鋁-鋰合金首次亮相中國(guó)民航機(jī)

　　1. C919用了哪些鋁-鋰合金？
　　C919前機(jī)身蒙皮、機(jī)頭蒙皮、中機(jī)身蒙皮、中后機(jī)身蒙皮是用2198-T8鋁-鋰合金厚板與Al-Li-S4-T8鋁-鋰合金厚板制造，這里所說(shuō)的厚板是指厚度>6mm的板材；前機(jī)身長(zhǎng)桁、機(jī)頭長(zhǎng)桁、中機(jī)身長(zhǎng)桁與地板梁、支柱、座椅導(dǎo)軌是用2196-T8511/2099-T83鋁-鋰合金擠壓材等制造的；中后機(jī)身的長(zhǎng)桁用的是2196-T8511/2099-T83鋁-鋰合金擠壓材，它的地板梁與支柱的用材料為2099-T83、2196-T8511鋁-鋰合金擠壓材。由此可見(jiàn)，C919用的常用鋁-鋰合金有3種：2196、2198、2099，它們都已在美國(guó)鋁業(yè)協(xié)會(huì)公司（AA）注冊(cè)，注冊(cè)年度依次為2000年、2005年、2003年，都是美國(guó)合金，還用了一種牌號(hào)為Al-Li-S4-T8的鋁-鋰合金，但其成分未見(jiàn)報(bào)道。

　　由表2中的數(shù)據(jù)可見(jiàn)，2099合金是一個(gè)很純的合金，它的雜質(zhì)鐵、硅含量很低，必須用高純?cè)X錠配制，同時(shí)它的鋰含量也高，因此其材料的價(jià)值比其他兩種合金的都高。2196和2198合金還含有少量的銀，銀能顯著加速Al-Li合金的時(shí)效強(qiáng)化過(guò)程，總的來(lái)說(shuō)，含Ag的鋁-鋰合金的綜合性能優(yōu)于不含銀的鋁-鋰合金，銀不但能細(xì)化合金的晶粒，而且加速合金的時(shí)效析出過(guò)程，使時(shí)效后合金的塑性有較大的下降。
　　2099合金還含有0.40%~1.0%Zn，鋅可與Mg形成n'（MgZn2）相并促進(jìn)δ'和S'相的析出，從而提高其力學(xué)性能，時(shí)效前的預(yù)應(yīng)變可促使Al-LI-Cu-Mg-Zn-Zr合金在190℃時(shí)效后的抗拉強(qiáng)度提高約20N/mm2。
　　2. C919用的鋁-鋰合金從哪里來(lái)？
　　C919機(jī)身蒙皮用的板材，長(zhǎng)桁、地板梁、支柱等用的擠壓材，座椅導(dǎo)軌等鋁-鋰合金材料與機(jī)身等直段用的所有鋁-鋰鋁合金材料是美國(guó)鋁業(yè)公司（Alcoa）提供的，而且其他一切鋁材也是從美國(guó)鋁業(yè)公司進(jìn)口的，板材產(chǎn)于達(dá)文波特廠(chǎng)（Davenport Works），擠壓材與鍛件是拉斐特廠(chǎng)（Lafayette Works）加工的。除鋁-鋰合金擠壓材外，其他擠壓鋁材有一部分是美國(guó)鋁業(yè)公司設(shè)在韓國(guó)的一個(gè)擠壓廠(chǎng)生產(chǎn)的。
　　C919是由一百多萬(wàn)個(gè)零部件連接組裝而成，鋁合金零件的連接與其他零件的連接如發(fā)動(dòng)機(jī)與機(jī)翼的連接，在飛機(jī)制造中起著非常重要的作用，所有的連接緊固件是美國(guó)鋁業(yè)公司設(shè)在中國(guó)江蘇省蘇州市的兩個(gè)工廠(chǎng)生產(chǎn)的，也可能有一些是進(jìn)口的。古老的鉚接法仍是飛機(jī)零件的主要連接工藝，C919的機(jī)身由一千六七百塊鈑金件組裝而成，僅鉚釘就用了六萬(wàn)多個(gè)，有的為2xxx系合金，有的為含鋰的2xxx系合金。
　　早在2009年年中，中國(guó)商用飛機(jī)有限責(zé)任公司就與美國(guó)鋁業(yè)公司接觸，談判有關(guān)大飛機(jī)項(xiàng)目所用鋁材供應(yīng)的有關(guān)事項(xiàng)，談判甚為順利，美國(guó)鋁業(yè)公司答應(yīng)提供所需的一切高端鋁材，而且價(jià)格比中國(guó)自己生產(chǎn)的還便宜一些，交貨期也得到保證，美國(guó)鋁業(yè)公司還派了材料專(zhuān)家深入中國(guó)商飛公司有關(guān)部門(mén)，幫助鋁材選用與介紹鋁材性能，為了雙方合作得更好，該公司亞太地區(qū)總部特意從北京搬遷到上海。
　　3. 鋁-鋰合金為何博得C919青睞？
　　大家知道，航空航天工業(yè)對(duì)零件質(zhì)量是錙珠必較的，用現(xiàn)在的話(huà)說(shuō)，就是在計(jì)算零件質(zhì)量時(shí)必須精準(zhǔn)到“克”。鋰的密度為540kg/m3，是最輕的金屬元素，是鋁密度的20%，向鋁中每添1%Li，合金的密度均下降約3%，正彈性模量上升約5%。因而含鋰的鋁-鋰合金具有低的密度，高的比強(qiáng)度、比剛度、比彈性模量等優(yōu)點(diǎn)而成為優(yōu)秀的航空航天器用鋁材，有報(bào)道稱(chēng)：如果采用鋁-鋰合金制造波音飛機(jī)結(jié)構(gòu)，其質(zhì)量可以下降14.6%，燃料節(jié)省5.4%，飛機(jī)成本將下降2.1%，每架飛機(jī)每年的飛行費(fèi)用降低2.2%。這就是飛機(jī)制造企業(yè)為什么對(duì)鋁-鋰合金情有獨(dú)鐘的原因。
　　2011年9月11日中國(guó)研制的載人飛行器——天宮一號(hào)發(fā)射成功，順利進(jìn)入預(yù)定軌道。它的資源艙是用鋁-鋰合金制造的，比用2xxx系及7xxxx系常規(guī)合金制造減重10%左右，艙內(nèi)裝有太陽(yáng)能電池、動(dòng)力系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、控制力矩陀螺，加足燃料后總質(zhì)量約1.4t。
　　4. 鋁-鋰合金的發(fā)展歷程
　　世界第一個(gè)含鋰的鋁-鋰合金誕生于上世紀(jì)二十年代初的德國(guó)，商品名稱(chēng)Scleron，但沒(méi)有獲得工業(yè)應(yīng)用。1942年美國(guó)鋁業(yè)公司的利巴朗（Lebaron）發(fā)明的X2020合金（Al-4.5Cu-1.0Li-0.8Mn-0.6Cd）獲得專(zhuān)利，1957年其板材在美國(guó)海軍的A3J偵察機(jī)上獲得應(yīng)用；1960年代初在超聲速轟炸機(jī)B-58和殲擊機(jī)上獲得少量應(yīng)用，但是此合金的斷裂韌性低，尤其是缺口敏感性比7075-T6合金的大。
　　1955年，英國(guó)科學(xué)家哈代（Hardy）與西爾科克（Silcock）對(duì)AL-Li及AL-Cu-Li合金的時(shí)效過(guò)程作了研究，發(fā)現(xiàn)了有序的δ'Al3Li相。1960年蘇聯(lián)研制成D1420合金，其成分（W%）：4~7Mg，1.5~2.6Li，0.2~1.0Mn或0.05~0.3Zr，0.015~0.15Ti，0.05~0.3Cu，其余為AL。1971年英國(guó)富爾默（Fylmer）研究所研制出新的AL-Mg-Li-Zr合金，特別是1973年的石油危機(jī)以后，再次掀起了研究鋁-鋰合金的浪潮，在解決其低韌性與晶界脆性方面取得了突破性的成就，誕生了第三代鋁-鋰合金，如肯聯(lián)鋁業(yè)公司的AirwareTM合金及其生產(chǎn)工藝，在A380寬機(jī)體大飛機(jī)上獲得了大量應(yīng)用，現(xiàn)在飛機(jī)上應(yīng)用的鋁合金都是第三代（表3）。
　　現(xiàn)在，不管什么變形鋁合金，只要是含有合金元素鋰的都被稱(chēng)為鋁-鋰合金。截至2015年1月，在美國(guó)鋁業(yè)協(xié)會(huì)公司注冊(cè)的鋁-鋰合金共25個(gè)，其中屬2XXX系的22個(gè)，Li的最大含量為2.6%（2090合金）；屬8XXX系3個(gè)，含Li最多為8091合金，含2.4%~2.8%，在當(dāng)前常用的（active）的鋁-鋰合金中的鋰含量都不超過(guò)2.8%。
　　在全球發(fā)展鋁-鋰合金歷程中可以明顯地看出，蘇聯(lián)-俄羅斯著重發(fā)展以Al-Mg系合金為基的含鋰合金，而美國(guó)與法國(guó)則發(fā)展以2XXX系合金為基礎(chǔ)的含鋰合金，由于意識(shí)形態(tài)的關(guān)系，蘇聯(lián)研發(fā)的變形鋁合金不到美國(guó)鋁業(yè)協(xié)會(huì)公司注冊(cè)，直到蘇聯(lián)于1991年解體后，1997年俄羅斯才注冊(cè)了一個(gè)非原型合金2224A。筆者所指原型合金是第二位數(shù)字為“0”合金。
　　現(xiàn)在有獨(dú)立鋁-鋰合金工業(yè)的國(guó)家只有美國(guó)、俄國(guó)、法國(guó)和中國(guó)，它們建立了從熔煉-鑄造-加工的完整體系，熔煉-鑄造是生產(chǎn)鋁-鋰合金材料的關(guān)鍵工序?？缮a(chǎn)鋁-鋰合金材料的企業(yè)有美國(guó)鋁業(yè)公司的達(dá)文波特軋制廠(chǎng)、拉斐特?cái)D壓-鍛造廠(chǎng)、英國(guó)的基茨格林軋制廠(chǎng)（kitts Green Works）、俄羅斯的薩馬拉冶金公司（Samara）、意大利的富西拉（Fusina）軋制廠(chǎng)；肯聯(lián)鋁業(yè)公司的法國(guó)伊蘇爾（Issoire）軋制廠(chǎng)；俄羅斯聯(lián)合鋁業(yè)公司的卡緬斯克冶金公司；中國(guó)的西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司。全世界2015年鋁-鋰合金材料生產(chǎn)能力約200kt/a，其中美國(guó)鋁業(yè)公司占50%以上。