鋁鋰合金——大飛機批量制造將促進民機鋁材需求快速增長 (二)
專欄:行業資訊
發布日期:2015-12-07
閱讀量:557
作者:佚名
收藏:
1. C919用了哪些鋁-鋰合金?  C919前機身蒙皮、機頭蒙皮、中機身蒙皮、中后機身蒙皮是用2198-T8鋁-鋰合金厚板與Al-Li-S4-T8鋁-鋰合金厚板制造,這里所說的厚板是指厚度>6mm的板材;前機身長桁、機頭長桁、中機身長桁與地板梁、支柱、座椅導軌是用2196-T8511/2099-T83鋁-鋰合金擠壓材等制造的;中后機身的長桁用的是2196-T8511/2..........

1. C919用了哪些鋁-鋰合金?

  C919前機身蒙皮、機頭蒙皮、中機身蒙皮、中后機身蒙皮是用2198-T8鋁-鋰合金厚板與Al-Li-S4-T8鋁-鋰合金厚板制造,這里所說的厚板是指厚度>6mm的板材;前機身長桁、機頭長桁、中機身長桁與地板梁、支柱、座椅導軌是用2196-T8511/2099-T83鋁-鋰合金擠壓材等制造的;中后機身的長桁用的是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,C919用的常用鋁-鋰合金有3種:2196、2198、2099,它們都已在美國鋁業協會公司(AA)注冊,注冊年度依次為2000年、2005年、2003年,都是美國合金,還用了一種牌號為Al-Li-S4-T8的鋁鋰合金,但其成分未見報道。

  由表2中的數據可見,2099合金是一個很純的合金,它的雜質鐵、硅含量很低,必須用高純原鋁錠配制,同時它的鋰含量也高,因此其材料的價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合金的時效強化過程,總的來說,含Ag的鋁-鋰合金的綜合性能優于不含銀的鋁-鋰合金,銀不但能細化合金的晶粒,而且加速合金的時效析出過程,使時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δ'和S'相的析出,從而提高其力學性能,時效前的預應變可促使Al-LI-Cu-Mg-Zn-Zr合金在190℃時效后的抗拉強度提高約20N/mm2。

  2. C919用的鋁-鋰合金從哪里來?

  C919機身蒙皮用的板材,長桁、地板梁、支柱等用的擠壓材,座椅導軌等鋁-鋰合金材料與機身等直段用的所有鋁-鋰鋁合金材料是美國鋁業公司(Alcoa)提供的,而且其他一切鋁材也是從美國鋁業公司進口的,板材產于達文波特廠(Davenport Works),擠壓材與鍛件是拉斐特廠(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鋁業公司設在韓國的一個擠壓廠生產的。

  C919是由一百多萬個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動機與機翼的連接,在飛機制造中起著非常重要的作用,所有的連接緊固件是美國鋁業公司設在中國江蘇省蘇州市的兩個工廠生產的,也可能有一些是進口的。古老的鉚接法仍是飛機零件的主要連接工藝,C919的機身由一千六七百塊鈑金件組裝而成,僅鉚釘就用了六萬多個,有的為2xxx系合金,有的為含鋰的2xxx系合金。

  早在2009年年中,中國商用飛機有限責任公司就與美國鋁業公司接觸,談判有關大飛機項目所用鋁材供應的有關事項,談判甚為順利,美國鋁業公司答應提供所需的一切高端鋁材,而且價格比中國自己生產的還便宜一些,交貨期也得到保證,美國鋁業公司還派了材料專家深入中國商飛公司有關部門,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,航空航天工業對零件質量是錙珠必較的,用現在的話說,就是在計算零件質量時必須精準到“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,高的比強度、比剛度、比彈性模量等優點而成為優秀的航空航天器用鋁材,有報道稱:如果采用鋁-鋰合金制造波音飛機結構,其質量可以下降14.6%,燃料節省5.4%,飛機成本將下降2.1%,每架飛機每年的飛行費用降低2.2%。這就是飛機制造企業為什么對鋁-鋰合金情有獨鐘的原因。

  2011年9月11日中國研制的載人飛行器——天宮一號發射成功,順利進入預定軌道。它的資源艙是用鋁-鋰合金制造的,比用2xxx系及7xxxx系常規合金制造減重10%左右,艙內裝有太陽能電池、動力系統、推進系統、控制力矩陀螺,加足燃料后總質量約1.4t。

  4. 鋁鋰合金的發展歷程

  世界第一個含鋰的鋁-鋰合金誕生于上世紀二十年代初的德國,商品名稱Scleron,但沒有獲得工業應用。1942年美國鋁業公司的利巴朗(Lebaron)發明的X2020合金(Al-4.5Cu-1.0Li-0.8Mn-0.6Cd)獲得專利,1957年其板材在美國海軍的A3J偵察機上獲得應用;1960年代初在超聲速轟炸機B-58和殲擊機上獲得少量應用,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,英國科學家哈代(Hardy)與西爾科克(Silcock)對AL-Li及AL-Cu-Li合金的時效過程作了研究,發現了有序的δ'Al3Li相。1960年蘇聯研制成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,如肯聯鋁業公司的AirwareTM合金及其生產工藝,在A380寬機體大飛機上獲得了大量應用,現在飛機上應用的鋁合金都是第三代(表3)。

  現在,不管什么變形鋁合金,只要是含有合金元素鋰的都被稱為鋁-鋰合金。截至2015年1月,在美國鋁業協會公司注冊的鋁-鋰合金共25個,其中屬2XXX系的22個,Li的最大含量為2.6%(2090合金);屬8XXX系3個,含Li最多為8091合金,含2.4%~2.8%,在當前常用的(active)的鋁鋰合金中的鋰含量都不超過2.8%。

  在全球發展鋁-鋰合金歷程中可以明顯地看出,蘇聯-俄羅斯著重發展以Al-Mg系合金為基的含鋰合金,而美國與法國則發展以2XXX系合金為基礎的含鋰合金,由于意識形態的關系,蘇聯研發的變形鋁合金不到美國鋁業協會公司注冊,直到蘇聯于1991年解體后,1997年俄羅斯才注冊了一個非原型合金2224A。筆者所指原型合金是第二位數字為“0”合金。

  現在有獨立鋁-鋰合金工業的國家只有美國、俄國、法國和中國,它們建立了從熔煉-鑄造-加工的完整體系,熔煉-鑄造是生產鋁-鋰合金材料的關鍵工序。可生產鋁-鋰合金材料的企業有美國鋁業公司的達文波特軋制廠、拉斐特擠壓-鍛造廠、英國的基茨格林軋制廠(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;肯聯鋁業公司的法國伊蘇爾(Issoire)軋制廠;俄羅斯聯合鋁業公司的卡緬斯克冶金公司;中國的西南鋁業(集團)有限責任公司。全世界2015年鋁-鋰合金材料生產能力約200kt/a,其中美國鋁業公司占50%以上。

上一頁:輕型汽車發展趨勢促進美國廢鋁產量
下一頁:論陽極氧化膜電解著色工藝的發展趨
湖北11选5-首页