先進(jìn)鋁鋰合金的發(fā)展及應(yīng)用

楊富強(qiáng)，熊 慧，任柏峰，王祝堂，宋仁伯

（1.有色金屬技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究院，北京 100080；2.中國(guó)有色金屬加工工業(yè)協(xié)會(huì)，北京 100814；3.北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083）

含鋰（Li）的鋁合金統(tǒng)稱為鋁鋰合金。鋰是世界上發(fā)現(xiàn)最輕的金屬元素（0.534g/cm3），向鋁合金基體中每添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的Li元素，降低合金密度3%，彈性模量上升5%～6%[1]。鋁鋰合金材料是近年來(lái)航空航天材料中發(fā)展最為迅速的一種先進(jìn)輕量化結(jié)構(gòu)材料，具有密度低、彈性模量高、比強(qiáng)度和比剛度高、疲勞性能好、耐腐蝕及焊接性能好等諸多優(yōu)異的綜合性能。用其代替常規(guī)的高強(qiáng)度鋁合金可使結(jié)構(gòu)質(zhì)量減輕10%～20%，剛度提高15%～20%，因此，在嚴(yán)格控制重量的航空航天領(lǐng)域顯現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景。

1 鋁鋰合金的發(fā)展與主要應(yīng)用

鋁鋰合金的發(fā)展歷史大致可以分為四個(gè)階段，各階段的典型合金牌號(hào)及化學(xué)成分詳見(jiàn)表1。第一階段為初步發(fā)展階段，主要集中于20世紀(jì)50年代～60年代，1924年德國(guó)開(kāi)發(fā)了第一個(gè)鋁鋰合金（Scleron，Al-12Zn-3Cu-0.5Mn-0.1Li），但未受到重視。1957年，美國(guó)鋁業(yè)公司（Alcoa）成功研發(fā)2020合金，并將其應(yīng)用于海軍RA-5C軍用預(yù)警飛機(jī)的機(jī)翼蒙皮和尾翼水平安定面上，獲得了6%的減重效果[2]；蘇聯(lián)在20世紀(jì)60年代成功研制了BAд23合金。這兩款合金被認(rèn)為是第一代鋁鋰合金，但延展性低，缺口敏感性高、加工生產(chǎn)困難、價(jià)格昂貴，無(wú)法滿足航空生產(chǎn)及性能要求，未取得進(jìn)一步的應(yīng)用[3]。

20世紀(jì)60年代中期，在能源危機(jī)所帶來(lái)的輕量化要求刺激下，鋁鋰合金被重新重視并進(jìn)入了快速發(fā)展階段。該階段具有代表性的合金有：蘇聯(lián)研制的1420合金，美國(guó)鋁業(yè)公司的2090合金，加拿大鋁業(yè)公司（Alcan，2007年被力拓收購(gòu)）的8090和8091合金等。這些合金具有密度低、彈性模量高等優(yōu)點(diǎn)，可用其替代航空航天器部分2xxx和7xxx鋁合金。1420合金被應(yīng)用于蘇聯(lián)米格-29、蘇-35等戰(zhàn)斗機(jī)及一些遠(yuǎn)程導(dǎo)彈彈頭殼體。2090合金板材被用于制造美國(guó)F～18飛機(jī)的深測(cè)器蓋[4]。8090合金被用于制造“大力神”運(yùn)載火箭的有效載荷艙，減重182kg；同時(shí)8090合金在歐洲以各種產(chǎn)品形式用于EH101直升機(jī)，被稱認(rèn)為是最成功的第二代鋁鋰合金。但是第二代鋁鋰合金缺點(diǎn)有：強(qiáng)度水平總體較低（一般＜500MPa）；各向異性嚴(yán)重，短橫向強(qiáng)度較低；塑韌性水平較低，裂紋敏感性高；熱穩(wěn)定性低，80℃～100℃長(zhǎng)期使用，脆性增加；大部分合金不可焊接；加工性能差。因此，第二代鋁鋰合金難以與7xxx鋁合金競(jìng)爭(zhēng)，其應(yīng)用范圍相對(duì)有限[5]。

20世紀(jì)90年代以后，低成本發(fā)射裝置、超輕油箱計(jì)劃、重復(fù)使用的航天器核心計(jì)劃促使鋁鋰合金進(jìn)入廣泛發(fā)展應(yīng)用的第三階段。此階段開(kāi)發(fā)出的鋁鋰合金主要有高強(qiáng)可焊的1460和Weldalite系列合金，高韌的2097、2197合金，低各向異性的AF/C-489、AF/C-458合金等[7]。相比第二代鋁鋰合金，第三代合金的Li、Mg元素含量下降，增加Ag等固溶強(qiáng)化合金元素。Ag對(duì)鋁鋰合金起到固溶強(qiáng)化和時(shí)效強(qiáng)化的作用，在與Mg同時(shí)添加的條件下，效果更佳[2，8]。合金密度適當(dāng)下降，比常規(guī)鋁合金低5%～8%；強(qiáng)度與韌性平衡組合；耐損傷、抗疲勞性能優(yōu)良；低各向異性；耐腐蝕；熱穩(wěn)定性好，有較好的耐熱性；良好的加工成形性，適用于激光束焊接、摩擦攪拌焊接、時(shí)效成形；相對(duì)高的性價(jià)比。第三代鋁鋰合金以低各向異性和高強(qiáng)可焊性完全顛覆了對(duì)鋁鋰合金的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)，并被成功應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域中。含Sc的1460合金用于蘇聯(lián)“能源號(hào)”火箭燃料貯箱，并于1988年成功發(fā)射。1994年，為解決“奮進(jìn)號(hào)”航天飛機(jī)外貯箱的超重問(wèn)題，洛克希德·馬丁公司聯(lián)合雷諾茲金屬公司研發(fā)出新型2195合金以取代之前的2219合金。前者比后者輕5%，而其強(qiáng)度則比后者高30%，用于制造航天飛機(jī)的低溫燃料箱，減重3405kg。2196合金具有低密度、高強(qiáng)度和高的斷裂韌性，原為哈勃望遠(yuǎn)鏡太陽(yáng)能板邊框研發(fā)，之后其擠壓材用于制造商用飛機(jī)結(jié)構(gòu)件。2197合金被應(yīng)用于F-35后機(jī)身整體框和壁板，以及F-16后機(jī)身隔框和中機(jī)身大梁。2098合金具有較高的疲勞性能，原為休斯通訊衛(wèi)星終端研發(fā)，后用于制造F-16戰(zhàn)機(jī)的機(jī)身[9]。2198合金利用摩擦攪拌焊和旋壓成型技術(shù)被用于Space X公司的獵鷹9號(hào)（Falcon 9）火箭推進(jìn)劑貯箱和端蓋[10]。2050合金厚板用于取代7050-T7451合金材料制造商用飛機(jī)結(jié)構(gòu)與發(fā)射車(chē)，替代2195合金用于戰(zhàn)神V型貨運(yùn)火箭[11]。2099合金被廣泛應(yīng)用于空客A380機(jī)型，如2099-T83擠壓件用于地板橫梁及座位導(dǎo)軌，2099-T8E67擠壓件用于機(jī)翼縱梁，2099-T8E77被用于飛機(jī)的其他零部件。2010年，肯聯(lián)（Constellium）位于法國(guó)的伊蘇瓦工廠（Issoire）開(kāi)始為空客A380XWB寬體客機(jī)供應(yīng)AIRWARE系列鋁鋰合金；2017年肯聯(lián)與龐巴迪簽訂長(zhǎng)期合作協(xié)議，為其C系列窄體客機(jī)提供鋁鋰合金板帶與擠壓材[12]。日本也在加快鋁鋰合金生產(chǎn)和應(yīng)用的研究工作，建成了4t級(jí)的鋁鋰合金真空熔鑄機(jī)組，2000年發(fā)射的宇宙往返試驗(yàn)機(jī)Hope-X的機(jī)體也使用了鋁鋰合金[13]。

表1 鋁鋰合金典型牌號(hào)及化學(xué)成分（wt，%）[6]

2009年，鋁鋰合金被納入美國(guó)航空航天材料標(biāo)準(zhǔn)，歐美、俄羅斯等航空航天強(qiáng)國(guó)相繼將高性能鋁鋰合金列入飛行器結(jié)構(gòu)材料的重點(diǎn)發(fā)展方向，鋁鋰合金進(jìn)入第四發(fā)展階段。該階段鋁鋰合金以Al-Cu-Li系合金為基礎(chǔ)，采用多元微合金化，調(diào)整Cu/Li比例，Li含量比第三代鋁鋰合金更低。其代表牌號(hào)有2055、2060、2065、2076。第四代鋁鋰合金在裂紋擴(kuò)展速率、疲勞性能、腐蝕性能、彈性模量等性能與第三代鋁鋰合金相當(dāng)?shù)臈l件下，具備更高的靜強(qiáng)度和斷裂韌性。如奧科寧克鋁業(yè)公司（Arconic，2017年從美國(guó)鋁業(yè)公司剝離）開(kāi)發(fā)的2055-T84鋁鋰合金，相比7xxx合金，其密度下降4%～5%，獲得強(qiáng)度與韌性的良好組合，并具備一流的抗疲勞能力，如圖2所示[14]。2055合金被應(yīng)用于A380客機(jī)的機(jī)身縱梁、地板格柵和上翼桁條。

鋁鋰合金的應(yīng)用范圍不僅于此。軍用方面，鋁鋰合金用于軍械和核反應(yīng)堆中。美國(guó)海軍根據(jù)實(shí)際工況采用差異化材料，對(duì)于耐蝕性要求高而強(qiáng)度要求不高的魚(yú)雷殼體采用AA6061-T6鋁合金；對(duì)耐蝕性和強(qiáng)度要求均高的魚(yú)雷殼體則采用AA7175-T73鋁合金，對(duì)于重型魚(yú)雷燃料艙采用最新研制的AA5091鋁鋰合金鍛件[15]。民用方面，汽車(chē)、機(jī)器人等領(lǐng)域也考慮應(yīng)用鋁鋰合金，例如，美國(guó)萊特州立大學(xué)與福特公司2001年就考慮在汽車(chē)行業(yè)引入鋁鋰合金[16]。金屬材料的彈性模量通常與密度成正比，傳統(tǒng)鋁合金的彈性模量較低，影響車(chē)身剛度并限制車(chē)身鋁材厚度；而鋁鋰合金中鋰元素的添加在降低其密度的同時(shí)，增加其彈性模量，成為汽車(chē)輕量化的新材料之一。但受到目前鋁鋰合金生產(chǎn)成本高和加工技術(shù)的限制，在汽車(chē)行業(yè)的應(yīng)用尚處于理論階段。

圖1 美國(guó)鋁業(yè)公司航空鋁合金發(fā)展歷史[17]

大多數(shù)商用鋁鋰合金依其主要成分可以分為Al-Li-Mg系、Al-Li-Cu-Mg系和Al-Li-Cu系3個(gè)合金系列，其中Al-Li-Mg系、Al-Li-Cu-Mg系合金主要為第二代鋁鋰合金，第三代鋁鋰合金為Al-Li-Cu系合金。目前，國(guó)內(nèi)外航空航天領(lǐng)域使用最多的是Al-Li-Cu和Al-Li-Cu-Mg系鋁鋰合金，占比超過(guò)55%以上。

圖2 2055-T84與其他鋁合金性能對(duì)比

目前，全球主要有7個(gè)工廠能生產(chǎn)鋁鋰合金軋制材，11個(gè)工廠能生產(chǎn)鋁鋰合金擠壓材，9個(gè)工廠可生產(chǎn)鋁鋰合金鍛件。據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)鋁業(yè)公司（奧科寧克鋁業(yè)）是全球鋁鋰合金產(chǎn)能、產(chǎn)量最大的生產(chǎn)企業(yè)，約占全球產(chǎn)能的55%。該公司提供廣泛的鋁鋰合金產(chǎn)品，包括擠壓、鍛造和軋制零件，尤其在鋁鋰擠壓材市場(chǎng)中占據(jù)領(lǐng)先地位，為空客A380、空客A350、波音787和灣流G650等飛機(jī)提供產(chǎn)品[18]。

鋁鋰合金應(yīng)用范圍擴(kuò)大的同時(shí)，一大批新技術(shù)被應(yīng)用于鋁鋰合金的制造和加工過(guò)程。如超塑成形/擴(kuò)散連接技術(shù)被英國(guó)British Aerospace公司用于制造EAP戰(zhàn)斗機(jī)起落架艙門(mén)；摩擦攪拌焊技術(shù)被馬休爾飛行中心用于制造美國(guó)運(yùn)載火箭戰(zhàn)神V的燃料貯箱；輥鍛成型技術(shù)用于制造“奮進(jìn)號(hào)”航天飛機(jī)外貯箱的“Y”形框和對(duì)接環(huán)；旋壓成型技術(shù)被用于制造美國(guó)“大力神”運(yùn)載火箭圓頂蓋[1]。

2 國(guó)內(nèi)鋁鋰合金的研發(fā)及應(yīng)用

2.1 國(guó)內(nèi)鋁鋰合金的研發(fā)

我國(guó)鋁鋰合金研究起步于20世紀(jì)60年代初。最早由東北輕合金加工廠仿制蘇聯(lián)的2020合金，但未能實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)和應(yīng)用。從“七五”到“十三五”，國(guó)家連續(xù)在7個(gè)五年計(jì)劃中對(duì)鋁鋰合金進(jìn)行立項(xiàng)和資金資助，不斷推進(jìn)研發(fā)工作。

二十世紀(jì)80年代，國(guó)家制定“七五”計(jì)劃，決定由中南大學(xué)、西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司、航天材料及工藝研究所和北京航空材料研究院聯(lián)合開(kāi)始研制鋁鋰合金，并試制成功了2A97合金[19]。二十世紀(jì)90年代，西南鋁建成了1t級(jí)別的鋁鋰合金半連續(xù)熔鑄機(jī)組，隨后又從俄羅斯引進(jìn)6t級(jí)別的鋁鋰合金工業(yè)化熔鑄生產(chǎn)線，以1420、2090和2195合金為目標(biāo)開(kāi)展研究，成功生產(chǎn)出了直徑范圍310mm～450mm的圓錠和300mm（厚）×1200mm（寬）的扁錠[20]。西南鋁業(yè)自2012年9月開(kāi)始承擔(dān)“新型輕質(zhì)高性能鋁鋰合金工業(yè)化制備”攻關(guān)項(xiàng)目，突破了合金成分準(zhǔn)確控制、大規(guī)格鑄錠缺陷控制、全程微觀組織精細(xì)調(diào)控、大規(guī)格板材形變熱處理等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了大規(guī)格鋁鋰合金均質(zhì)化、強(qiáng)度、韌性、低溫性能、焊接性能等協(xié)同提高，達(dá)到了產(chǎn)業(yè)化制備目標(biāo)。

國(guó)內(nèi)鋁鋰合金研發(fā)與生產(chǎn)主要集中在西南鋁業(yè)、北京航空材料研究院、中南大學(xué)、航天材料及工藝研究所等單位，其中，西南鋁是我國(guó)唯一一家具備鋁鋰合金工業(yè)化生產(chǎn)能力的企業(yè)，其他大學(xué)和研究院所基本上都是與西南鋁聯(lián)合進(jìn)行鋁鋰合金研發(fā)，形成了“基礎(chǔ)研究與技術(shù)支持、生產(chǎn)、應(yīng)用評(píng)價(jià)、應(yīng)用”四位一體的合作模式[21]。同時(shí)，以中南大學(xué)為代表的全國(guó)眾多高校紛紛開(kāi)展鋁鋰合金的基礎(chǔ)研究，涉及熔鑄工藝、加工工藝、熱處理、激光焊接、化學(xué)銑削及耐蝕性等多個(gè)方面[22-24]。北京航空材料研究院結(jié)合機(jī)身壁板的整體擠壓技術(shù)，成功研發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的X2A66，該合金表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能，被認(rèn)為非常適合制造飛機(jī)整體壁板結(jié)構(gòu)[25]。

近些年來(lái)，我國(guó)航空航天事業(yè)的迅速發(fā)展，尤其是國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)的首飛，不斷推動(dòng)鋁鋰合金的國(guó)產(chǎn)化和規(guī)模化。據(jù)悉，2017年某企業(yè)計(jì)劃投資4億多元用于新增16t鋁鋰合金熔鑄機(jī)組和2800mm冷軋機(jī)的建設(shè)。項(xiàng)目計(jì)劃周期36個(gè)月，計(jì)劃2020完成全部設(shè)備的安裝調(diào)試工作。據(jù)悉，該生產(chǎn)線采用氬氣保護(hù)技術(shù)。2018年8月，廣西投資集團(tuán)銀海鋁業(yè)有限公司與北京理工大學(xué)正式簽署《鋁鋰合金研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用項(xiàng)目合作協(xié)議》[26]。以上項(xiàng)目的發(fā)展對(duì)于提升我國(guó)鋁鋰合金生產(chǎn)能力，推動(dòng)鋁鋰合金的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程起到重要作用，在貿(mào)易摩擦逐漸加劇的當(dāng)前時(shí)期，有助于我國(guó)航空航天制造業(yè)擺脫對(duì)于進(jìn)口原材料的依賴，真正實(shí)現(xiàn)由內(nèi)到外的中國(guó)制造。

在利用熔鑄工藝研發(fā)鋁鋰合金的同時(shí)，江蘇豪然噴射成形合金有限公司利用噴射成形技術(shù)制備1420、2195鋁鋰合金坯料，該技術(shù)利用高壓惰性氣體（如氬氣）將合金液流霧化成細(xì)小熔滴，在高速氣流下飛行并冷卻，在尚未完全凝固前沉積成坯件的一種工藝[27]。坯料經(jīng)過(guò)擠壓或鍛造、熱處理后達(dá)到供貨狀態(tài)，主要用于國(guó)內(nèi)軍用及民用飛機(jī)零部件的制造。與熔鑄工藝制備的坯料相比，噴射成形技術(shù)制備的鋁鋰合金晶粒組織細(xì)小，無(wú)宏觀偏析與內(nèi)應(yīng)力，力學(xué)性能優(yōu)異；合金中固體含氫量明顯低于美標(biāo)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；成品率高，制備成本較低。

2.2 國(guó)內(nèi)鋁鋰合金的應(yīng)用

目前我國(guó)研發(fā)的重要航天器中都有鋁鋰合金的應(yīng)用報(bào)道，如神州系列、天宮一號(hào)、嫦娥一號(hào)、長(zhǎng)征系列火箭等，所應(yīng)用的都是第三代鋁鋰合金[10，28]。二十世紀(jì)90年代，西南鋁業(yè)生產(chǎn)的鋁鋰合金擠壓材被用于制造導(dǎo)彈艙，模鍛件被用于制造DF-XXX戰(zhàn)略火箭；而在民用航空領(lǐng)域的其應(yīng)用剛剛起步。2010年12月7日，中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)南昌洪都飛機(jī)制造廠采用由美國(guó)鋁業(yè)公司達(dá)文波特軋制廠提供的鋁鋰合金，利用滾彎成形技術(shù)與數(shù)控機(jī)加工藝成功制造出C919國(guó)產(chǎn)大型客機(jī)的機(jī)身等直部段（7.45m×4.2m×4.2m），為國(guó)產(chǎn)C919客機(jī)七大部段之一[29]。C919是我國(guó)首款按照最新國(guó)際適航標(biāo)準(zhǔn)，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的干線民用飛機(jī)，于2017年5月首飛；也是國(guó)內(nèi)第一次大范圍采用鋁鋰合金的機(jī)型，鋁鋰合金用量占到飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量的8.8%～9.7%。美國(guó)鋁業(yè)公司生產(chǎn)的2198-T8、Al-Li-S4-T8軋制材用于制造C919機(jī)頭與機(jī)身蒙皮，2196-T8511、2099-T83擠壓材用于制造機(jī)身長(zhǎng)桁、地板梁、支柱和座椅滑軌[11，30]。、2196、2099、2198合金由美國(guó)公司分別在2000年、2003年、2005年在美國(guó)鋁協(xié)（AA）注冊(cè)，而Al-Li-S4-T8合金尚未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道，是否為美鋁的2060-T8E30仍需確認(rèn)（參考圖1）。

3 鋁鋰合金的技術(shù)難點(diǎn)

鋁鋰合金發(fā)展到第三代、第四代，已經(jīng)具備優(yōu)異的綜合性能，但其應(yīng)用范圍主要集中于航天航空領(lǐng)域或其他軍事領(lǐng)域，限制其大范圍使用的因素就在于其較低的成品率和較高的生產(chǎn)成本，主要體現(xiàn)在鋁鋰合金的生產(chǎn)應(yīng)用的四個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，也成為限制我國(guó)鋁鋰合金國(guó)產(chǎn)化步伐的技術(shù)瓶頸。

（1）熔鑄工藝復(fù)雜，成品率低。鋰的熔點(diǎn)低（181℃），可以以純鋰或中間合金的形式加入熔體內(nèi)，當(dāng)然以純鋰的方式加入最佳，一方面可以精準(zhǔn)控制很成分，二是可以避免引入雜質(zhì)。但是由于鋰的化學(xué)性質(zhì)活潑，在熔鑄過(guò)程中極易發(fā)生氧化、燃燒和吸氫。而氫和堿金屬雜質(zhì)是導(dǎo)致鋁鋰合金低塑性的重要原因。在合金熔煉過(guò)程中防止合金熔體吸氫，通常采用熔劑保護(hù)法、惰性氣體保護(hù)法和真空熔煉法[31]。

熔劑保護(hù)法是利用熔劑在金屬熔體表面散開(kāi)后形成保護(hù)層，隔離熔體和空氣以及水蒸氣，減少熔煉過(guò)程中的吸氫和吸氧現(xiàn)象。理想的熔劑應(yīng)具備不污染合金、熔點(diǎn)低、流動(dòng)性好的特點(diǎn)，且在金屬液面上易于擴(kuò)散、密度小、吸水性低。采用LiCl、LiF等低比重共晶混合物，既不會(huì)對(duì)合金產(chǎn)生不好的影響，又可以對(duì)熔煉過(guò)程中鋰的燒損起到一定的補(bǔ)償作用[31]。熔劑保護(hù)法制備鋁鋰合金成本較低，但保護(hù)效果相對(duì)較差、有一定的環(huán)境污染。

惰性氣體保護(hù)法是在熔煉的過(guò)程中，利用高純惰性氣體驅(qū)趕熔池上方的空氣，或者在密封環(huán)境中通入高純惰性氣體保護(hù)。惰性氣體保護(hù)法在工業(yè)上應(yīng)用已久，但是相應(yīng)的成本較高，操作相對(duì)麻煩。

真空熔煉，即在真空爐中進(jìn)行熔煉。熔煉過(guò)程中需要嚴(yán)格控制真空度和熔煉時(shí)間：真空度過(guò)高，熔煉時(shí)間短，可能導(dǎo)致除氫、鈉、鉀的效果不好，熔體中還含有大量雜質(zhì)；真空度過(guò)低，熔煉時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，雖然能夠有效除氫、鈉、鉀等雜質(zhì)，但也會(huì)導(dǎo)致熔體中鋰、鎂等易揮發(fā)的合金元素大量燒損，材料產(chǎn)生成分偏差[32]。因此需制定出適用的真空熔煉參數(shù)，在有效除氫的同時(shí)，保證合金的化學(xué)成分。真空熔煉不污染環(huán)境，熔煉效果好，但設(shè)備投資高，同時(shí)真空精煉爐容量受限制，難以滿足大重量鑄錠生產(chǎn)要求。另外，熔煉工藝的選擇還需考慮鋁鋰合金中合金元素的構(gòu)成，如果活潑金屬M(fèi)g含量較高，一般采用真空熔煉以減少燒損。

蘇聯(lián)/俄羅斯生產(chǎn)的1420鋁鋰合金是典型的Al-Mg-Li系合金，材料中含有較高含量的活潑金屬元素Mg（4.5%～6.0%），因此選擇了真空熔煉技術(shù)。西南鋁在20世紀(jì)90年代引入俄羅斯鋁鋰合金相關(guān)設(shè)備及技術(shù)，也采用了真空熔煉技術(shù)，并沿用至今。而歐美國(guó)家研發(fā)的鋁鋰合金多集中于Al-Cu-Li系列，因此大多采用氬氣保護(hù)熔煉技術(shù)。特別是最近十年來(lái)，Al-Cu-Li基礎(chǔ)系列成為鋁鋰合金研發(fā)的方向，新建的鋁鋰合金熔鑄生產(chǎn)線多采用氬氣保護(hù)熔煉，配合使用合適的精煉劑，除氫效果也達(dá)到了真空精煉的除氫效果水平[19]。

（2）制備工藝復(fù)雜鋁鋰合金的加工環(huán)節(jié)與其他鋁合金材料沒(méi)有本質(zhì)差別，只是在生產(chǎn)工藝參數(shù)的控制上略有差異。鋁鋰合金的壓力加工塑性（軋制性能、擠壓性能、鍛造性能）都不如其他硬合金，因此道次加工率、擠壓速度、鍛造道次上應(yīng)遵守壓力加工和熱處理規(guī)范。據(jù)悉，某企業(yè)鋁鋰合金在加工階段的成品率不足60%，造成大量的材料浪費(fèi)，提高了材料的生產(chǎn)成本。

（3）零部件機(jī)械加工難度大由于鋁鋰合金加工材（半成品）存在一定的各向異性與內(nèi)應(yīng)力，因此半成品機(jī)械加工易發(fā)生變形、扭曲，甚至斷裂。工件報(bào)廢率高，尤其是大規(guī)格零部件的加工難度更大。據(jù)悉，中國(guó)南昌洪都飛機(jī)制造公司在用美國(guó)鋁業(yè)公司生產(chǎn)的鋁鋰合金板材加工飛機(jī)直段零部件的初期，一度出現(xiàn)零件加工報(bào)廢率超過(guò)60%的難堪困境，甚至某一個(gè)零件的加工成品率只有4.2%的尷尬局面，造成了巨大浪費(fèi)。后經(jīng)過(guò)特別加工工具結(jié)構(gòu)及熱處理?xiàng)l件改進(jìn)和經(jīng)驗(yàn)積累，零件合格率達(dá)到97%以上。雖然鋁鋰合金后期機(jī)械加工設(shè)備與傳統(tǒng)材料相同，但是由于材料加工硬化明顯，表面極易形成氧化膜，所以在加工過(guò)程中對(duì)于設(shè)備溫度、應(yīng)變率都要嚴(yán)格控制。

（4）廢料處理與回收技術(shù)限制盡管鋁鋰合金中鋰元素含量不多，但是常規(guī)的廢鋁再生工藝難以高效處理鋁鋰合金廢料，通常需要采用真空熔煉技術(shù)。若回收技術(shù)不能滿足廢料處理需求，在熔鑄或加工成品率低的情況下，企業(yè)采用廢料堆垛存儲(chǔ)，造成巨大的資源浪費(fèi)和高額的廢料管理成本。

4 鋁鋰合金市場(chǎng)需求

2017年，波音與空客分別交付了763和718架飛機(jī)。波音公司對(duì)2017年～2036年全球各區(qū)域的民航客機(jī)市場(chǎng)規(guī)模及增長(zhǎng)情況進(jìn)行了評(píng)估。預(yù)計(jì)未來(lái)20年航空業(yè)市場(chǎng)的需求將翻一番以上，為了滿足這一需求，預(yù)計(jì)噴氣式飛機(jī)的數(shù)量將達(dá)到46950架，其中新生產(chǎn)飛機(jī)總量達(dá)到41030架，主要用于增量和更新，市場(chǎng)價(jià)值達(dá)到6.1萬(wàn)億。

航空制造業(yè)的蓬勃發(fā)展必然帶動(dòng)鋁鋰合金的市場(chǎng)需求，測(cè)算鋁鋰合金需求采用以下參數(shù)。

表2 2017～2036年全球民用航空器鋁鋰合金需求總量測(cè)算

——飛機(jī)需求量（架）；

——飛機(jī)凈重（kg）；

——結(jié)構(gòu)重量占比：指機(jī)身結(jié)構(gòu)重量在飛機(jī)空重占比。參考C919，民用航空器中結(jié)構(gòu)重量占比0.5。

——零部件的材料重量占比：指用某種合金材料制造的零部件重量在機(jī)身結(jié)構(gòu)重量中的占比。以C919機(jī)型中鋁鋰合金零部件占比（8.8%～9.7%）估計(jì)，未來(lái)全球民用客機(jī)中該比例的平均水平為8%。

——BTF（Buy-to-Fly）比率：制造一類(lèi)零部件所需采購(gòu)的原材料重量與最終零部件中所含材料重量的比率，通常為6～8。按照波音公司預(yù)估的2016年～2036年5種主要機(jī)型的需求量和代表機(jī)型空重測(cè)算，各機(jī)型的鋁鋰合金需求、總需求量及年平均需求量如表1所示。預(yù)計(jì)未來(lái)鋁鋰合金全球市場(chǎng)需求為4萬(wàn)噸/a。按照目前C919客機(jī)815架訂單計(jì)算，預(yù)計(jì)未來(lái)我國(guó)民用航空領(lǐng)域鋁鋰合金需求將達(dá)到1.2萬(wàn)噸。

5 結(jié)語(yǔ)

鋁鋰合金在替代傳統(tǒng)鋁合金材料的同時(shí)，也受到碳纖維增強(qiáng)塑料以及GLARE層板（鋁合金+玻纖的復(fù)合材料）等新材料應(yīng)用的沖擊[33]。為了滿足未來(lái)航空航天或其他領(lǐng)域的性能要求，其未來(lái)發(fā)展方向：①向超低密度方向發(fā)展，發(fā)揮最大的減重價(jià)值；②向超塑性、低各向異性發(fā)展，擴(kuò)展材料的加工能力與應(yīng)用范圍；③向高焊接性能發(fā)展，滿足新的連接方式要求；④向高成品率、低成本方向發(fā)展，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍；⑤向新應(yīng)用技術(shù)方向發(fā)展；⑥向生產(chǎn)與加工一體化方向發(fā)展，鋁鋰合金生產(chǎn)企業(yè)向下游應(yīng)用環(huán)節(jié)延伸，增加機(jī)加工環(huán)節(jié)，有利于提高產(chǎn)品價(jià)值與廢料回收利用率。

鋁鋰合金自誕生至今將近100年，以其優(yōu)異的力學(xué)性能、低密度、耐腐蝕等特征受到航空航天領(lǐng)域的青睞，在國(guó)內(nèi)外軍用、民用航空器上應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，需求越發(fā)明顯。我國(guó)高性能鋁鋰合金的研發(fā)取得優(yōu)異成果，但是實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)規(guī)?；孕枰罅抠Y金與人力投入。重視產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，以實(shí)際需求為基礎(chǔ)，提高成材率，降低生產(chǎn)成本，開(kāi)發(fā)出滿足航空航天器性能要求的先進(jìn)鋁鋰合金，真正擺脫對(duì)進(jìn)口原材料的依賴，實(shí)現(xiàn)我國(guó)航空航天器的完全國(guó)產(chǎn)化。