杜 康，王军强，曹海龙，刘 成

（中铝材料应用研究院有限公司，北京 102209）

1 航空航天用铝锂合金发展历程

在航空航天领域，铝合金的首次应用可以追溯到一百多年前的1903 年，美国的莱特兄弟发明了“Flyer”号飞行器，当时的铝材属于发动机的构件之一[1]。随着铝合金性能的不断升级以及其固有的轻量化优势，铝材逐步替代木材、钢材成为飞机上的主力材料。尤其是第二次世界大战中对高机动性轰炸机、战斗机的需求，进一步推动了铝材的应用。以2024、7075等合金为代表的高强韧2×××和7×××系铝合金成为航空航天用铝主流。

按照成分归类Al-Li 合金应当属于2×××（Al-Cu）、5×××（Al-Mg）或8×××系合金中的一支，但是由于其突出的综合性能、特殊的熔铸工艺和广阔的应用前景，逐步成为与2×××、7×××系并列的新一代高性能铝合金。Al-Li合金有望成为下一代最具应用前景的航空航天用铝。其优势主要体现在：（1）密度比传统铝合金更低。锂是最轻的金属，铝中每添加1%的锂可使材料整体密度降低3%（见图1）；（2）综合性能比传统铝合金更优异。Li 元素可以形成Al3Li、AlxCuLi、AlxMgLi 等强化相，显著提高材料弹性模量和强度（见图2）以及耐蚀性、损伤容限等[2]。

图1 常见金属元素添加量对铝合金密度的影响

图2 铝锂合金与7×××系合金性能对比

第一个含锂铝合金是1924 年由德国科学家在实验室配置的，其在Al-Zn-Cu-Mn 系合金中尝试添加了0.1%Li，并命名Scleron 合金。第一代可应用的铝锂合金是美国2020 合金和苏联的BAЛ23 合金，大致成分为4.5Cu1.2Li0.8MnFeSi，材料密度在2.7 g/cm3以下；但由于当时的电解铝冶炼技术较差导致合金的综合性能欠佳，未实现大规模推广。第二代铝锂合金的研制明显受到19 世纪70 年代的能源危机影响，中东战争后原油价格由3美元每桶提升到10 美元每桶，材料轻量化潮流推动了航空航天用铝锂合金的快速发展。第二代铝锂合金中Li添加量在2%以上，同期还研发了AlMgLi系合金，使材料密度进一步降低，最低可达2.5 g/cm3；尽管第二代铝锂合金具有诸多缺点，如各向异性明显、焊接性差等，但是已经开始大规模应用到航空航天和军事领域。随着铝加工领域微合金化（Zn、Mn、Ag、Zr、Sc）技术、电解铝高纯化技术、形变热处理技术的发展，第三代铝锂合金逐步走上历史舞台。此时研究人员不再单纯追求低密度，而是通过优化合金成分、加工工艺和热处理制度等，研发出了强韧性、损伤容限、焊接性能均十分优异的第三代铝锂合金。表1列出了三代铝锂合金的典型牌号及其密度和成分[2-3]。

表1 典型铝锂合金密度及成分

2 国内铝锂合金产业发展

我国铝锂合金的研究始于1986 年开始的第七个“五年计划”，由西南铝业公司、中南大学等单位联合开展了仿2091 中强型铝锂合金的研究。北京航空工程制造研究所利用2091 铝锂合金成功制造出某歼击机用零件，较之前减重15%，成本降低20%[3]。后期又开发试制了1420、2090 合金，生产出了较小规格的型材和板材，“八五”期间西南铝业公司建立了1 t级Al-Li合金半连铸机组，为我国铝锂合金的工业化生产奠定了基础。“九五”期间，根据国家航天发展规划要求，中南大学和西南铝业公司针对液氢/液氧贮箱材料用2195 合金开展系统研制，成功制备了大规格薄壁挤压管材和板材，性能和美国Alcoa 公司的2195 合金相当[3]。2000 年之后，随着国内一系列发射任务及国产大飞机的迫切需求，铝锂合金走上推广应用的快车道。航天一院成功研制出直径3.35 m的铝锂合金燃料贮箱和一体式箱底；中航工业洪都公司生产出C919 用机身等直段筒体，全长7.45 m、宽4.2 m、高4.2 m；江苏豪然公司在全球首次使用喷射沉积法制成Al-Li合金锭。

尽管国内对于铝锂合金的研究和应用越来越广泛，但是原材料生产环节仍然与欧美企业存在较大差距，国产C919大飞机用2060（见表2）、2099等铝锂合金均进口自美国Alcoa公司[4-5]。

表2 国产大飞机使用的2060铝锂合金成分（质量分数/%）

3 铝锂合金在航空航天系统中的应用

由于金属Li 自身密度小（0.534 g/cm3），同时Li 元素可以与Cu、Mg 元素结合形成强化相（Al3Li、Al2CuLi 等），因此铝锂合金体系在实现材料密度降低的同时（2.7 g/cm3），可以显著提高材料比强度和比刚度，因此在航空航天领域得到广泛应用。铝锂合金主要应用部件包括：（1）耐损伤的蒙皮薄板，涉及的主要合金牌号有2060-T8E30、2198-T8、2199-T8E74等；（2）高强韧化机翼壁板或内部承力件，涉及的主要合金牌号有2050-T84、2055-T8X、2199-T86、2060-T8X 等；（3）低密度导轨或承力件，涉及的合金牌号有2196-T8X、2099-T81、1420、2055 等。Wanhill[2]等人对于飞机用铝锂合金给出了详细选材建议，见图3。

图3 飞机用铝锂合金选材建议

在航天领域，基于对高强度、可焊性的要求，铝锂合金主要应用于火箭推进剂贮箱上，包括液氢液氧贮箱筒体和旋压成型的端盖；高强度是航天器选材时的首要考量指标，同时由于上世纪航天飞机失事的原因，对于材料的耐应力腐蚀考核也是铝锂合金的重点关注指标。应用较多的合金牌号有2195-T8X、2055-T84、2098-T8X、2099 等，此类合金密度普遍介于2.6~2.7 g/cm3之间，材料强度达到600 MPa 甚至更高、抗压模量75~79 GPa，比刚度介于26~30 GPa ⋅cm3/g之间。

4 铝锂合金产业化核心技术

4.1 微合金化提升铝锂合金综合性能

微合金化是第三代铝锂合金区别于第二代铝锂合金的显著特点，通过优化铝锂合金中的Zn、Ag、Zr、Mn 元素及配套优化的成形工艺和热处理工艺，可以显著改善材料的强韧性、各向异性、疲劳性能等综合性能。

（1）微合金化可改善铝锂合金的强韧性匹配。第一代和第二代铝锂合金强韧性较低的原因是：（a）材料中存在的δ（Al3Li）相本征特性不利于材料的强韧性，δ 相的点阵常数为0.405 nm，与铝基体完全共格，塑性变形过程中容易被位错切过产生共面滑移，导致应力集中从而降低材料延伸率；（b）Li元素在熔炼过程容易析氢而产生气孔缺陷，从而损害合金的强韧性。

第三代铝锂合金提高材料强韧性的方式主要有：（a）降低Li 元素添加量，从而减少δ 相析出；（b）促进T1（Al2Culi）相析出消耗掉Li元素，从而减少δ 相析出，此方法在实践中多通过添加Ag/Mg元素或预变形的手段进一步促进T1 相形核；（c）通过Zr、Sc等微合金化提高材料强韧性，可部分抵消δ相的不良影响；（d）提高熔体纯净度，减少氧化夹渣和析氢。

（2）微合金化可降低铝锂合金各向异性。铝材各向异性问题并不是仅存在于铝锂合金中，在传统2×××、7×××系合金中同样存在，如美标2050-T84铝锂厚板的三向延伸率分别为8%、6%和2%，7050-T7651 三向延伸率分别7%、6%、1.5%。各向异性现象的产生首先与铸锭的大塑性变形量有关，变形越大则织构取向越明显导致各向性能差异越明显；其次，与析出相大量沿晶界析出有关，在热轧态材料缓冷过程中或后续热处理过程中，析出相沿着纤维状晶粒的晶界析出，形成宏观有序的组织形貌，导致沿变形方向的力学性能明显高于宽向和厚向。

降低各向异性的方法有：①提高再结晶分数，将纤维晶粒转换为等轴晶，但是该方法会导致材料主变形方向性能的下降；②异向轧制或异向拉伸，即在板材宽度方向上施加塑性变形；③减小加工变形量，通过熔铸较小厚度铸锭来提高铸锭质量，同时配合小的变形量，降低各向异性；④优化弥散相的类型。有研究表明使用0.65Mn+0.16%Cr 混合代替0.12%Zr会显著降低板材各向异性，主要机理在于Al6Mn、Al20Cu2Mn3、Al3Zr 等弥散相分散了共面滑移，使滑移更加均匀，从而降低了合金的各向异性[6]。

（3）微合金化可改善铝锂合金的疲劳性能。根据已有研究结论，锂的加入可以有效提高铝合金的疲劳强度［7-9］。从实测数据来看，铝锂合金的疲劳强度明显高于传统2024 合金和7075 合金，提升幅度20~70 MPa（见表3）[10]。当考虑密度时，铝锂合金的疲劳强度进一步增大。第三代铝锂合金2198 和第二代铝锂合金8090 相比，前者的疲劳抗力提高21%，主要改变是降Li、增Cu、加Ag，调整Mn、Mg、Zn，同时降低Fe、Si 含量。通过将F16战机的后机身舱壁由原来使用的2124铝合金换成2197 铝锂合金，解决了疲劳寿命不足、服役时间达不到8 000 h的问题[11]。

表3 典型合金疲劳极限和比疲劳强度对比

4.2 铝锂合金熔体纯净化技术

Al-Li 合金的熔铸难度要高于传统2×××和7×××系合金，主要难点在于：（1）锂元素活泼，与氧气、水蒸气、甚至坩埚材料都能发生反应，产渣量要远远高于普通合金；（2）析氢现象严重，容易导致气孔缺陷，其化学反应式为Li+H2O=Li2O3+2H，研究指出铝锂合金熔体析氢量是普通铝熔体的50倍[12]；（3）Li的密度为0.534 g/cm3，为铝的1/5，容易上浮，这对熔体处理的均匀性提出更高要求。

为了提高铝锂合金熔体纯净度，工业化生产中采用的方法主要有：（1）采用真空熔炼或者高纯惰性气体保护的方法生产大铸锭，通过先抽真空再通入惰性气体保护是目前的主流生产方式；（2）熔炼用坩埚或炉底材料多采用石墨而避免使用普通泥土材料，因为传统泥土材料中含有Al2O3、SiO2等，容易与Li反应产生氧化物[13]，同时应尽量减少坩埚与熔体的接触面积；（3）近年来以喷射沉积为代表的快速凝固方法、粉末冶金方法逐步在铝锂合金熔铸领域实现应用，通过缩短凝固时间、降低反应温度的方式尽可能减少含Li氧化物的产生。

4.3 铝锂合金形变热处理技术

随着技术的进步，形变热处理已经成为制备高强高韧铝材的通用技术。通过对固溶态坯料施加预变形所产生的大量位错作为后续时效过程中析出相的形核质点，可以显著提高时效析出相的分布密度。在铝锂合金中，当T1相在位错形核时，其形核长大需要抵抗的表面能降低，从而提高了其析出密度[14]。T1相密度的增加会减少铝锂合金的共面滑移倾向和塑性变形过程中的应力集中倾向，进而改善合金强韧性。

此外，通过调整时效热处理也可以对材料强韧性进行调整，欠时效状态下材料强度低而韧性较高，峰时效时强度高而断裂韧性显著下降。根据Ashby 统计关系[15]（见图4），在铝合金体系中，铝材的韧性Kc和屈服强度σy的关系符合指数关系因此可以通过形变热处理参数的调整来改善合金中析出相的密度和尺寸，进而达到匹配材料强度和韧性的目的。

图4 常见材料强度与断裂韧性之间的关系

4.4 铝锂合金超塑性成形技术

超塑性（SuperPlastic Forming，SPF）是指金属材料在某些特定的条件下呈现出异常优异的延伸性。即在低的应变速率（ε=10-2～10-4s-1）、一定的变形温度（约为金属熔化温度的50%）和材料本身细小的晶粒尺寸（0.5～5 μm）的条件下，某些金属呈现低强度和大伸长率的一种特性，如钢的伸长率超过500%，纯钛超过300%，铝锌合金超过1000%。SPF 成形技术同样适用于铝锂合金精密成形。该技术首先通过强塑性变形（强应变轧制、等通道角挤压等）获得超细晶组织，再进行慢速率热加工从而实现超塑成形[16]。采用SPF 技术制备的铝锂合金构件已在航空航天领域得到了较多应用，例如英国麦道公司采用8090 铝锂合金制造出了F-15B 鹰战斗机的整流罩（3 660 mm×406 mm×305 mm）；马丁和雷诺两家公司采用Weldalite049铝锂合金制备了运载火箭贮箱半球圆顶盖；北京航空制造工程研究所利用2091 铝锂合金制造出了某型号歼击机前机身酒精箱口盖内蒙皮零件；中南大学与西南铝业有限公司合作研发出了尺寸2000 mm×1200 mm×2 mm 的超塑性铝锂合金薄板[17]。利用铝锂合金的超塑性特点开发的新型成形技术也备受关注，如真空成形法、吹塑成形法、模压成形法等。SPF技术可以对一些加工难度大、形状复杂的薄壁零件进行精密成形，制作成本低、几乎无加工余量[18]。此外，近年来超塑性成形-扩散焊在铝锂合金结构的制造中也得到重视和发展，英国航宇公司利用这项焊接技术生产出了飞机用铝锂合金零部件[19]。

4.5 铝锂合金蠕变时效成形技术

蠕变时效成形（Creep Aging Forming，CAF）技术是针对一体化的大型整体壁板构件高性能与精确成形协同制造而发展起来的一种新型钣金成形方法[20]。美国Textron公司采用CFA技术制备了B-1远程轰炸机的上机翼壁板和空客A330/340/A380 的机翼壁板。国内研究人员借助热压罐和弯曲模具成功制备出ARJ21 改型飞机的整体带筋壁板结构保护门[21]。此外，CAF 技术已成功应用于土星5、阿里安5 等多种型号的运载火箭贮箱壁板以及瓜瓣等构件的制备[22]。近年来，诸多科研工作者针对CFA技术有限元模拟、基础数据库建立、样件工业化试制开展了大量研究工作[23-26]，积累了大量的铝锂合金CFA工艺基础数据，提出并完善了铝锂合金变形机制，实现了对材料宏观外形尺寸、显微组织以及力学性能的预测与控制。随着国内大飞机产业现实需求，大尺寸带筋壁板工程化应用逐渐成为研究热点，工装模具结构设计、蠕变成形回弹及精度控制、组织与性能的匹配等成为CAF工业化推广进程中最核心的技术问题。

4.6 铝锂合金焊接技术

在航空航天器材的制造中，焊接技术始终是不可或缺的连接技术。苏联采用1460 铝锂合金材料，运用钨极氩弧焊（Tungsten Inert Gas Welding）和真空电子束焊（Vacuum Electron Beam Welding）工艺成功制造出“能源号”运载火箭贮箱；美国采用Weldalite049 铝锂合金材料，通过变极性等离子弧焊（Plasma Arc Welding）制造出航天飞机外贮箱。近年来，铝锂合金的激光焊接（Laser Welding）和搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding）受到极大关注。空客公司率先将激光焊接技术应用于空客A 系列产品下机身部分铝合金壁板的制造[27]；美国SpaceX 轨道公司利用FSW 技术制备2198 铝锂合金火箭贮箱，直径达3.6 m。2002 年中国搅拌摩擦焊中心正式成立，在FSW 技术理论基础研究、专用装备开发以及工程化产品开发制造等领域都取得了较大突破。目前国内企业，如赛福斯特等已经初步掌握了航空航天用高强铝合金、飞机复杂型面地板结构的搅拌摩擦焊工艺技术[28]。

5 未来展望

自1924 年第一个含Li 铝合金Scleron 问世，铝锂合金的研发史即将百年。早期铝锂合金的研制是由航空产业的轻量化需求推动，依赖于其低密度、高比强度的特性。而近年来随着技术的不断进步，人们越来越发现轻量化已经不是铝锂合金的唯一优势。在耐损伤性能、疲劳寿命和耐蚀性能等方面，铝锂合金都显示出比肩传统2×××、7×××系铝合金的趋势。未来铝锂合金的研发方向可能包括：

（1）充分挖掘铝锂合金除低密度、高比强度之外的综合性能优势，在材料耐损伤性能、疲劳寿命和耐蚀性能等方向开展技术攻关和工业化应用，研发第四代铝锂合金，进一步扩大铝锂合金在航空航天、海洋舰船等方向的应用。

（2）持续推动第三代铝锂合金综合性能优化，部分替代2×××和7×××系高性能铝合金，在保证低密度的同时实现综合性能提高20%的发展目标。如，高强铝合金领域，以2065、2055、2050 代替 7150、7055、7050、7175，配套以T8X热处理代替T7X热处理；中强耐损伤铝合金领 域 ， 2076、 2060、 2099 代 替 2024、 2624、2324，配套T8X热处理代替T3X热处理等。

（3）研发低成本铝锂合金制备技术。加快新一代熔铸技术、喷射成形技术、粉末冶金技术的研发，提高原材料生产环节的合金成品率；研发无Ag铝锂合金等，使铝锂合金综合成本进一步降低。