结1 7 第三章合金制备及后续加工。 3 1 合金成分设计18 3 22 0 9 9 型铝锂合金制备19 3 2 1 原材料一1 9 3 2 2 浇注模具设计2 0 3 2 3熔炼、浇注工艺2 l 3 3 铝合金铸锭的均匀化退火处理2 2 3 4 铝合金铸锭的热锻压工艺：j 2 3 3 5 合金实际成分测定i 2 5 3 6 热处理工艺一2 5 3 7 本章小结2 8 第四章锶微合金化2 0 9 9 型铝锂合金组织和性能研究2 9 4 1 前言2 9 4 2 组织结构3 0 4 3 硬度及抗拉强度预测3 2 4 4 抗腐蚀性能3 2 4 4 1 晶间腐蚀3 2 4 4 2 剥落腐蚀3 3 4 5 讨论3 4 4 5 1 固溶制度对2 0 9 9 s r 合金位错密度及位错强化的影响3 4 4 5 22 0 9 9 s r 铝锂合金抗腐蚀性能分析3 5 4 5 3固溶时效制度对锶微合金化2 0 9 9 s r 铝锂合金抗腐蚀性能的影响3 8 4 6 本章小结3 8 江苏大学硕士学位论文 第五章钪和锶复合微合金化的高锌2 0 9 9 型铝锂合金组织和性能研究4 0 5 1 组织结构4 1 5 2 硬度及抗拉强度预测一4 4 5 3 抗腐蚀性能j 4 5 5 3 1 晶间腐蚀4 5 5 3 2 剥落腐蚀：4 6 5 4 讨论z 1 7 5 4 1固溶制度对2 0 9 9 s r s e 合金位错密度及位错强化的影响4 7 5 4 22 0 9 9 s r s c 铝锂合金抗腐蚀性能分析4 9 5 5 本章小结5 1 第六章真空重熔2 0 9 9 型铝锂合金的组织与性能研究5 3 6 1 合金制备5 3 6 1 1 合金的锻造加工5 3 6 1 2 合金的真空重熔及外场凝固一5 4 6 2 合金热处理制度_ 5 5 6 3 实验及结果分析5 5 6 3 1合金硬度及电导率5 5 6 3 2 真空重熔微合金化2 0 9 9 型铝锂合金的拉伸性能及断口s e m 形貌 5 6 6 3 3合金的抗晶间腐蚀及剥落腐蚀性能5 7 6 4 本章小结5 9 全文研究工作总结。 本文研究的创新点。 需要进一步研究的工作6 4 参考文献6 5 致谢 攻读硕士学位期间成果 7 0 v i l 2 0 9 9 型铝锂合金的微合金化与性能初步研究 江苏大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第一章绪论 锂( l i ) 是自然界中最轻的金属元素，其密度只有0 5 3 5 e d 锄3 向铝中每加入 1 2 叭( 质量百分比) 的l i ，可使合金密度下降3 , - 一1 0 ，弹性模量提高5 2 0 。 在当今世界最先进的铝锂合金中，2 0 9 9 型铝锂合金( 也称为c 4 6 0 合金，一种 a 1 c u l i z n - m g - z r 合金) 具有最低的密度( 代替传统的2 x x 、6 x x x 、7 x x x 铝合金 具有7 - - 1 7 的减重效果) 、低的各向异性、高的弹性模量，同时还具有较好的强 度、抗腐蚀性、耐超低温性能、热暴露稳定性、可焊等众多性能，目前已在a 3 8 0 上大量应用。2 0 0 7 年中国航空学会学术年会就大飞机关键技术进行了深入探讨， 飞机设计和航空材料专家们普遍认为，国内应加紧对2 0 9 9 这类铝合金的研究，意 义重大。迄今为止，国内对2 0 9 9 型铝锂合金的研究尚未见报道；而国外有关2 0 9 9 型铝锂合金的报道也极少，特别是在其铸锭制造技术、热机械加工技术、坂材 型材制造技术方面尚未见报道。 由于锂是一种非常活泼的元素，铝锂合金在潮湿和盐雾等环境中极易发生腐 蚀，引起强度、塑性以及疲劳性能的大幅度下降，缩短材料的使用寿命，甚至导 致意想不到的事故的发生【l 】。为了提高铝锂合金的强韧性，第三代铝锂合金增加 了c u 含量，这对铝锂合金的抗腐蚀性能提出了更严峻的挑战【2 卅。迄今为止，对 于a 1 “合金腐蚀性能的研究较多的是2 0 9 0 、8 0 9 0 及2 1 9 5 等合金，而对2 0 9 9 型 铝锂合金的腐蚀性能的研究国内外还没有相关的公开报道。 合金化及微合金化是提高铝合金组织和性能的有效手段。为制造出性能高的 2 0 9 9 型铝锂合金，并拥有自主知识产权打破国外的垄断制约，本课题在2 0 9 9 铝 锂合金中添加微量s r 、s c 等微合金化元素，同时适当提高z n 的含量。 1 2 铝锂合金的发展动态及应用 1 2 1国外铝锂合金的发展动态 铝锂合金的研制至今已有7 0 多年的历史，其研究历程如图1 - 1 所示。欧美国 2 0 9 9 型铝锂合金的微合金化与性能初步研究 家以及前苏联铝锂合金化学成分表如表1 1 、1 2 所示。 图1 - 1 铝锂合金开发历程图 f i g 1 - 1h i s t o r yo f a l 一l ia l l o yd e v e l o p m e n tp l a n t s 表1 1 欧美国家铝锂合金化学成分表 t a b l e1 le u r o p ea n dt h eu n i t e ds t a t e sc h e m i c a lc o m p o s i t i o no f a l 一l ia l l o y 合金注册时 密度 开发国l jc u m ga g z rm nc rz ao t h e r sa i 牌号 闯 g c m 3 2 0 2 01 9 4 2 u s a1 o4 5 o 8o 1 5 c dh a l 2 0 9 01 9 8 4 8u s a1 9 2 62 4 - 3 0o 30 0 8 o 1 50 0 50 0 5o 1 0b a l 2 0 9 11 9 8 5 8 f r a n c e 1 7 2 31 8 2 51 1 一1 90 0 4 - 0 1 60 1 00 10 2 5b a l 2 0 9 41 9 9 0 6u s ao 7 _ 1 44 4 - 5 20 2 5 o 8o 2 5 加60 0 4 - - o 1 80 2 5o 2 5b a l2 7 2 2 0 9 51 9 9 0 6u s a 0 7 一1 53 9 - - 4 6 o 2 5 80 2 5 - 0 60 0 4 - o 1 8o 2 5o 2 5h a l 2 6 8 2 1 9 51 9 9 1 2 1 lu s a0 8 一1 23 7 - - 4 30 2 8 - o 8o 2 5 一o 60 0 8 - 0 1 60 2 5o 2 5b a l2 7 l 2 0 9 61 9 9 3 4u s a1 3 一1 92 3 3 00 2 5 - 0 8o 2 5 加60 0 4 , - 0 1 80 2 50 笛h a l2 6 2 2 0 9 71 9 9 3 6u s a 1 2 1 82 5 - 3 1 o 4 0 0 8 - 0 1 60 1 0 6 o 3 5 b a l 2 1 9 7 1 9 9 3 9u s a 1 3 一1 72 5 3 1o 30 0 8 o 1 5o 1 加50 0 5b a l 5 0 9 i1 9 9 2 1u s a1 2 一i 43 7 4 上1 o 1 3 ch a l 8 0 9 01 9 8 5 3e a a2 2 2 71 o 1 60 6 1 3 0 0 4 4 ) 1 6o 1 0 1 o 2 5b a l 8 0 9 l 1 9 9 0 2u k2 4 2 81 6 2 2 0 5 一1 20 0 8 加1 6o io 1o 2 5b a l 8 0 9 3f r a n c e1 9 2 61 0 1 60 9 - - 1 60 0 4 一o 1 40 1o 1o 2 5b a l 2 江苏大学硕士学位论文 表1 2 前苏联铝锂合金化学成分表 t a b l e1 - 2t h ef o r m e rs o v i e tu n i o n sc h e m i c a lc o m p o s i t i o no f a l l ia l l o y 合金 注册 开发 密度 “ c u m ga g 乃 i v l nc r历o t h e r sa l 牌号时问国 嘻强圣 1 4 2 0r u s s i a2 25 oo 10 5b a l2 4 7 4 9 1 4 2 lr u s s i a1 8 2 14 9 5 50 0 8 0 1 50 1 o 2 s cb a l2 4 7 2 4 9 1 4 3 0r u s s i a1 5 1 91 5 一1 82 5 3 oo 0 8 一旬1 4s c b c yb a l2 5 8 1 4 2 3 r u s s i a 1 8 2 13 2 _ 20 0 6 - 0 10 1 加2 s c i r a l 2 4 8 2 5 2 1 4 4 0r u s s i a2 11 41 oo 1o 0 5 b _ eb a l2 4 8 1 4 2 9r u s s i a1 8 2 34 8 - - 6 0 0 0 8 加1 5 0 2 - - 0 3 b eb a l2 4 5 2 4 7 1 4 4 1r u s s i a1 9 1 7 0 9o 1 b a l 1 4 5 lr u s s i a1 5 1 82 7 3 20 0 8 o 1 6b a l2 6 0 1 4 5 0r u s s i a2 1 3 o o 1o 0 3 c e b a l2 5 8 o 2 加6 1 4 7 0 r u s s i a 2 扣z 6o 3 田81 2 一1 9o 0 8 m 1 4o 0 5 0 6 m i b a l t i o 0 3 c e 1 4 6 0r u s s i a2 o - 2 52 5 3 5o 1 5b a l 2 5 8 o 1 s c b 且 r u s s i ao 9 - 1 44 s - 5 30 1 加2 c o0 4 - - 0 8 m nb a l2 5 8 a2 3 前苏联对铝锂合金的研究、生产和应用是有计划、有步骤、紧密结合实际进 行的。中强、可焊的1 4 2 0 铝锂合金是俄国研究、使用最成熟的一种铝锂合金，该 合金7 0 年代用于铆接的直升飞机和军舰上，8 0 年代以焊接代替铆接结构用于米 格2 9 超音速战斗机机身、油箱、座舱，共减轻重量2 4 。高强度1 4 5 0 合金板材， 其哪达5 8 0m p a ，o o 2 达4 9 0m p a ，延伸率达到9 【5 】，该合金作为非焊接结构用 于现代运输机挤压结构件的机身翼外板、肋、门和骨架等部位。8 0 年代已将1 4 6 0 合金用于制造俄国大型运载火箭“能源号 低温储箱，并且该合金制作的液氧储 箱于1 9 9 6 年用于美国d cx a 运载器，减重2 0 。迄今为止，在俄国，铝锂合金 已用于火箭、航天飞机、军用飞机米格2 7 、3 3 、2 9 ，苏2 7 、安7 0 t ，民用飞机 图2 0 4 、1 4 4 上。 美国在世界上开创了应用铝锂合金的先例，早在上世纪5 0 年代就将2 0 2 0 合 金用在海军r a 5 c 预警飞机主翼上、下表面和垂直尾翼上，使飞机重量减轻6 。 这种飞机生产1 7 7 架，服役近2 0 年，于1 9 6 9 年停止生产。美国在经过8 0 年代的 铝锂合金研究的高潮后对铝锂合金的应用也进入实际应用阶段。通用动力公司用 2 0 9 0 - t 3 合金制成的3 0 根翼梁、3 块搭接蒙皮和三个中间框架作宇宙神有效载荷 3 2 0 9 9 型铝锂合金的微合金化与性能初步研究 舱的零件和装配件，和原来所用的2 0 2 4 - t 3 合金相比，减重8 。麦道公司用 2 0 9 0 - t 8 1 代替2 0 1 4 t 6 合金制造了d d t a 运载火箭低温储箱试验件，焊后结构重 量减轻5 1 5 。c 1 7 军用运输飞机上使用了重2 8 4 6k g 的2 0 9 0 t 8 3 薄板、t 8 6 挤压件，用在飞机的隔框、地板、襟翼蒙皮、垂直尾翼上。洛克西德马丁公司 利用8 0 9 0 合金铆接制造了a t l a s 有效载荷舱，使结构件减重1 8 2k g 铺】。美国由 m a r t i nm a r r i e r a 公司发明，r e y n o l d sm e t a l 公司制造了a 1 c u l i a g - m g 系的具有 良好可焊性的超高强w e l d f l i t e0 4 9 合金，并在此基础上开发成功了2 0 9 4 、2 0 9 5 、 2 0 9 6 、2 0 9 7 、2 1 9 5 、2 1 9 7 等一系列改进型第三代铝锂合金。引人注目的是超高强 的2 1 9 5 合金从定型生产到将9 0 吨重的该合金用于航天飞机的液氢、液氧贮箱仅 4 年时间，而且美国还决定单级入轨重复使用的跨世纪运载火箭x - 3 3 的液氧箱也 使用了此合金。1 9 9 7 年1 2 月美国“奋进号航天飞机外储箱用2 1 9 5 合金取代2 2 1 9 合金，使航天飞机的运载能力提高了3 4t 6 】。2 1 9 7 合金比当前战斗机用的2 1 2 4 铝合金的疲劳强度高、密度小，已用于f 1 6 战斗机的后隔框和大梁。美铝已经开 ，发出一种飞机用铝锂合金2 0 9 9 ，原来称为c 4 6 0 。该合金可以用来加工强韧性要 一求高、耐疲劳、抗腐蚀性能和可焊接性能良好的部件制造。添加锂则提高了铝合 。1 金的强度并降低了材料密度。2 0 9 9 铝锂合金有两种回火状态，一种为a 1 l i ，r i + 2 0 9 9 t 8 3 ( 原来t 8 e 6 5 ) ，厚度可从1 2n l l i l 到7 6m n l ，具有高强度和优异抗腐蚀性 能，具有中等抗断裂韧性。另一种为t 8 e 6 7 ，虽然强度较低，但具有非常高的断 裂韧性和优异的抗疲劳龟裂性能。2 0 9 9 铝合金具有很好的燃料效率、可以减少二 氧化碳排放，同时可以降低成本、提高耐久性以及安全可靠性，因此可用于一系 列飞机零部件。通过控制并精炼合金成分，2 0 9 9 铝锂合金产品抗腐蚀性能和裂纹 扩展性能得到较大改善。2 0 9 9 铝锂合金比其它合金部件更耐疲劳损伤，使用期限 更长。其中新型铝锂合金挤压型材和板材由于密度降低和力学性能提高，因此重 量减轻。比如说采用2 0 9 9 t 8 3 挤压材制成的飞机横梁，用2 0 9 9 t 8 e 6 7 挤压材制 成的低机翼纵梁以及用2 0 9 9 t 8 e 7 7 板材制成的飞机部件，使飞机在重量方面与 传统合金相比，降低了7 1 7 。 最早研制的铝锂合金是德国1 9 2 4 年研制的s c l e r o n 合金，该合金l i 含量很低， 仅为0 1 。英国1 9 8 5 年由a l c a n 公司研制出8 0 9 1 合金，同时法国p e c h i n e y 公司 研制出2 0 9 1 合金，英法两国合作研制出8 0 9 0 合金。欧洲各国的铝锂合金研究及 4 江苏大学硕士学位论文 应用主要以与其他国家合作的方式进行，未形成自己独特的体系。其中比较成功 的应用是e h 1 0 1 对潜多用途武装直升机采用8 0 9 0 、2 0 9 1 、5 0 9 1 铝锂合金减重2 0 0 k 机。e f a 战斗机采用8 0 9 0 、2 0 9 0 等铝锂合金厚板薄板，制作零部件达2 0 0 0 件，占总体结构部件的2 0 。空中客车a 3 3 0 3 4 0 分别采用了8 0 9 0 挤压件、厚板、 锻件和2 0 9 0 薄板。铝合金在空客a 3 8 0 的用材上所占的比重最大，达到机体结构 重量的6 1 之多，因此要实现性能改进，必须开发富有创新的铝合金材料和各项 工艺技术，具体是提高合金强度和损伤容限，同时加强稳定性并提高抗腐蚀性能。 空客a 3 8 0 采用了大量的2 0 9 9 、2 1 9 9 、2 1 9 6 等新型铝锂合金用于飞机的地板梁， 如横梁、座椅滑轨、座舱以及应急舱地板结构、电子设备安装架及角形物等关键 部位，机身可减重几百公斤。俄罗斯下一代窄体客机如m s 2 1 将采用复合材料机 翼和尾翼，而机身将采用先进合金如铝锂合金制成。 1 2 2 国内铝锂合金的发展动态 我国的铝锂合金研究和应用尽管起步较晚，但经过三个五年计划的材料研究 与应用开发后，国产铝锂合金已在航空航天工业中试用，其中1 4 2 0 合金深冲模锻 件已用于我国最新运载火箭。我国的铝锂合金研究起步于上世纪6 0 年代初，东北 轻合金加工厂科研所曾仿制过2 0 2 0 合金，试制出代号为s 1 4 1 的铝锂合金板材， 但未能实现工业生产和应用【9 1 。8 0 年代国家科委将铝锂合金的研究列为重点攻关 项目原中南工业大学、东北大学、西南铝加工厂、航天7 0 3 所、航空6 2 1 所承担 了铝锂合金研究的国家攻关任务。“七五 期间，主要进行合金的熔铸、加工工 艺探讨，研制成功了仿2 0 9 1 中强铝锂合金，但未进入工业化规模生产。“八五 期间我国的铝锂合金研究工作掀起高潮，研制出中强可焊的1 4 2 0 合金和高强度的 2 0 9 0 合金，并生产出小规模板材、型材。在此期间，自行研制建立了我国第一条 1 吨级铝锂合金熔炼机组。“九五 期间我国从俄罗斯引进的6 吨级铝锂合金熔 炼机组和技术已通过验收，现已能生产出3 1 0 x1 2 8 0 x 3 0 0 0m m 的扁锭和6 5 0 i n l n 圆锭，这表明我国铝锂合金的研究工作已达到工业生产规模【l o 】。目前，国内 外对a 1 “合金腐蚀性能的研究，主要集中在2 0 9 0 、8 0 9 0 及1 4 2 0 等牌号的合金 上，普遍认为t l 或晶界无析