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浅议世界铝-锂合金产业（上）——欧美国家铝-锂合金的发展

2022-1-22 15:08

阅读：3693

| 出品：｢Aluminum｣公众号

| 原作者：王祝堂

| 整理：三铝大夫

铝-锂合金是一种战略新兴材料。自1924年诞生第一个加入锂元素的铝合金，现在将近100年了。

C919大飞机选择大量使用铝-锂合金，提升了铝-锂(Al-Li)合金在公众的关注度，但C919所采用的Al-Li合金需全部进口。

2020年，王祝堂教授在《中国有色金属报》刊文，总结回顾欧美、苏联/俄罗斯以及中国铝-锂合金的发展。回顾铝-锂合金的发展历史可以帮助我们更好的了解铝-锂合金的材料谱系，总结经验，研判发展趋势。

从上世纪50年代研发的第一代2020、BAЛ23合金，到80年代研发的第二代2090、8091、8090以及1420合金，在将近30年的时间里，除苏联的1420外，其余铝-锂合金发展一直都是不温不火，只有较小范围的应用。

直到90年代，研究人员改变铝-锂合金的开发思路，研发出第三代铝-锂合金，2198、2050、2195、2199、Weldalite 049、1460、2065等第三代铝-锂合金产品大量涌现，铝-锂合金板材、型材、锻件产品开始在各种航空航天器上使用。第三代铝-锂合金以肯联铝业的Airware系列为代表，在商业上获得了极大的成功，Aluminum公众号曾专门介绍过Airware铝锂合金产品方案。

Aluminum公众号分上、中、下三篇转载王祝堂教授的文章，此文是上篇，介绍欧美国家的铝-锂合金的发展情况。

铝-锂合金除含Li外，还含Cu、Mg、Mn、Si、Zn等主要合金元素，以及Zr、Sc、Ce、Ag等微合金化元素。

锂是地球上最轻的金属元素，向铝中每添加质量分数为1%的Li，可降低该合金密度3%、弹性模量上升5%～6%。铝-锂合金是近40多年来发展最快的一种轻量化结构材料，具有低密度、高的弹性模量、比强度、比刚度、疲劳强度、可焊性等优点，用其取代传统高强度铝合金可使结构质量减轻10%～20%，刚度提高15%～20%。

铝-锂合金

凡是含有合金化元素锂的铝合金都称铝-锂（Al-Li）合金，不管其含量多少。

截至2019年年底，全世界注册的Al-Li合金约60个，其中：在美国铝业协会（AA）注册的38个（2×××系的33个、8×××系的5个，常用的34个，非常用的4个）；在俄罗斯ГOST注册的约15个（AI-Mg合金基的10个，Al-Cu合金基的5个）；其他国家的约10个。

在这60多个合金中，含Li量最低的是2018合金，只有0.50%～1.00%，而含Li量最高的是1999年注册的英国合金8024，为3.4%～4.2%，俄罗斯的1420合金，为4.5%～6.0%。看来，在铝-锂合金中，锂含量宜≥0.50%与≤6.5%。

铝-锂合金发展的4个阶段

按照铝-锂合金的发展可分为4个阶段。

上世纪20年代中期至50年代末为第一阶段，研发的合金可认为是第一代。

|| 第1代铝-锂合金

德国是铝-锂合金的诞生地，1924年在德国出现了世上首个名为“斯克莱龙（Scleron）”的合金，由于性能没有得到全面的改善，仅其硬度比2024合金的略高些，同时，由于熔炼技术的制约，没有形成生产能力和应用，几年后销声匿迹，它的质量分数为Al-12%Zn-3%Cu-0.6%Mn-0.1%Li。

1957年，美国铝业公司推出2020合金（1.1%Li-4.5%Cu-0.5%Mn-0.2%Cd，其余为Al及不可避免的杂质），此合金于1974年11月列入非常用合金（inactive alloy），1961年，苏联研发出BAЛ23合金（0.9%～1.4%Li、4.8%～5.8%Cu、0.4%～0.8%Mn、0.1%～0.25%Cd、0.15%Fe、0.1%Si，其余为Al）。2020合金在美国海军RA-5C预警机上获得应用，用于制造机翼蒙皮和尾翼水平稳定面，减重6%。不过2020合金和BAЛ23合金的塑性低、缺口敏感性高，加工困难，成品率低，无法满足航空工业的需求，应用受到限制，2020合金于1974年11月7日被列为非常用合金，BAЛ23合金的命运也如此。

|| 第2代铝-锂合金

20世纪70年代中期（1973年开始）世界石油危机以来，装备轻量化要求提上日程，Al-Li合金被重新重视，获得了迅猛发展，各大铝业公司纷纷加大投入，硕果累累。

美国铝业公司于1984年注册了2090合金；
英国的加拿大铝业公司（Alcan）于1985年注册了8091合金，欧洲铝业协会（EAA）1984年注册了8090合金，前者含2.4%～2.8%Li，后者含2.3%～2.7%Li；
苏联也研制成功了1420合金，其成分为（质量%）：1.9～2.9Li，4.5～6.0Cu，0.08～0.15Zr，0.2Fe，0.15Si，其余为AI，在苏联的米格-29、苏-35等战斗机上和一些远程导弹弹头壳体上获得应用。

这些第二代Al-Li合金的不足之处是：

抗拉强度普遍不高，一般都＜500MPa
各向异性较为突出，短横向强度更低，裂纹敏感性大
热稳定性差，不能在80℃～100℃长期工作，否则脆性增加
可焊性差，加工成形性低

因此，第二代Al-Li合金在与7×××系合金的较量中，败下阵来。除苏联的1420合金外，其它的都很少获得实际应用。

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|| 第3代铝-锂合金

针对第2代铝-锂合金存在的上述问题，20世纪90年代，各国开展了第3代铝-锂合金的研究。和第2代Al-Li合金相比，第3代Al-Li合金主要降低了合金中的Li含量，提高合金中的Cu含量，并通过一些微合金化元素进一步改善合金的力学性能，合金的各向异性大大降低，强韧性有了显著提高。

在此期间，加拿大铝业公司（Alcan）、美国的美铝公司（Alcoa）、雷诺兹金属公司（Reynolds Metals）、凯撒铝业公司（kaiser）、Martin Maritta公司，法国的普基铝业公司（Pechiney Aluminium）、苏联都对Al-Li合金进行了较大规模的研发，涌现出一批新型的Al-Li合金，如2050、2195、2196、2297、2397、2098、2198、2099、2199、Weldalite 049、1460合金，它们都是美国研发的，法国研发并注册的有2065、2076、2091与2298合金，这些第三代合金在航空航天器上都获得了不同程度的应用。

这些第三代铝-锂合金曾一度获得较为广泛的应用：2195合金是最先得到商业应用的，用于制造发射航天器的火箭低温燃料箱；2196合金不但具有低的密度、还有高的强度与断裂韧性，原为哈勃望远镜太阳能板边框研发，之后其挤压材用于制造商用飞机结构件；2098合金是为休斯通讯卫星终端（HSCT）研发的，因其具有的疲劳性能高，后用于制造F-16型机的机身和空间（Space）X公司猎鹰火箭燃料箱；2198合金薄板在商用飞机结构制造中获得较多应用；2050合金厚板用于取代7050-T7451合金制造商用飞机结构和发射车，2050合金的Cu＋Mn含量比2195合金的低，因而淬火敏感性下降，有利于厚板生产。

第三代AI-Li合金是一代性能优秀的航空航天材料，使科学家认识到，只要成分设计合理，工艺路线和参数制订正确，就可以制备性能更好的合金。第三代AI-Li合金的特点：

适当的密度降低，比常规铝合金的低5%～8%；
强度-韧性平衡更佳；
优良的耐磨性、抗疲劳性能；
各向异性小；
优良的抗腐蚀性；
热稳定性好，有高的抗热性；
加工成形性好，适于激光焊、摩擦搅拌焊；
以及更高的性价比。

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|| 第4代铝-锂合金

2009年，空客公司材料和加工集成部的负责人Roger Digby在一次国际会议上正式提出了第四代铝-锂合金的概念。第四代铝-锂合金的Li含量比第三代更低，而新年的最大特点是在裂纹扩展速率、疲劳性能以及弹性模量等和第三代合金相当的条件下，具有更高的静强度，尤其是屈服强度，和更高的断裂韧性。（此段由三铝大夫补充。）

肯联Airware^TM铝-锂合金

第三代铝-锂合金中最亮的那颗“星”当属美国肯联铝业公司（Constellium）研发的Airware^TM铝-锂合金。(建议看看三铝大夫的文章：肯联铝业公司Airware铝锂合金产品方案)

Airware^TM包含3个2×××系铝-锂合金及其材料的加工工艺，是专为A380飞机的制造研发的（主要是2195和2050合金）。第三代铝-锂合金的综合性能与传统的铝合金、碳纤维增强塑料、格拉尔（GLARE）层压板相比具有明显的优势，因而在航空航天器零部件制造中获得了相当广泛的应用。

2099合金结构件在空客公司A380大飞机制造中大量使用：机身、地板横梁、座位滑轨用的是2099-T83挤压材；机翼纵梁用的是2099-T8E67挤压材，地板梁为2099-T8511挤压型材，座椅导轨、辅助导轨、紧急舱地板等也都是用此合金制造的，2099-TBE77板材用于制造其它零部件。2199合金薄板用以制造A380-F头部和中部机身蒙皮，取代部分2524合金，减重350kg，并用于制备A350机身蒙皮。

美国航空航天局（NASA）制造的奥利安（Orion，希腊神话中的罗马猎神）载人飞船载人舱，是用肯联铝业公司的第三代Al-Li合金厚板制造的，2014年12月发射。中国C919大飞机中段的等直段（7.45m长、4.2m宽）是用从美国铝业公司进口的Al-Li合金制造的，板材来自美国达文波特轧制厂，挤压材来自该公司设在韩国的一个工厂，等直段是中国航空工业集团南昌洪都飞机制造厂生产的，2010年12月7日下线，是C919客机七大部段之一。

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日本铝-锂合金发展

除美国几乎垄断了工业发达国家Al-Li合金的研发与生产外，日本也在加紧研发、生产与推广应用方面的工作，建成了4t级的铝-锂合金真空熔炼-铸造生产线。2000年用H-ⅡA火箭发射的往返航天器Hope－X的主体是采用铝-锂合金制造的，1998年～2002年建设的国际空间站日本舱内的一些零部件也用Al-Li合金打造。

欧美主要铝-锂合金生产工厂

为了满足未来航空航天工业对Al-Li合金的需求，美国铝业公司/奥科宁克公司除了加强研发工作外，二三年前对在全世界的Al-Li合金生产线进行了大规模的改扩建，使2018年的生产能力比2016年的翻了一番：它们是达文波特（Davenport）轧制厂、拉斐特（Lafayette）锻造挤压厂、朗维（Longview）铝业公司（原属雷诺兹金属公司，2003年被美国铝业公司兼并）；英国基茨格林公司，意大利富西纳铝业公司，其中基茨格林轧制公司成为一个专业Al-Li合金厚板轧制厂。Al-Li合金铸锭生产都集中到拉斐特锻造挤压厂，铸锭生产能力＞20kt/a，是世界最大者，可铸造世界最大直径的锭。

另外，凯撒铝业公司对特伦特伍德（Trent wood）轧制厂、肯联铝业公司对西弗吉尼亚州的雷文斯伍德（Reves Wood）轧制厂和在法国的伊苏瓦尔轧制厂的铝-锂合金生产线都作了现代化的技术改扩建，特别对伊苏瓦尔厂的改造更为彻底，生产能力扩大了三倍，成为工业发达国家第二大AI-Li合金板带轧制厂。

法国的伊苏瓦尔铝业公司是美国肯联铝业公司的独资子公司，负责生产铝-锂合金与工艺制订，Airware^TM铝-锂合金就是该厂的产品，但研究工作由在法国的沃雷普（Veroppe）研究所与在加拿大蒙特利尔（Montreal）技术中心进行，这3个单位历时6年半研发与生产了A380飞机所需的全部AI-Li合金材料。伊苏瓦尔铝业公司是欧洲最大的Al-Li合金板材生产厂，欧洲航空航天工业用的铝-锂合金板带材的40%左右是该厂生产的，而Al-Li合金板材的70 %以上由该厂提供。

英国、意大利、韩国虽有生产铝-锂合金的工厂，但是这些工厂都不是所在国的，例如英国基茨格林轧制厂（Kitts Green Works）、意大利富西拉轧制厂(Fusina Works)，他们都生产板材，韩国的一个厂生产挤压材，此三厂都是美国豪梅特航空航天公司（Howmet Aerospace Inc.）的独资子公司，该公司是2020年4月1日从奥科宁克铝业公司（Arconic Corporation）分离出来的，分管工程产品与锻件，而奥科宁克铝业公司则负责通用铝材加工与销售。

爱励铝业公司在德国的科布伦茨（Koblenz）轧制厂也生产Al-Li合金材料，但不成规模。

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本文原载于2020年的《中国有色金属报》，作者：王祝堂，由三铝大夫整理，略有改动。

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