鋁鋰合金研究進展及發(fā)展趨勢

馮朝輝,于 娟,郝 敏,趙唯一,李國愛,陳軍洲

（1.中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；2.北京市先進鋁合金材料及應(yīng)用工程技術(shù)研究中心，北京 100095）

鋁鋰合金是指Li元素作為主要合金元素之一的一類鋁合金。Li元素是密度最低的金屬元素，其密度為0.534 g/cm3。鋁合金中每加入1%的金屬Li，其密度降低約3%，彈性模量提高約6%，Li元素對鋁合金還具有明顯的強化效果。由于Li元素可以降低鋁合金的密度，提高其彈性模量，并對鋁合金有一定的強化作用，鋁鋰合金就具有了高比強、高比模的特性，成為實現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化的關(guān)鍵材料[1-4]。

本文回顧了鋁鋰合金的發(fā)展歷程，介紹了鋁鋰合金設(shè)計思路、制備技術(shù)及應(yīng)用技術(shù)發(fā)展情況，指出了制約鋁鋰合金進一步廣泛應(yīng)用的問題，提出了鋁鋰合金材料及應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展趨勢。

1 鋁鋰合金的發(fā)展歷程

1924年，德國人發(fā)明了第一種鋁鋰合金Scleron合金[5]，其名義成分為Al-12Zn-3Cu-0.6Mn-0.1Li，由于當(dāng)時并沒有明確Li元素對鋁合金的強化效果，Scleron合金沒能得到廣泛的生產(chǎn)及應(yīng)用。1942年LeBaron發(fā)現(xiàn)Li元素可以作為主強化元素添加到Al-Cu系合金中，但1943年美鋁Alcoa公司推出的7075合金確立了Al-Zn-Mg-Cu系合金在高強鋁合金應(yīng)用中的統(tǒng)治地位，因此LeBaron發(fā)明的合金沒有得到發(fā)展。1955年，英國的Hardy和Silcock確定了Al-Cu-Li系合金中含Li強化相δ′（Al3Li）相及T1（Al2CuLi）相，從而推動了鋁鋰合金材料的全面發(fā)展[6]。隨著合金化、強韌化機理的發(fā)展及熔鑄、熱加工技術(shù)/裝備的進步，鋁鋰合金綜合性能逐步提高，并得到了廣泛應(yīng)用。迄今為止鋁鋰合金的發(fā)展已經(jīng)歷經(jīng)三代。

1.1 鋁鋰合金在歐美國家的發(fā)展歷程

在歐美國家，鋁鋰合金發(fā)展的第一個階段為初步發(fā)展階段，時間為20世紀(jì)50年代至60年代初，此階段的主要鋁鋰合金牌號為2020合金[7]，2020合金名義成分為Al-4.5Cu-1.1Li-0.5Mn-0.2Cd，該合金在150～200 ℃下具有高的蠕變抗力。由于受到熔煉工藝的制約，該階段鋁鋰合金中Fe、Si雜質(zhì)含量較高。在鑄錠凝固過程中，2020鋁鋰合金會析出尺寸在1～10 μm之間的不可溶的Al12（FeMn）3Si相和Al7Cu2Fe相[8]，這些大尺寸第二相對合金延伸率和斷裂韌度不利，它們不僅能成為裂紋源，還會對加工過程中合金的再結(jié)晶行為產(chǎn)生不利影響，從而造成一些尺寸較大的再結(jié)晶晶粒出現(xiàn)。雖然Mn元素可以形成彌散的Al20Cu2Mn3相以控制晶粒結(jié)構(gòu)，提高微觀應(yīng)變的均勻性，但是形成的粗大Al12（FeMn）3Si相會消耗一部分Mn元素，使得2020合金中Al20Cu2Mn3彌散相數(shù)量減少，而不能有效避免該合金在加工后的固溶過程中發(fā)生再結(jié)晶和晶粒長大。合金元素Cd在2020合金固溶溫度下的溶解度小于0.14%（2020合金含0.2%Cd），多余的Cd會偏聚在晶界和穩(wěn)定的相界面。因此，2020合金中的Cd也可能對塑性帶來不利影響?？傊?，2020合金的脆性問題可能與平面滑移、粗大的再結(jié)晶晶粒、高的Fe、Si及Cd含量等有關(guān)。由于該類合金延展性差、斷裂韌度低以及缺口敏感性高，未能獲得廣泛應(yīng)用。

鋁鋰合金的第二個發(fā)展階段為繁榮發(fā)展階段，時間跨度為20世紀(jì)70年代至80年代后期，這一時期成功研制了低密度型、中強型和高強型系列產(chǎn)品，代表性牌號有2090、8090等[9]，見表1。出于輕量化的考慮，這類合金均加入了較高含量的Li（一般大于2.0%）。隨后，在使用過程中發(fā)現(xiàn)，第二代鋁鋰合金因存在強烈晶體學(xué)織構(gòu)而引起力學(xué)性能各向異性高、高向性能低、裂紋易偏折以及零件制造時的分層問題等[10]。第二代鋁鋰合金的應(yīng)用并不廣泛，大多用在飛機次承力結(jié)構(gòu)上，如2090合金用在C-17運輸機上，8090、2090用在A340飛機和Atlas Centaur半人馬適配器上，8090用在EH101直升機上和Titan載荷艙適配器上。

表1 部分第二代鋁鋰合金的化學(xué)成分和比重Table 1 Compositions of typical second-generation aluminum-lithium alloys and specific gravity

20世紀(jì)90年代以后，鋁鋰合金進入了第三發(fā)展階段，即優(yōu)化發(fā)展階段。通過對鋁鋰合金成分、熔體純凈化、組織結(jié)構(gòu)、強韌性能協(xié)調(diào)匹配的深入研究，美國、法國和俄羅斯等國家通過降低Li含量（一般不超過2.0%），同時加入多元微合金的方式，嚴(yán)控雜質(zhì)元素Fe、Si含量，通過復(fù)雜的冷、熱成形技術(shù)控制組織結(jié)構(gòu)來提高合金損傷容限及高向韌塑性，發(fā)明精密形變熱處理技術(shù)來提高合金的強韌性能匹配及損傷容限性能，開發(fā)了一系列綜合性能較高的第三代鋁鋰合金，見表2。

表2 部分第三代鋁鋰合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）Table 2 Compositions of typicalthird-generation aluminum-lithium alloys（mass fraction/%）

與第二代鋁鋰合金相比，第三代鋁鋰合金具有較傳統(tǒng)鋁合金更為優(yōu)異的強度、韌度、耐損傷性能等優(yōu)點，已經(jīng)逐漸在航空航天上獲得應(yīng)用，在航空領(lǐng)域的應(yīng)用更為廣泛[11-13]。如2197合金已在F-16戰(zhàn)機的后機身艙壁和其他部件獲得成熟應(yīng)用，該合金用于替代2124合金，克服了疲勞壽命不足的缺陷，滿足了服役8000小時的要求，同時還獲得減重5%、斷裂韌度提高7%的效果。2090-T86、2099-T83和2196-T8511合金主要作為擠壓型材使用，目前這些合金已用于B-777飛機機翼長桁、大型客機A380的地板梁、座椅導(dǎo)軌、輔助導(dǎo)軌、座艙、緊急艙地板等部位。此外，2198、2050等第三代鋁鋰合金在A350上獲得了較多應(yīng)用，目前我國實現(xiàn)首飛的C919也使用了美鋁研發(fā)的2060薄板以及2099型材。Pratt &Whitney公司的PW1100G Pure-Power航空發(fā)動機還應(yīng)用了鋁鋰合金前風(fēng)扇葉片。

第三代鋁鋰合金在航天領(lǐng)域的應(yīng)用亦為廣泛，具有優(yōu)良低溫性能、高剛度和低密度的2195合金被廣泛用于SLWT超輕型貯箱（super light weight tank，SLWT）的制備，美國“發(fā)現(xiàn)號”航天飛機外貯箱（直徑8.4 m、長46.1 m）采用2195鋁鋰合金取代2219合金，重量減輕5%，強度提高30%，共減重3.4 t[14]。2010年6月4日成功首飛的法爾肯9（Falcon 9）第一級和第二級貯箱均采用2198鋁鋰合金。

1.2 鋁鋰合金在俄羅斯的發(fā)展歷程

蘇聯(lián)與俄羅斯在鋁鋰合金研發(fā)與生產(chǎn)方面毫不比歐美國家遜色，是全球第二大生產(chǎn)與應(yīng)用大國，而且自成體系，特別是在Al-Mg-Li合金研發(fā)與生產(chǎn)方面獨樹一幟，其中最典型的代表性合金是1420[15]，1420鋁鋰合金于1965年定型，用于生產(chǎn)板帶材、擠壓材與鍛件等。1971年，1420合金成為輕型直升機的主要結(jié)構(gòu)材料，1980年以后，在MIG-29、SU-27、SU-35等超聲速殲擊機上得到應(yīng)用，至今1420合金仍是俄羅斯航空航天器主要采用的鋁鋰合金材料。

蘇聯(lián)和俄羅斯在大力發(fā)展Al-Mg-Li合金的同時，也在不遺余力地研發(fā)Al-Cu-Li系合金，開發(fā)的1450合金成分與美國的2090合金成分相似，但其熱處理工藝方面更注重發(fā)揮材料的綜合性能，使其具有更強的市場競爭力。20世紀(jì)80年代蘇聯(lián)又推出性能更加優(yōu)秀的Al-Cu-Li系合金1460，1460鋁鋰合金的強度更高，可焊性更好，韌性更優(yōu)，而且具有優(yōu)越的低溫性能，特別適合于焊接火箭燃料液氧與液氫貯箱，該合金其他性能與美國的2095、2195等相當(dāng)。蘇聯(lián)的1421、1423、1460合金還含有微量的Sc（0.05%～0.21%）元素，而美國的鋁鋰合金就不含稀土元素Sc。

1.3 鋁鋰合金在我國的發(fā)展歷程

我國鋁鋰合金的研究始于20世紀(jì)80年代，雖然起步較晚，但發(fā)展較快[16]，對鋁鋰合金的成分設(shè)計、熔鑄、加工成形、熱處理、全面應(yīng)用性能、焊接等應(yīng)用技術(shù)進行了廣泛的研究，至今為止先后仿制的材料有8090、2090、2091、2195、5A90（仿 俄1420）、2097、2297等合金。其中僅5A90、2297、2195等合金得到成功應(yīng)用。

我國已形成完善的鋁鋰合金研制、生產(chǎn)及應(yīng)用的技術(shù)。本世紀(jì)初自主研制的第三代2A97鋁鋰合金具有高強高韌耐損傷的特性，該合金采用Cu、Li合金元素近飽和設(shè)計，具有優(yōu)良的強/韌綜合性能。其比強度約為205與其他三代鋁鋰合金相比優(yōu)勢明顯，已經(jīng)在航空制造領(lǐng)域獲得了較廣泛應(yīng)用。借助C919大型客機平臺，推進了2060薄板及2099型材在機體結(jié)構(gòu)上的大量應(yīng)用，鋁鋰合金的應(yīng)用已經(jīng)達到了國際先進水平，下一個時期將面臨著提升鋁鋰合金研制、生產(chǎn)及應(yīng)用評價能力的艱巨任務(wù)。

2 鋁鋰合金的成分設(shè)計及主要制備技術(shù)

2.1 鋁鋰合金的成分設(shè)計

鋁鋰合金以Al-Cu-Mg-Li系、Al-Cu-Li系、Al-Mg-Li系為主，Narayanan等[17]概要地給出了Al-Li-X合金中形成的析出相，見圖1。

Li、Cu、Mg元素在鋁鋰合金中除了起固溶強化作用之外，主要是作為δ′（Al3Li）相、T1（Al2CuLi）相、θ′（A12Cu）、S′（Al2CuMg）相等強化相的構(gòu)成元素促進這些相的析出，Al-Cu-Li系合金中Cu/Li元素比值的不同會改變這些相的體積分?jǐn)?shù)與分布情況，影響合金強度和塑韌性。

少量Ag元素的加入會產(chǎn)生很大的時效強化效應(yīng)[18]。除了固溶強化效果之外，主要是改變Al-Cu-Li合金的時效析出過程，促進T1相和θ′、S′（Al2CuMg）的均勻細(xì)小析出，從而提高了合金強韌性。

Zn元素具有固溶強化和時效強化作用[19]。能促進δ′相的析出，并使其粗化長大速率減小。Zn元素還能促進S′和T1相的析出，從而提高合金的強塑性。Zn元素還有一個作用與Ag元素相當(dāng)，就是改善合金的腐蝕性能，增大合金的剝落腐蝕和應(yīng)力腐蝕阻力，其原因可能是Zn元素促進富Cu相從基體中析出，減少基體中Cu的過飽和度，使局部微電位差縮小。Zn可溶入晶界粗大的T1相中，也可能溶入亞晶界和基體中的T1相中。Zn的溶入可能會影響T1相的電化學(xué)性能。同時Zn對合金的析出動力學(xué)有間接影響，析出相尺寸、體積分?jǐn)?shù)的改變影響了局部的應(yīng)力腐蝕性能。

圖1 Al-Li-X 合金相析出與成分的關(guān)系[17]Fig.1 Relations between precipitations and compositions in Al-Li-X alloys[17]

Mn元素和Zr元素加入到鋁合金中，會形成Al6Mn、Al20Cu2Mn3、Al3Zr等彌散相[20]。這些彌散相與Al基體共格，可以作為再結(jié)晶形核位置，從而抑制再結(jié)晶晶粒大小。第三代鋁鋰合金中少量Mn元素的添加形成的彌散相粒子分散了共面滑移，使滑移更加均勻，從而降低合金的各向異性，使其各向異性水平與常規(guī)鋁合金差不多。

在鋁鋰合金中添加少量的Sc元素可以形成Li2型共格Al3Sc粒子[21-22]；當(dāng)Sc、Zr同時加入時，還會形成極細(xì)的三元共格相Al3（Sc1-x，Zrx），共格相可以細(xì)化晶粒、提高再結(jié)晶溫度、改變主要強化相δ′、S′等的尺寸、形貌和分布狀況，從而改善合金的強塑性、抗蝕性、焊接性，以及熱裂紋敏感性。

2.2 鋁鋰合金的主要制備技術(shù)

2.2.1 鋁鋰合金的鑄錠制備

2.2.1.1 鑄錠熔鑄冶金技術(shù)（IM）

鑄錠冶金法是鋁鋰合金的主要生產(chǎn)方法[23]。IM法的優(yōu)點是成本較低，可生產(chǎn)大規(guī)格鑄錠。由于Li的化學(xué)性能活潑，采用此方法熔煉鋁鋰合金時，一般采用兩種方法保證冶金質(zhì)量。一是真空熔煉加惰性氣體保護鑄造的辦法除氣及防止熔體氧化；二是覆蓋劑隔絕空氣熔煉加惰性氣體保護鑄造的辦法除氣及防止熔體氧化。通過該方法制備的鋁鋰合金中Li的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過3%。

2.2.1.2 噴射沉積技術(shù)（SF）

噴射沉積法具有粉末冶金法（PM）快速凝固冷卻速度高的特點，還具有鑄造法（IM）一步成型的優(yōu)點，是一種介于粉末冶金與鑄造冶金之間的金屬成型新工藝。由于冷速快，可以增加合金元素在鋁基體中的固溶度，還具有成分偏析程度小、組織細(xì)小均勻、致密度高的特點。隨著噴射沉積技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)具備了生產(chǎn)大規(guī)格鑄錠技術(shù)條件。目前采用噴射沉積方法結(jié)合大擠壓比的方式制備鋁合金型材及鍛件產(chǎn)品是可行的?？紤]到尚無噴射沉積方法制備厚大板材以及鍛件的經(jīng)驗，采用該方法制備厚大板材及鍛件尚不成熟。

2.2.2 鋁鋰合金的熱加工

2.2.2.1 鋁鋰合金的組織織構(gòu)控制技術(shù)

鋁鋰合金力學(xué)性能的各向異性是一個航空應(yīng)用需要考慮的重要因素。一般認(rèn)為Li元素較高時，δ′（Al3Li）相、T1（Al2CuLi）相、θ′（A12Cu）等強化相會沿特定晶面析出，造成了鋁鋰合金平面各向異性[24-27]，而含Zr鋁鋰合金高向組織的分層造成了其性能的降低，厚截面的鋁鋰合金材料可以通過圖2所示的工藝路徑控制材料再結(jié)晶，降低變形織構(gòu)強度，進而改善鋁鋰合金厚板的高向性能。

2.2.2.2 形變熱處理技術(shù)

圖2 改善鋁鋰合金板材高向性能的工藝流程[28]Fig.2 Process to improve height-direction properties of Al-Lialloy sheets[28]

形變熱處理是促進合金強化相沉淀析出，協(xié)調(diào)材料強韌匹配的重要工藝技術(shù)。第二代鋁鋰合金由于Li含量高（＞2%），而其他元素含量低，時效后的主要強化相是δ′相（見圖3），微觀組織比較簡單。而第三代鋁鋰合金Li含量較低（＜2%），而Cu含量較高（＞3%），其時效組織與第二代鋁鋰合金明顯不同，微觀組織如圖4所示，由多種不同結(jié)構(gòu)、不同尺度、不同位向和形貌的析出相組成，實際析出組織如圖5所示，這些析出強化相包括δ′、θ′、T1、S′相等。由于微觀組織的不同，導(dǎo)致第二代和第三代鋁鋰合金性能上有很大差別。

圖3 第二代鋁鋰合金（1420）的典型組織（δ′強化相）Fig.3 Typical microstructure of a second-generation Al-Li alloy（1420）

圖4 第三代鋁鋰合金的組織結(jié)構(gòu)模式[29]Fig.4 Microstructure modelling of third-generation Al-Li alloy

圖5 第三代鋁鋰合（2099）中幾種主要強化相的TEM形貌[30]Fig.5 Main strengthening precipitates in 2099 Al-Li alloy[30]（a）＜100＞α dark field image，δ′phase；（b）＜100＞α brightfield image，θ′phase；（c）＜110＞α bright field image，T1phase；（d）＜112＞α dark field image，T1phase

值得注意的是，Al-Cu-Li系鋁鋰合金與普通2×××系鋁合金相同，固溶后冷變形量對θ′相的析出影響明顯，θ′相的析出又會影響到T1相的合成。對2A97等鋁鋰合金研究發(fā)現(xiàn)[31-32]，Al-Cu-Li系鋁鋰合金形變熱處理至T8狀態(tài)，合金的強塑性較T6態(tài)均有明顯提高，同時其腐蝕性能也得到改善。Al-Cu-Li系鋁鋰合金通過大冷變形量變形，然后采用較低溫度長時間人工時效處理可得到更優(yōu)的強韌匹配，并具有較優(yōu)的彎曲、拉伸等塑性成形性能。

3 鋁鋰合金的應(yīng)用技術(shù)

3.1 鋁鋰合金時效成形技術(shù)

時效成形是一項可實現(xiàn)大型構(gòu)件成形/成性一體化制造的技術(shù)。時效成形技術(shù)除了可實現(xiàn)一次成形大型的整體壁板類零件以外，還可以用于零件的預(yù)成型、校形，同時采用該方法制造的構(gòu)件具有殘余應(yīng)力小、生產(chǎn)成本低、生產(chǎn)周期短、成形后構(gòu)件抗疲勞性能好等優(yōu)點，在航空航天領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用潛力[33-34]。7×××系鋁合金的時效成形技術(shù)已經(jīng)在A330/340、A380等飛機機翼壁板制造上得到成功應(yīng)用及推廣。目前英國伯明翰大學(xué)、空客公司采用熱蠕變時效成形技術(shù)，成形了世界上最大商用客機A380的機翼壁板，該壁板長33 m、寬2.8 m、厚度從3 mm至28 mm，雙曲氣動外形設(shè)計，裝配容差要求控制在0～1 mm之間，應(yīng)用熱蠕變時效成形技術(shù)后，24 h可生產(chǎn)一副外形合格的機翼壁板，零件見圖6。

3.2 鋁鋰合金焊接技術(shù)

俄羅斯YAK-36和MIG-29等軍用飛機采用熔焊的鋁鋰合金機身結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)上的合金，主要是1420、1460等14××系鋁鋰合金，屬于第二代鋁鋰合金。在美國和歐洲，飛機制造商和焊接界最近正在研究將激光焊（LBW）和攪拌摩擦焊（FSW）用于第三代鋁鋰合金機身結(jié)構(gòu)裝配的可能性，他們研究了2198、2199、2195等鋁鋰合金的激光焊和攪拌摩擦焊技術(shù)，取得了一些進展，例如使用2198鋁鋰合金加工的SpaceX Falcon 9的第一級和第二級機身采用了攪拌摩擦焊技術(shù)[35]。圖7為激光焊接裝備及激光焊接的2198鋁鋰合金壁板，圖8為2198鋁鋰合金攪拌摩擦焊接頭組織。

3.3 鋁鋰合金超塑性成形技術(shù)

圖6 鋁鋰合金時效成形零件Fig.6 Parts of Al-Li alloy after age forming

圖7 激光焊接設(shè)備及激光焊2198鋁鋰合金壁板Fig.7 Laser welding equipment and laser welded panel of2198 Al-Li alloy

圖8 2198鋁鋰合金攪拌摩擦焊接頭組織Fig.8 Welding joint of friction stir welded 2198 Al-Li alloy

鋁鋰合金超塑成形技術(shù)（SPF）已應(yīng)用于生產(chǎn)經(jīng)濟和低成本的產(chǎn)品[36-37]中。超塑成形的高強2195鋁鋰合金應(yīng)用于航天器結(jié)構(gòu)，例如：航天飛機輕質(zhì)外掛箱等，圖9是波音生產(chǎn)的2195超塑性成形零部件。

圖9 2195薄板制造的SPF零件，尺寸560 mm×1450 mm[38]Fig.9 SPF parts of 2195 sheet，560 mm×1450 mm[38]

4 鋁鋰合金的發(fā)展趨勢

近年來，鋁鋰合金材料的發(fā)展注重在降低成本、提高綜合性能的技術(shù)方面。針對不同應(yīng)用需求，開發(fā)了多種新型鋁鋰合金，形成了完備的鋁鋰合金材料譜系。按照國外現(xiàn)有鋁鋰合金的品種、規(guī)格、性能特點以及應(yīng)用領(lǐng)域，可以將其分為高耐損傷蒙皮板（薄板）、中強高韌高耐損傷厚板、高強高韌厚板、高強可焊接厚板、高強度型材等幾大類，見表3。

鋁鋰合金綜合性能越來越好，具有全面替代傳統(tǒng)航空航天用鋁合金的趨勢，其中2297、2397鋁鋰合金厚板已替代2124鋁合金厚板應(yīng)用于制造機身框，2050鋁鋰合金已替代7050鋁合金應(yīng)用于制造飛機框、梁、接頭等，均取得5%以上的減重效果。此外，根據(jù)歐美鋁業(yè)公司制定的航空鋁鋰合金發(fā)展規(guī)劃，擬在未來10～20年內(nèi)，充分利用不同種類鋁鋰合金的性能特點，在機身蒙皮、機翼上壁板以及機翼下壁板等幾個領(lǐng)域全面采用鋁鋰合金替代現(xiàn)有的傳統(tǒng)鋁合金。

圖10為飛機蒙皮鋁合金材料的性能變化趨勢，圖11為飛機機翼上壁板鋁合金材料的性能變化趨勢，圖12為飛機機翼下壁板鋁合金材料的性能變化趨勢。由圖10可以看到，2199、2198及2060鋁鋰合金憑借其優(yōu)異的比強度及比韌度，正在逐步替代2024、2524等傳統(tǒng)鋁合金應(yīng)用于機身蒙皮。由圖11可以看到，2055鋁鋰合金正在逐步替代7×××系等傳統(tǒng)鋁合金在機翼下壁板部位獲得應(yīng)用。由圖12可以看到，2199、2060鋁鋰合金正在逐步替代2024、2324等傳統(tǒng)鋁合金應(yīng)用于機翼下壁板。

表3 國外先進鋁鋰合金產(chǎn)品譜系及成熟度Table 3 Foreign advanced Al-Li alloys and their technology maturities

圖10 機身蒙皮材料牌號、性能隨年代變化趨勢Fig.10 Fuselage skin alloys and their properties vary withyears

圖11 機翼上壁板用鋁合金材料牌號、性能隨年代變化趨勢Fig.11 Upper-Wing panel alloys and their properties vary with years

鋁鋰合金材料制備呈現(xiàn)低成本化的趨勢。第二代鋁鋰合金一般采用真空熔煉制備技術(shù)，由于Li元素性能活潑，廢料難以回收，制備成本高，價格也在普通鋁合金四倍以上。近年來采用低Li含量的成分設(shè)計理念，歐美國家公司已采用非真空熔煉制備技術(shù)制備鋁鋰合金，并實現(xiàn)廢料的回收利用，顯著降低了鋁鋰合金的生產(chǎn)成本。隨著噴射沉積技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)可以生產(chǎn)3 t以上級大鑄錠，其成錠率高、可回收利用廢料的特點也可使鋁鋰合金的生產(chǎn)成本顯著降低。

圖12 機翼下壁板用的材料牌號、性能隨年代的變化Fig.12 Lower-Wing panel alloys and their properties varywith years

鋁鋰合金材料應(yīng)用也呈現(xiàn)低成本化的趨勢。更廣泛的應(yīng)用薄板、小截面型材，利用率提高到70%以上，降低了由于采用鋁鋰合金而增加的材料成本。開發(fā)鋁鋰合金模鍛件一方面可將材料利用率由不足10%提高到60%，另一方面大厚規(guī)格模鍛件（如厚度可達300 mm的2050-T852鋁鋰合金模鍛件）還可以減少零件數(shù)量，實現(xiàn)大型零件整體制造而提高減重效益。焊接技術(shù)的發(fā)展可實現(xiàn)大型復(fù)雜零件的整體制造，可以降低材料成本并提高減重效益。

5 結(jié)束語

目前，鋁鋰合金歷經(jīng)三代發(fā)展，材料譜系日趨完善，具有全面替代傳統(tǒng)鋁合金的潛力，但是其綜合性能還有進一步提高的潛能，特別是針對長壽命、耐損傷性能的研究更應(yīng)該加強。在未來一段時期，作者認(rèn)為需要開展以下5方面研究工作。

（1）梳理國內(nèi)鋁鋰合金材料研制及應(yīng)用研究基礎(chǔ)，規(guī)劃自主鋁鋰合金材料體系，完善鋁鋰合金的產(chǎn)品類型，形成相對完整的產(chǎn)品譜系。

（2）加強Al-Mg-Li系鋁鋰合金抗疲勞、耐損傷機理研究，開展密度低于2.60 g/cm3，耐損傷性能優(yōu)于2524鋁合金的蒙皮板材研制。實現(xiàn)鋁鋰合金材料減重效益的跨越發(fā)展。

（3）開展Al-Cu-Li系鋁鋰合金淬透性機理研究，研制厚板厚度達到200 mm，鍛件厚度達到300 mm的淬透性鋁鋰合金。實現(xiàn)鋁鋰合金大型零件的整體制造，減少零件數(shù)量，提高減重效益。

（4）加強應(yīng)力場時效強化機理研究，開發(fā)鋁鋰合金時效成形技術(shù)，實現(xiàn)成形/成性一體化，解決零件塑性損傷及性能不均勻問題，做到材料應(yīng)用性能高度可控，提高航空零件的可靠性。

（5）開展鋁鋰合金激光焊、攪拌摩擦焊等先進連接技術(shù)研究，解決鋁鋰合金材料與工藝協(xié)調(diào)匹配問題，奠定工程化應(yīng)用基礎(chǔ)。