鋁鋰合金作為機(jī)載計(jì)算機(jī)機(jī)箱材料的應(yīng)用探索

可 望，楊 龍，田 灃

（航空工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，西安710068）

0 前言

鋰是最輕的金屬元素（0.534 g/cm3），并且在鋁中的溶解度較高，能夠和鋁很好地合金化[1-2]。在鋁中每摻入1%的鋰可使合金密度降低3%，并使彈性模量增加約6%[3-4]，如圖1所示。在航空航天工業(yè)中，減重是永恒不變的主題，降低重量可以節(jié)省燃料、提高飛行速度、增加飛行距離、提高有效載荷等[5]。因此，研發(fā)新型輕質(zhì)材料是航空航天領(lǐng)域密切關(guān)注的熱點(diǎn)。研究表明，飛機(jī)減重的最有效的方式為降低飛機(jī)所用材料的密度。通過(guò)降低材料密度來(lái)減重比增加拉伸強(qiáng)度、彈性模量、降低損傷容限等方法有效3～5倍[5]。鋁鋰合金具有很多優(yōu)越的性能，如低密度、高彈性模量、高比剛度和比強(qiáng)度、良好的抗腐蝕性能等[6-8]。相比于傳統(tǒng)鋁合金，使用鋁鋰合金可以使結(jié)構(gòu)件重量減輕10%～15%，剛度提高15%～20%。此外，鋁鋰合金的材料制備和零件制造工藝都與普通鋁合金無(wú)原則上的差別，可沿用普通鋁合金的技術(shù)和設(shè)備；另外鋁鋰合金的成形、維修等都較為方便。

圖1 不同合金元素對(duì)鋁合金的影響

機(jī)載計(jì)算機(jī)會(huì)經(jīng)受各種惡劣環(huán)境因素的影響，包括高溫、低溫、潮濕、鹽霧、霉菌、生物蛀蝕、雷電、沙塵、日照、輻射等。機(jī)箱是機(jī)載計(jì)算機(jī)重要的組成部分，是機(jī)載計(jì)算機(jī)可靠工作的保證。機(jī)載計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括熱設(shè)計(jì)、抗振防沖設(shè)計(jì)、電磁兼容設(shè)計(jì)、防腐蝕設(shè)計(jì)。因此，對(duì)于機(jī)箱材料，其密度、導(dǎo)熱系數(shù)、強(qiáng)度、電磁屏蔽性能、耐腐蝕性能至關(guān)重要。使用鋁鋰合金替代傳統(tǒng)鋁合金作為機(jī)箱材料有望實(shí)現(xiàn)減重的目的，提高飛機(jī)性能并降低油耗。同時(shí)，鋁鋰合金的強(qiáng)度和耐腐蝕性能也優(yōu)于傳統(tǒng)鋁合金[9-10]。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)選用西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司生產(chǎn)的6061鋁合金和鄭州輕研合金科技有限公司生產(chǎn)的5A90鋁鋰合金，其成分如表1所示。

使用6061鋁合金和5A90鋁鋰合金制造同尺寸的機(jī)箱（318 mm×194 mm×190.5 mm，壁厚為1.2 mm），且對(duì)比其重量和力學(xué)性能差異。通過(guò)真空釬焊、電子束焊接和攪拌摩擦焊技術(shù)焊接6061鋁合金和5A90鋁鋰合金機(jī)箱，測(cè)試焊縫抗拉強(qiáng)度，驗(yàn)證其焊接工藝。并對(duì)6061鋁合金和5A90鋁鋰合金樣片進(jìn)行環(huán)境適應(yīng)性驗(yàn)證，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)參考GJB150A。

2 結(jié)果與討論

2.1 密度

如表2所示，6061鋁合金和5A90鋁鋰合金的密度分別為2.7 g/cm3和2.47 g/cm3，5A90鋁鋰合金的密度明顯低于6061鋁合金。6061鋁合金和5A90鋁鋰合金材料所制造的同尺寸機(jī)箱相比，前者質(zhì)量為2.29 kg，后者質(zhì)量為2.09 kg?？梢?jiàn)，使用鋁鋰合金替代傳統(tǒng)鋁合金可以使機(jī)箱減重約10%左右。

表2 6061鋁合金和5A90鋁鋰合金性能對(duì)比

2.2 力學(xué)性能

機(jī)載計(jì)算機(jī)在使用過(guò)程中會(huì)受到振動(dòng)和沖擊的作用，因此，對(duì)機(jī)箱材料的強(qiáng)度提出了一定要求。如表2所示，5A90鋁鋰合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別為512 MPa和437 MPa，遠(yuǎn)高于6061鋁合金。因此使用鋁鋰合金替代傳統(tǒng)鋁合金在力學(xué)性能方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。

2.3 焊接技術(shù)與工藝

2.3.1 真空釬焊

真空釬焊是將工件置于真空室內(nèi)進(jìn)行加熱熔化焊接，該技術(shù)被廣泛應(yīng)用于鋁合金的焊接。5A90鋁鋰合金材料固相線低（536oC），超過(guò)500oC就容易出現(xiàn)過(guò)燒的特性。因此，傳統(tǒng)6061鋁合金（固相線582oC）所用的真空釬焊釬料不能解決5A90鋁鋰合金的真空釬焊問(wèn)題。6061鋁合金所用的A1SiMg釬料4004的熔化溫度為555～590oC，超過(guò)5A90鋁鋰合金母材固相線溫度54oC，超過(guò)過(guò)燒控制溫度90oC。經(jīng)調(diào)研，目前市場(chǎng)上暫時(shí)沒(méi)有符合要求的焊料。

2.3.2 電子束焊接

電子束焊接技術(shù)是將高能電子束作為加工熱源，用高能量密度的電子束轟擊焊件接頭處的金屬，使其快速熔融，然后迅速冷卻來(lái)達(dá)到焊接的目的。該技術(shù)焊接速度快、能量密度大、所得焊縫較窄、焊接應(yīng)力和變形較小，可以被用于鋁鋰合金的焊接[11]。機(jī)載計(jì)算機(jī)機(jī)箱產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)適合于電子束焊接，因此下面對(duì)該工藝進(jìn)行了驗(yàn)證。

為驗(yàn)證電子束焊接的強(qiáng)度和工藝，首先對(duì)樣件焊縫強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)證，具體試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)參考GB/T 228.1-2010。驗(yàn)證結(jié)果顯示，5組樣件中，樣件1從本體斷裂，其余4件從焊縫斷裂。樣件的焊縫抗拉強(qiáng)度如表3所示。

表3 電子束焊接焊縫強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，電子束焊接焊縫強(qiáng)度高于母材80%以上。

2.3.3 攪拌摩擦焊

近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的攪拌摩擦焊接技術(shù)也被應(yīng)用于鋁鋰合金的焊接[12]。攪拌摩擦焊是通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭與被焊材料表面間生成的摩擦熱而實(shí)現(xiàn)焊接。該技術(shù)焊接接頭外觀平整、性能優(yōu)良、殘余應(yīng)力和變形小，并且無(wú)煙塵、無(wú)飛濺、不需要焊絲。該工藝特點(diǎn)適合于側(cè)壁液冷機(jī)箱和貫穿式液冷模塊結(jié)構(gòu)件的焊接。表4所示為1420鋁鋰合金采用攪拌摩擦焊時(shí)的焊縫性能[13]。

表4 攪拌摩擦焊焊縫性能

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，攪拌摩擦焊接的焊縫強(qiáng)度可達(dá)400 MPa以上。當(dāng)攪拌頭轉(zhuǎn)速和前進(jìn)速度差別不大時(shí)，焊縫抗拉強(qiáng)度的差別也不大。

因此，應(yīng)用于傳統(tǒng)鋁合金的真空釬焊技術(shù)不能滿足鋁鋰合金的焊接要求，但是電子束焊接和攪拌摩擦焊接技術(shù)能夠滿足鋁鋰合金的焊接要求，可以被應(yīng)用于鋁鋰合金的焊接。

2.4 環(huán)境適應(yīng)性驗(yàn)證

考慮到機(jī)載電子設(shè)備的特點(diǎn)和材料的基本屬性，環(huán)境適應(yīng)性要求中高低溫可不進(jìn)行驗(yàn)證，重點(diǎn)驗(yàn)證材料抗鹽霧、濕熱、霉菌及酸性大氣的性能。試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)參考GJB150A，驗(yàn)證結(jié)果如表5所示。

表5 5A90鋁鋰合金環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

根據(jù)三防試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果，5A90鋁鋰合金可滿足機(jī)載環(huán)境適應(yīng)性要求。

綜上所述，鋁鋰合金替代傳統(tǒng)鋁合金作為機(jī)箱材料可使機(jī)箱減重10%左右，同時(shí)鋁鋰合金已經(jīng)通過(guò)各種試驗(yàn)驗(yàn)證，可作為機(jī)載計(jì)算機(jī)機(jī)箱材料推廣使用。

3 結(jié)論

（1）相比于6061鋁合金，使用5A90鋁鋰合金制作機(jī)載計(jì)算機(jī)機(jī)箱可減重10%左右。

（2）5A90鋁鋰合金的抗拉強(qiáng)度為512 MPa，高于6061鋁合金2倍；屈服強(qiáng)度為437 MPa，高于6061鋁合金3倍。

（3）鋁鋰合金的焊接方法可以采用電子束焊接或攪拌摩擦焊接技術(shù)，焊縫強(qiáng)度均可達(dá)到母材的80%以上，可滿足使用要求。

（4）5A90鋁鋰合金機(jī)箱成功通過(guò)三防試驗(yàn)驗(yàn)證，可滿足機(jī)載環(huán)境適應(yīng)性要求。

盡管鋁鋰合金在機(jī)載計(jì)算機(jī)機(jī)箱材料上的應(yīng)用前景廣闊，但仍然還存在一些問(wèn)題有待研究。尤其是針對(duì)機(jī)載計(jì)算機(jī)的使用環(huán)境，需要進(jìn)一步降低鋁鋰合金的密度以實(shí)現(xiàn)減重的目標(biāo)。同時(shí)，提高鋁鋰合金導(dǎo)熱系數(shù)、增強(qiáng)散熱能力也至關(guān)重要。