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航空航天新式资料—铝锂合金

发布日期:2022-05-22 14:33:10 来源:od体育app官网下载

  铝锂合金是一类密度小、弹性模量高、比强度和比刚度高的新式铝合金,在航空航天范畴有广泛的运用远景。在铝合金中增加金属锂元素,每增加1%的金属锂,其密度下降3%,而弹性模量可进步5%~6%,并可以确保合金在淬火和人工时效后硬化作用显着,铝锂合金的资料制备及零件制作工艺与一般铝合金没有太大不同,只是在确保金属锂不被空气氧化方面加以留意即可。一般情况下,可以沿袭一般铝合金的技能和设备,相关于碳纤维复合资料来说,铝锂合金的成形、修理都比复合资料便利,本钱也相对较低,因而,铝锂合金有显着的价格优势和功能优势,被以为是21世纪航空航天工业最具竞争力的轻质高强结构资料之一。

  一般情况下,微合金化元素的参加大多以改进细化晶粒、分出强化相、操控失效速度和次序、减小无沉积分出带宽度等许多要素为首要意图。

  现在,在铝锂合金中常用的增加元素包含主合金元素Cu、Mg和微量元素Ag、Ce、Y、La、Ti、Mn、Sc、Zr等。Cu能显着进步Al-Li合金的强度和耐性、减小无沉积分出带的宽度,但含量过高时会发生较多的中心相,这些中心相会构成铝锂合金的耐性下降和密度增大,Cu含量过低不能削弱部分应变和减小无沉积分出带宽度,故Al-Li合金中的Cu含量一般为1%~4%。在Al-Cu-Li合金中呈细片状分出的T1(Al2CuLi)相与δ相一同作为合金中的首要分出强化相,它们可以削弱共面滑移,使合金的强度目标得到显着进步。

  Mg在Al中有较大的固溶度,参加Mg后能减小Li在Al中的固溶度。因而,在含Li量必定的情况下它能增加δ相的体积分数。别的,它还能构成T(Al2LiMg)安稳相,按捺δ相的生成。参加Mg能发生固溶强化作用,强化无沉积分出带,减小其有害作用。当铝锂合金中一起参加Cu、Mg后可以构成S(Al2CuMg)相。S相优先在位错等缺点邻近呈不均匀分出,其密排面与基体α相的密排面不平行,位错很难切开条状S相,只能绕过这种条状相,并留下位错环,故S相能有用地避免共面滑移,对改进合金的强度和耐性有必定的积极作用。但Mg含量过高时也会导致T相优先在晶界分出,增加脆性。Mg含量低于0.5%时,S相很少,合金强度下降,适合的Mg含量在改进铝锂合金的高温功能方面却有必定的杰出作用。

  Ag对铝锂合金有固溶强化和时效强化作用.但作用不是十分显着。Ag、Mg一起参加会发挥协同效应讲而发生最佳的强化作用,可以使得铝锂合金的时效速率大大加速。在Cu/Mg份额较高的铝锂合金中参加少数Ag,会显着进步它们的时效强化作用,且作用十分显着,一起也会改动AI-Li-Cu系合金的时效分出次序,促进T1相和Ω相的形核并以金属间化合物办法分出,并使T1相均匀散布在合金中,一起也可以使晶粒尺度变为细微。

  Zr在Al合金中的固溶度很小。在Al-Li合金中参加0.1%~0.2%的Zr就能在晶界或亚晶界分出Al3Zr弥散质点,对晶界起钉扎作用,按捺再结晶并可以细化晶粒,以此来改进合金的强度和耐性;别的,Al3Zr可作为δ相的形核中心,使时效分出的进程加速。但Zr含量过高时会在晶界构成粗大的分出相,损坏晶界与基体的结合的结实程度,这会大大下降合金的各项功能。

  锂是最轻的金属元素,密度只要0.536g/cm3。锂铝合金时效时因为分出δ (Al3Li)相而发生强化作用,其进程可被描绘为:过饱和固溶体亚稳相δ和δ相呈球状,具有LI2型结构,晶格常数为0.4nm,是合金时效的首要强化相,其界面能比较低,大约为0.014J/m2,故δ相的形核激活能较小,分出速度十分快,即便选用急冷的办法也不能有用按捺δ相的生成。δ相与基体的错配度仅为0.08%,这种共格易发生共面滑移,使位错在滑移面与晶界的交界处堆积,引起应力会集。δ相具有B32(NaTi)型类金刚石结构,当进行过时效时,δ沿用扩相的晶界分出,可导致晶界邻近Li原子削减并导致锂匮乏,构成强度较低的无沉积区(PFZ)。合金发生塑性变形时PFZ将优先发生裂纹,该区域也会下降合金耐腐蚀性,所以在实践的生产中要尽量按捺δ相的构成。影响铝锂合金强耐性的首要要素是合金中δ相形状与散布。前面说到,δ相呈球状对金属的强化作用较佳。

  参加Mg会使铝锂合金的溶解度曲线上移,减小Li的固溶度,增加δ相的体积分数,可以有用地进步合金的强度。一般以为这是因为Mg与空位的结合构成的,Mg与空位的结合能较大,约为0.25eV,淬火进程中,过饱和的空位与Mg原子构成Mg-空位原子簇,这些原子簇为δ相的结晶供给形核中心。铝锂合金一起参加Cu、Mg,因为Mg与空位以及Cu原子之间的交互作用,合金在淬火后构成许多Cu-Mg团簇,成为富Cu(q)相的形核部位,促进Cu原子不断向形核区进行涣散,构成亚稳相S。S相呈板条状,斜方结构,晶格常数a=0.40nm,b=0.93nm,c=0.72nm,其惯习面与基体的密排面不平行,可以使共面滑移趋于弥散,有用地改进合金的强耐性。S相优先在位错等缺点处呈不均匀分出,能减小或消除无沉积区(PFZ),因为S相的形核能较大,时效进程中S相形核的孕育期较长,其分出也需求长期的保温时效才干完成。

  铜参加到铝锂合金中会分出T1相。T1相是Al-Li-Cu系合金最重要的平衡相,呈盘状或片状,六方形结构,晶格常数a=b=0.50nm,c=0.93nm。T1相阻挠位错扩展,一起对位错也有钉扎作用,强化作用比δ相愈加显着。可是T1相密排面(0001)//(111)α、密排方向[1010]//[110],不能显着地削弱共面滑移,因而对合金的塑性没有显着的改进。T1相在位错、亚晶界等晶体缺点处以堆垛层错的办法非均匀形核,临界形核功较大,分出十分缓慢。适量的预变形可以使T1相均匀、细微、弥散分出,可以起到增加合金位错密度和增大T1相的形核场所的作用。经研讨发现,T1相的长大受台阶机制操控。T1相与基体之间的错配度仅为0.12%,基体供给T1相长大的台阶数量有限,所以T1相在必定的温度下粗化倾向较小,能坚持合金力学功能的安稳。可是温度升高至200℃时δ相溶解,Cu、Li原子向台阶搬迁的速率加速,台阶形核阻力变小,台阶数量倍增,T1相显着粗化,导致合金力学功能下降。

  在铝锂合金中参加Mn可以构成Al6Mn相并以粒子办法分出,Al6Mn相能有用地改进铝锂合金各向异性。一方面在加工进程中Al6Mn弥散质点自身发生均匀滑移,使合金的变形由共面滑移转变成均匀滑移,然后使铝锂合金安排散布愈加趋向一起;另一方面Al6Mn弥散质点经过影响{111}面的位错密度等使T1相在{111}面可以均匀形核,运用这一特色可有用地下降和改进合金的各向异性。

  Zr参加到铝锂合金中,Zr与Al可以构成亚稳相β(Al3Zr),呈棒状,具有LI2结构,晶格常数a=0.41nm。Zr原子与空位结合能较大(0.24eV),在合金凝结中易与空位结合,导致与锂原子结合的空位削减,然后阻挠δ相分出,可是δ相可以在β相界面形核成长,构成β/δ复合结构相,增加与基体的错配度,而且β/δ相的硬度较大,位错很难切过,可以有用地按捺共面滑移,改进合金的塑性。Sc与Zr构成极细的三元共格相Al3(Sc1-xZrx)。一般Sc含量为0.07%~0.03%,Zr含量为0.07%~0.15%,两者的份额坚持为约1:1,其标明为Al3(Sc,Zr)。Al3(Sc,Zr)与δ结构类似,时效进程中可成为δ非均匀形核的中心,构成Al3Li/Al3(Sc,Zr)复合粒子。

  稀土元素在一般铝合金的熔炼、凝结等进程中均显现出有利作用,包含稀土的除气、除杂和晶粒细化等作用。稀土元素的增加可以改进一般铝合金超塑性、热变形性、腐蚀抗力、焊接性等,而且具有减轻杂质的危害。鉴于此,国内外学者展开了在铝锂合金中增加微量Ce(铈)、Y(钇)、La(镧)等稀土元素的研讨工作,研讨成果显现,一切稀土元素都可以不同程度地改进铝锂合金的安排和功能。

  稀土元素Ce、Y、La、Sc等均能推迟铝锂合金的再结晶进程,而且能减小再结晶份额和细化再结晶晶粒尺度,细化沉积相并使之均匀化散布于合金中,一起也能削弱铝锂合金中杂质元素的负面影响。所以稀土元素关于铝锂合金来说是一类有利的增加元素,即便是在增加微量的情况下就可以显着起到较为杰出的作用。在这一点金属钪便是一个杰出的例子,尤其是与金属锆一起参加可以使铝合金以及镁合金都有显着的作用作用。

  铝锂合金的强化作用首要来源于分出相强化和固溶强化。其首要分出相δ是与α-Al基体共格的亚稳相,具有有序超点阵(LI2)结构。α/δ的界面畸变程度很小,仅为0.08%左右,δ相在合金中以弥散质点办法均匀分出。金属的强化来源于其内部结构对滑移位错的阻挠作用。在Al-Li合金中阻挠位错运动的首要要素是合金中有δ分出相,而影响位错切开δ颗粒的要素有:

  试验和核算标明,对合金强度起首要作用的是位错切开δ相时所发生的反相界面能,它对合金强度的奉献大约为50%,其次是δ相和基体的内摩擦应力τp和τ0,其他三项各有5%左右。别的,δ相有序度的改动也会显着改动合金的强度。

  在铝锂合金中,因为δ相与α基体彻底共格,且其α/δ相界面应变小,所以滑移位错较易切开δ相颗粒。被切开的δ相颗粒可以供给一条滑移更简单进行的通道,因而很多的滑移位错常在同一个晶面上滑移而不发生交滑移,构成所谓的共面滑移带。这种共面滑移现象导致位错在晶界的堆积而发生部分的应力会集和屈从,最终导致晶界裂纹的萌发,这种共面滑移使得合金的耐性得以进步。

  在晶内δ相是均匀的,但在晶界邻近则呈现所谓δ相的无分出带(PFZ)。因为PFZ比晶内结构要软,所以滑移所发生的晶界位错堆积和应力会集可使其发生前期的屈然后发生塑性变形,导致微孔在晶界粗大分出物和三相交叉点邻近形核,并沿PFZ扩展而构成微裂纹,其成果会使合金在拉伸进程中发生晶间开裂现象而恶化合金的功能。

  经轧制的Al-Li合金板材存在变形织构,其首要织构类型为(110)[112]织构。因为织构的存在使晶粒间的取向差变小,仅约3°,所以这时晶内滑移带可以穿越晶界扩展。这是因为小角晶界对位错的阻挠作用较小,所以一旦位错穿过晶界,即发生沿{111}面的穿晶切变型平面滑移,直至资料被损坏。

  织构与再结晶是密切相关的。彻底再结晶后,Al-Li合金的变形织构也随之消除。Al-Li合金发生再结晶后强度下降了,还伴随着晶粒长大、亚晶界消失,乃至还或许呈现再结晶织构等一系列的结构改动。

  在Al-Cu-Li-Mg-Zr系合金中,除δ相外,还存在其他二元或三元分出相。其根本分出进程为:

  δ相是Al-Li二元分出进程的后期产品,其分出将导致δ相体积分数削减而使合金的强度下降,即发生过时效现象。别的晶界上粗大的δ相颗粒不只促进PFZ构成,也简单在其周围萌发微裂纹。Al2MgLi相也是时效后期呈现的平衡相,在晶界分出也可导致PFZ和微裂纹的构成。S相优先在位错和缺点邻近不均匀分出,能有用阻挠位错的共面滑移,然后进步合金的强度和耐性。T1相简单被位错切开,对阻挠共面滑移所起的作用比S相要小。Al3Zr球状分出物对晶界有钉扎作用,别的Zr的参加也使得合金的时效速度加速。Al-Cu二元分出物能进一步强化合金,一起又不会对其开裂耐性发生危害。

  以未再结晶扁平晶粒结构的Al-Li合金板为例,其拉伸断口为层状,伴有很多笔直主开裂面的沿晶二次裂纹,称为短横向分层。短横向分层的发生是因为扁平晶粒、弱晶界、平面滑移晶界平衡相和相应的无沉积带的联合效应,它呈均匀散布,平行于轧制面并笔直于主开裂面扩展。它的发生与开展不只不会导致试样开裂,反而会将其分红许多平行拉伸轴的薄带,随后的塑性变形被约束在独立的薄带中,相互间的变形传递难以进行,变形抗力随之增大,这种效应称为薄带强化。其次,因为短横向分层笔直主裂纹,主裂纹与之相遇时将发生90°偏转而暂时阻滞,此效应称为分层强化。

  仍以未再结晶平面晶粒结构的Al-Li合金板材为例,因为裂尖前方的三轴拉应力诱发短横向分层,裂尖前方构成一系列笔直主裂纹的薄带,其成果使裂尖由一个全体的平面应变状况转变为一系列平行的平面应力状况,微观上表现为开裂耐性进步,这种韧化效应称为分层韧化。

  ① δ(Al3Li)相的超点阵结构与基体彻底共格易发生共面滑移引起部分应变会集

  ④ Li的存在使铝锂合金含有比一般铝合金更多的氢,严重地危害铝锂合金的强耐性针对铝锂合金的安排特征、强化机制和进步该合金强耐性的具体问题,一般来说,可采纳下列强韧化办法。

  铝锂合金的未再结晶晶粒结构亦称为层状安排,在拉伸条件下,当晶粒为扁平状,沿晶开裂呈短横向分层的办法时,有阻挠主裂纹扩展的作用,有助于塑性的进步。扁平未再结晶晶粒结构扫除必定条件下裂纹沿晶扩展的几许条件,主开裂面为穿晶开裂,进步裂纹扩展功。更重要的是,裂尖前方的三轴拉应力诱发短横向分层,使裂尖前方构成一系列笔直主裂纹的薄带,裂尖由一个全体毫米级厚度的平面应变状况转变为数百至数千微米级厚度平行的平面应力状况,全体上表现为开裂耐性值增大,表现出显着的韧化作用。

  对固溶处理后的Al-Li合金在时效前进行恰当冷变形,可在合金中构成布满的位错或位错缠结,成为S、T1等相非均匀形核的方位,然后增大位错不能切开的沉积相的体积分数,削减合金的共面滑移及晶界应力会集。一起,时效前的冷变形可加速沉积,使沉积相更细微均匀的散布增多,按捺晶界平衡相的构成。时效前冷变形对8090合金室温拉伸功能的影响如表1所示。

  在铝锂合金中依托引进T1和S持平有助于涣散滑移,其作用很大程度上取决于分出相自身的弥散度,运用预变形有助于进步T1相、S持平的弥散度,但是,难以完成微观变形的彻底均匀散布。因而,对铝锂合金尽或许地进步分出相弥散度的潜力仍是很有限的。微合金化有或许改动分出相组元的热力学和动力学行为,从组元行为的层次上改进分出相的时效特性,然后优化精细结构。在铝锂合金中增加微量Zr、Sc,别离构成Al3Zr、Al3Sc弥散质点,对基体起弥散强化和细晶强化的作用。此外,参加少数Be可按捺混入合金中的金属Na在晶界上的偏析;参加Co、Ti、Ce等元素构成较多的非共格相或δ的共生相,然后进步强耐性。别离或一起参加Cu、Mg、Ag等元素可有用改进铝锂合金的强耐性:首要,Cu、Mg、Ag有固溶强化作用;其次,增加Cu后促进合金时效时分出q(Al2Cu)弥散相,位错难以切过而只能绕过,然后下降了铝锂合金共面滑移的倾向,并激起其发生交滑移,促进合金均匀变形;最终,在Al-Cu-Li合金中参加少数Mg、Ag,一起构成Mg-Ag团簇能更有用地促进T1相的分出。

  研讨标明,先低温后高温的时效处理能促进很多S相弥散、细微、均匀地势核,并阻挠粗大平衡沿用晶界分出和在晶界构成PFZ。此外,分级时效使合金中呈现较多的Al3Li/Al3Zr复合粒子,然后到达有用改进铝锂合金强耐性的意图。不同形变分级时效对2091合金力学功能的影响如表2所示。有人发现选用多级时效作用更好,这种时效办法首要是采纳以必定的速度(10℃/h)缓慢加热时,使强化相变得细微而以弥散办法分出,然后在较高温度下时效的办法,使强化相长大到必定尺度。

  低Li化削减了δ相分出引起的共面滑移和很多分出氢而引起的氢脆现象,但这是以献身一部分低密度长处为价值的,从这一点看也是为什么一般铝锂合金都是含锂量都不是很大的首要原因。

  严格地说,原资料的纯度往往对资料的功能有很大的影响,国内涵原资料处置和纯化方面与国外还有很大距离,因而注重原资料的根本特性和纯度是进步资料功能的要害。相同原资料的纯净度对铝锂合金的强耐性影响也很大。纯净度问题包含气体污染、元素污染、夹杂物和弥散质点等等许多要素的影响。对铝合金来说,污染气体首要是氢,微量的氢就会使合金的耐性大大下降,所以合金中氢含量一般应该小于1×10-6。其他污染元素首要有Na、K、S等,它们不能固溶于基体中,但简单在晶界偏聚,致使晶界脆化。夹杂物是指大于1μm含Fe、Si的Al7Cu2Fe和Al12(FeMn)3Si等颗粒,弥散质点是指在凝结或高温均匀化处理时构成的0.1μm级的颗粒,如含Mn的弥散质点Al6Mn、Al20Cu2Mn5等对合金功能会发生某些有害的影响。因而铝锂合金中Na、K、S等这些杂质含量应小于(5~10)×10-6,Fe含量应小于0.06%,Si含量应小于0.02%。制备铝锂合金时最好运用纯度为99.9%以上的高纯铝,熔炼时选用20%LiF+80%LiCl混合熔剂掩盖或用氩气进行维护,一起有必要严格操控合金的除气工艺,尤其是在熔炼进程中和浇注前后,除气这一进程是十分重要的,不然就难以得到工业上需求的合格产品。

  铝锂合金是一种归纳功能优异、具有巨大开发潜力的轻质合金,用其替代一般铝合金可使构件的质量减轻而刚度进步,因而被以为是21世纪航空航天飞行器运用中十分抱负的结构资料,在舰船以及兵器工业中也具有潜在的运用空间。现在各国研制成功的铝锂合金系列,一般含锂量为2.3%~3%。

  虽然铝锂合金(图1,图2,表3)生产本钱是一般铝合金的2~4倍,但自从在榜首架飞机上运用后行将在其生产型及改型中逐步推广运用。Airbus早已标明要在非必须结构上选用铝锂合金,包含机翼前缘和机身内的支架。一切的A330和A340客机的非必须结构上选用铝锂合金。到后一阶段,首要结构中的部分零部件也将用铝锂合金来替代。Airbus已决定在A330、A340的疲惫试验样机上广泛运用铝锂合金,首要运用部位是机身和外翼下蒙皮。其他预备试验的零件还有前密封隔框、前舱门、前壁板、蒙皮壁板(包含结构、桁条、固定夹)、桁条夹头、2个窗框、D形前缘蒙皮、辅佐翼梁和翼肋以及一个翼尖小翼。Airbus宣称,它将成为在首要结构件上用铝锂合金进行全尺度试验并预备推广运用的榜首家民用飞机制作商。Airbus期望经过在A330和A340宽体客机(图3)上选用铝锂合金可使飞机分量下降1t以上,相当于多载12名旅客。Airbus所用的铝锂合金资料来自Alcoa、Alcan和Pechiney三家铝公司。图4为商业上运用的Alcan8090AA型铝锂合金试样在T8E51条件下的三面光学相片。

  图4商业Alcan8090AA型铝锂合金试样在T8E51条件下的三面光学相片

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