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铝锂合金:现代飞机新型材料的选择

铝锂合金:现代飞机新型材料的选择

20世纪60年代中期,迫于能源危机的压力,铝锂合金被重新重视,并进入了快速发展阶段,即第二阶段。在这一时期,铝锂合金得到了迅猛发展和全面研究,其中具有代表性的合金有:前苏联研制的1420合金,美国Alcoa公司的2090合金,英国Alcan公司的8090和8091合金等。这些合金具有密度低、弹性模量高等优点,可用其替代航空航天器部分2xxx和7xxx铝合金。如前苏联在米格-29、苏-35等战斗机及一些远程导弹弹头壳体上采用了1420合金构件。第二代铝锂合金虽取得了令人瞩目的研究和应用成果,但是由于存在严重的各向异性,且塑韧性低、热暴露严重、韧性损失,大部分合金不可焊等,使其难以与7xxx铝合金竞争。

20世纪80年代末期,以美国的Weldalite049系列合金为典型代表的第三代高强可焊铝锂合金相继被研发出来,并已成功应用于航空航天等领域中。目前,新型第三代铝锂合金向着超强、超韧、超低密度等方向发展,其中高强可焊合金和低各向异性合金的研究最多。此外,还研制出了具有各向同性、以颗粒或晶须SiC陶瓷为增强体的铝锂金属基复合材料,其弹性模量达130GPa,成为在航空航天领域中其他复合材料强有力的竞争者。

铝锂合金:现代飞机新型材料的选择

2、铝锂合金在航空航天中的应用及其发展趋势

据统计,每减轻1kg结构重量可以获得10倍以上经济效益,所以密度较低的铝锂合金受到航天工业的广泛重视。铝锂合金已在许多航天构件上取代了常规高强铝合金。其中,美国的应用发展非常快,在航天工业上的应用尤为突出。洛克希德·马丁公司利用8090铝锂合金制造了“大力神”运载火箭的有效载荷舱,减重182kg。

1994年,为解决“奋进号”航天飞机外贮箱的超重问题,洛克希德·马丁公司联合雷诺兹金属公司研发出新型2195材料以取代之前的2219合金。该合金的密度比2219合金的轻5%,而其强度则比后者高30%。采用2195制造的整体焊接结构贮箱,减轻重量3405kg,其中液氢箱减重1907kg,液氧箱减重736kg ,直接经济效益近7500万美元,因此被称为超轻燃料贮箱(SuperLight Weight Tank)。俄罗斯在铝锂合金的研究、生产和应用方面也一直处于领先地位,为提高载荷能力,航天飞机的外燃料贮箱便采用铝锂合金制成,“能源号”运载火箭的低温贮箱是采用1460铝锂合金制成。

在航空领域,许多先进的战斗机和民用飞机都选用了铝锂合金。1988年,洛克希德·马丁战斗飞机系统公司、航空器系统公司与雷诺兹金属公司共同制定了开发2197合金应用的计划 ——用其厚板制造战斗机舱壁甲板。1996年,美国空军F-16型飞机开始用此合金厚板制造后舱甲板及其他零部件。除美国外,其他国家,如俄国、英国、法国等都在积极推进铝锂合金在航空航天器上的应用:威斯特兰(Westland)EH101型直升机25%的结构件是用8090合金制造的,其总质量下降约15%;法国的第三代拉费尔(Rafele)战斗机计划用铝锂合金制造其结构框架;俄罗斯在雅克-36、苏-27、苏-36、米格-29、米格-33等战斗机都有大量零部件是用铝锂合金制造的。

在民用飞机方面,空中客车工业公司的A330、A340和A380客机上都使用了铝锂合金,其中,A330和A340每架飞机约有3t的铝锂合金用于机身结构、桁条等部件,目前最新型的A350客机在原有基础上,首次在机身蒙皮上使用全新的2198铝锂合金。美国的波音747、777客机、麦道系列飞机等均使用了铝锂合金,其使用部位包括燃料箱、隔框、机翼蒙皮 、 前缘、后缘等。庞巴迪C系列飞机机身也将全部采用全新的铝锂合金。

铝锂合金:现代飞机新型材料的选择

3、铝锂合金的先进制造技术及其发展趋势

1 超塑成形及扩散连接技术

超塑成形及超塑成形/扩散连接技术(SPF及SPF/DB)是利用材料的超塑性,对形状复杂 、难以加工的薄壁零件,采用吹塑、胀形等方法进行成形的过程,是一种几乎无余量 、低成本、高效的特种成形方法。铝锂合金与其他超塑材料一样可以通过合金化或者机械热处理获得均匀、细小、等轴晶而产生超塑性能。铝锂合金的SPF研究始于1980年,在1982年的范堡罗国际航空展览会上英国超塑性成形金属公司首次演示了铝锂合金的超塑性现象及其超塑F零件。美国Weldalite049合金具有异的超塑性,在507℃固溶处理,不加反压 , 4×10-3 应变速率下,延伸率可达829%。这一应变速率明显高于其他铝合金的应变速率 , 这对解决超塑工艺速度低的问题有重要意义。俄罗斯已经对1420采用SPF工艺加工了许多飞机的零部件,有的尺寸达1200mm×600mm。国内航天材料及工艺研究所、北京航空制造工程研究所等科研单位针对铝锂合金的SPF及SPF/DB组合工艺进行了大量的开拓性工作, 取得了很多成果。目前,铝锂合金的超塑成形正由次承力构件向主承力构件发展,并且由单一的超塑成形向超塑成形/扩散连接的组合工艺发展,使铝锂合金加工成本更低,结构更具整体性、轻质量。

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剪切旋压

2 旋压技术(Spin Forming)

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