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铝锂合金:当代飞机新型材料的挑选

铝锂合金:当代飞机新型材料的挑选

   
      铝锂合金材料是近年来航空航天质料中生长敏捷的一种先辈沉量化构造质料,具有密度低、弹性模量下、比强度和比刚度下、委靡机能好、耐侵蚀及焊接机能好等诸多优秀的综合机能。用其替代通例的下强度铝合金可使构造质量减轻10%——20%,刚度进步15%——20%,因而,正在航空航天范畴显现出了辽阔的运用远景。
  固然铝锂合金正在航空航天范畴显现出了辽阔的运用远景。然则因为其本钱比一般铝合金下、室温塑性差、屈强比高、各向异性显着、冷加工轻易开裂等,致使其成形难度大,现在只能成形较简朴的零件,难以制造庞大的零部件,从而限定了其正在构造部件方面的运用。近年来,外洋铝锂合金的研制和成形手艺日渐成熟,不只正在军用飞机和航天器上大量运用;并且民用飞机铝锂合金的用量也呈增添态势,如“奋进号”航天飞机的外贮箱、空客A330/340/380等系列飞机。正在我国,因为铝锂合金熔铸工艺,板料轧制挤压手艺不成熟,新型铝锂合金的开辟研制相对落伍,现在只正在某些型号的航天器中有少许运用。
 
  1、先辈铝锂合金生长近况
  根据铝锂合金研制的历史进程和身分特性,能够将其划分红3个阶段。
  第 一阶段为开端发展阶段,该阶段的工夫跨度约莫为20世纪50年月至60年代初。其重要代表为1957年美国Alcoa公司研讨胜利的2020合金,并将其应用于水师RA-5C军用预警飞机的机翼蒙皮和尾翼程度安宁面上,得到了6%的加重结果。前苏联正在60年月胜利研制了BAⅡ23合金。但这两款合金延展性低,缺口敏感性下、加工消费难题等,没法知足航空消费及机能要求,已获得进一步的运用。
  20世纪60年月中期,迫于能源危机的压力,铝锂合金被从新正视,并进入了快速发展阶段,即第二阶段。正在那一时期,铝锂合金得到了迅猛生长和周全研讨,个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、弹性模量高档长处,可用其替换航空航天器局部2xxx和7xxx铝合金。如前苏联正在米格-29、苏-35等战斗机及一些近程导 弹弹头壳体上接纳了1420合金构件。第二代铝锂合金虽与得了令人瞩目的研讨和运用结果,然则因为存在严峻的各向异性,且塑韧性低、热袒露严峻、韧性丧失,大部分合金弗成焊等,使其难以取7xxx铝合金合作。
  20世纪80年月末期,以美国的Weldalite049系列合金为典范代表的第三代高强可焊铝锂合金接踵被研发出来,并已胜利应用于航空航天等发域中。现在,新型第三代铝锂合金向着超强、超韧、超低密度等偏向生长,个中高强可焊合金和低各向异性合金的研讨较多。另外,借研制出了具有各向同性、以颗粒或晶须SiC陶瓷为加强体的铝锂金属基复合材料,其弹性模量达130GPa,成为正在航空航天发域中其他复合材料强有力的竞争者。
 
  2、铝锂合金正在航空航天中的运用及其发展趋势
  据统计,每减轻1kg构造重量可以获得10倍以上经济效益,以是密度较低的铝锂合金遭到航天产业的普遍正视。铝锂合金已正在很多航天构件上庖代了通例高强铝合金。个中,美国的运用生长异常快,正在航天产业上的运用尤其凸起。洛克希德·马丁公司应用8090铝锂合金制造了“大力神”运载火箭的有用载荷舱,加重182kg。
  1994年,为处理“奋进号”航天飞机外贮箱的超重题目,洛克希德·马丁公司结合雷诺兹金属公司研发出新型2195质料以庖代之前的2219合金。该合金的密度比2219合金的沉5%,而其强度则比后者下30%。接纳2195制造的整体焊接构造贮箱,减轻重量3405kg,个中液氢箱减重1907kg,液氧箱减重736kg,间接经济效益远7500万美元,因而被称为超沉燃料贮箱(SuperLight Weight Tank)。俄罗斯正在铝锂合金的研讨、消费和运用方面也一向处于领先地位,为进步载荷才能,航天飞机的中燃料贮箱便接纳铝锂合金制成,“能源号”运载火箭的高温贮箱是接纳1460铝锂合金制成。
  正在航空范畴,很多先辈的战斗机和民用飞机皆选用了铝锂合金。1988年,洛克希德·马丁战役飞机体系公司、航空器体系公司取雷诺兹金属公司配合制订了开辟2197合金运用的企图——用其厚板制造战役机舱壁船面。1996年,美国空军F-16型飞机最先用此合金厚板制造后舱船面及其他零部件。
  除美外洋,其他国家,如俄国、英国、法国等皆正在主动推动铝锂合金正在航空航天器上的运用:威斯特兰(Westland)EH101型直升机25%的结构件是用8090合金制造的,其总质量下落约15%;法国的第三代推费尔(Rafele)战斗机企图用铝锂合金制造其构造框架;俄罗斯正在俗克-36、苏-27、苏-36、米格-29、米格-33等战斗机皆有大量零部件是用铝锂合金制造的。
  正在民用飞机方面,空中客车产业公司的A330、A340和A380客机上皆运用了铝锂合金,个中,A330和A340每架飞机约有3t的铝锂合金用于机身构造、桁条等部件,现在较新型的A350客机正在原有基础上,初次正在机身蒙皮上运用全新的2198铝锂合金。美国的波音747、777客机、麦道系列飞机等均运用了铝锂合金,其运用部位包孕燃料箱、隔框、机翼蒙皮、前缘、后缘等。庞巴迪C系列飞机机身也将悉数接纳全新的铝锂合金。
 
3、铝锂合金的先辈制造手艺及其发展趋势
  超塑成形及散布衔接手艺
  超塑成形及超塑成形/散布衔接手艺(SPF及SPF/DB)是应用质料的超塑性,对外形庞大、难以加工的薄壁零件,接纳吹塑、胀形等要领停止成形的历程,是一种险些无余量、低成本、高效的特种成形要领。铝锂合金与其他超塑质料一样可以经由过程合金化大概机器热处理得到匀称、微小、等轴晶而发生超塑性能。铝锂合金的SPF研讨始于1980年,正在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初次演示了铝锂合金的超塑性征象及其超塑F零件。
  美国Weldalite049合金具有同的超塑性,正在507℃固溶处置惩罚,不加反压,4×10-3应变速度下,延长率可达829%。那一应变速度显着高于其他铝合金的应变速度,那对处理超塑工艺速度低的题目有重要意义。俄罗斯曾经对1420接纳SPF工艺加工了很多飞机的零部件,有的尺寸达1200mm×600mm。
  海内航天质料及工艺研究所、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组合工艺停止了大量的开辟性事情,与得了许多结果。现在,铝锂合金的超塑成形正由次承力构件背主承力构件生长,而且由单一的超塑成形背超塑成形/散布衔接的组合工艺生长,使铝锂合金加工本钱更低,构造更具整体性、沉质量。
 
  旋压手艺(Spin Forming)
  旋压手艺是一项综合了铸造、挤压、拉伸、蜿蜒等工艺特性的少无切削加工的先辈工艺。剪切旋压是近年来正在传统旋压手艺基础上生长起来的新型旋压手艺,它不改动毛坯的外径而改动其厚度去实现制造圆锥等种种轴对称薄壁件的旋压体式格局(锥形变薄旋压)。这类成形要领的特性是旋轮受力较小,半锥角和壁薄相互影响,质料活动流通,外面粗拙度好和成形精度下,而且能较轻易天成形、拉伸、旋压难于成形的质料。航天器上很多Al-Li合金构件都是空心回转体薄壳构造,稀奇合适用旋压法加工,个中较典范的零件是运载火箭高温贮箱的圆顶盖。
  美国“大力神”运载火箭圆顶盖接纳3块直径为0.65m,薄为10.7mm的Weldalite049板材旋压抑造。个中1块中部是运用变极性等离子弧焊(VPPA)焊接,经由343℃/4h去除应力,旋压时,一切毛坯用火焰加热连结317℃;成形后停止505℃/0.5h固溶处置惩罚,水淬;再经177℃/18h野生时效,测得其室温拉伸强度达600MPa阁下,-196℃时增添到700MPa,且有很好的断裂韧性。“奋进号”航天飞机的外贮箱圆顶盖也接纳了雷同的旋压手艺,并在外贮箱的筒段接纳了先辈的剪切旋压手艺。
 
  辊锻成形手艺(Roll Forging)
  Al-Li合金特别是Weldalite系列合金和1420合金具有优越的铸造机能,用它们制造的模锻件不会泛起开裂,这已被150多种锻件所证明。因此将其应用于航空航天产业具有辽阔的远景。辊锻是近年来生长起来的新型远净成形手艺,将质料正在一对反向扭转模具的感化下发生塑性变形获得所需锻件或锻坯的塑性成形工艺。辊锻成形的生长有两个主要范畴。
  其一,是正在长轴类锻件消费上实现体积分派取预成形,削减成形负荷,构成精辊精锻复合生产线,用较少投资大批量消费庞大锻件。其二,是周详辊锻手艺,包孕冷精辊手艺。正在板片类零件的周详成形上有优越的发展前景,如正在叶片成形取变截面钢板弹簧上均有上风。近年来辊锻成形的两个偏向被胜利应用于铝锂合金的环形锻件和带筋条的钣金件。如“奋进号”航天飞船外贮箱的“Y”形框和对接环。
 
  焊接手艺(Welding)
  焊接是制造铝锂合金航空航天产物如贮箱、弹头外壳等的重要工艺之一。前苏联研讨1420合金的焊接工夫长达10多年,从焊接工艺要领、焊接组 织、焊接机能及焊后热处理皆停止了深切的理论研究和讨论。20世纪80年月借展开了1460高强合金可焊性的研讨。接纳钨极氢弧焊(GTAW)和真空电子束焊(EB)工艺的1460合金,已胜利用于制造“能源号”运载火箭贮箱。
  美、欧等国的铝锂合金焊接始于20世纪80年代初,取俄国差别的是,美国稀奇注意焊接裂纹的研讨。美国接纳的焊接要领重要有GTAW、EB、VPPA(变极性等离子弧焊)等,并用VPPA法焊接了Weldalite049合金制造的航天飞机外贮箱,Alcoa公司接纳EB焊对12.7mm薄的2090合金板材施焊,焊透率达100%。
  远几年2种新型焊接手艺:搅拌摩擦焊和激光焊接手艺也最先应用于铝锂合金制造研讨。美国洛克希德·马丁公司用搅拌摩擦焊对2.3——8.5m薄的2195AI-Li合金及2219合金板材停止焊接,发明讨论强度可进步15%——26%,焊缝断裂韧性增高30%,塑性进步1倍,焊缝组 织极微小。空客公司经由20多年的勤奋应用激光焊接手艺制造了大型客机用单光束“T”结构件,并胜利应用于A330、A340、A380等客机机身壁板上。
 
  新型热处理工艺技术
  铝锂合金的重要长处是密度低、比模量高、耐侵蚀强等,综合机能较通例下强度铝合金优秀。但正在以压应力为主的变振幅委靡实验中,铝锂合金的那一长处不复存在,主要原因在于,其峰值强度质料短-横向的塑性取断裂韧性低,各向异性严峻,野生时效前需施加肯定的冷加工量才气到达峰值机能,委靡裂纹呈邃密的显微程度时,扩大速度明显加速。为改进铝锂合金的委靡、断裂韧性等机能,美国航天宇航局便新型的2195铝锂合金做了大量的研究工作,开辟了单级、三级、五级热处理工艺,使得2195合金的室温断裂韧性和委靡机能进步了远30%,而强度取传统时效相称。
  目前我国研发新型铝合金的同时,正在生产工艺上也做了大量研讨。经由过程新的热处理工艺(T74、T73)大幅度进步了7xxx合金断裂韧性和抗应力侵蚀开裂机能,并进一步研讨开辟7xxx合金的热处理工艺,如7075-T76用于L-1011机翼挤压壁板,7075-T736用于起落架构件、窗框和液压体系部件。然则现在针对铝锂合金的研究工作,尚正在起步阶段,根蒂根基研讨相对较强,离运用另有间隔。铝锂合金的热处理应当正在铝合金热处理的基础上,联合外洋的新工艺新方法,展开体系的根蒂根基研讨,以求早日实现铝锂合金热处理工艺的工业化运用。
 
   (1)作为航空航天主要的构造质料,铝锂合金遭到西方国家的普遍正视,现在第三代铝锂合金已正在大型商用客机制造中得到运用并成为将来机型生长的主要趋向。但现在,新型铝锂合金重要依托外洋供应商,不只本钱下,并且得不到钣金、热处理等相干关键技术的支撑,因而自力开辟和研制新型高强、下毁伤容限铝锂合金是我国铝锂合金将来生长的主要偏向。另外,铝锂合金和复合材料是将来民用飞机的主要挑选,怎样进步其加重效益、强度和毁伤容限是开辟新型合金面对的严重应战。
  (2)铝锂合金正在锻造、轧制等手艺逐步成熟的基础上,先辈加工制造手艺络续拓宽,超塑成形、旋压、辊锻焊接等新工艺络续立异,并已获得严重的运用结果,但是,因为其本身机能限定,室温成形才能仍较难题。铝锂合金正在大型客机中的运用重要以热成形为主,因而,处理和实现庞大结构件的室温钣金成形和热处理工艺是将来我国大型客机用铝锂合金运用的关键技术和发展方向,同时正在传统工艺基础上络续开辟新型手艺,进步成形精度、效力和质量。
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2018/02/08 02:10
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