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《造飞机的那些事》——NO.148《飞机制造中铝锂合金与传统铝合金的制造工艺异同》

《造飞机的那些事》——NO.148《飞机制造中铝锂合金与传统铝合金的制造工艺异同》 沈阳特种加工
2025-12-15
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导读:本文详述飞机材料从 7XXX 等传统铝合金到铝锂合金的升级,列举空客 A350、C919、F-16 等民军机应用案例,对比二者熔炼、轧制等工艺异同,凸显铝锂合金轻量化优势及更严苛的工艺要求,兼具实例与

  在飞机制造中,过去,人们习惯于应用7XXX系列,6XXX系列,2XXX系列,国产LY系列的铝合金,现在,人们在飞机上应用到了一种新的材料-铝锂合金系列,比如,以下是一些使用了铝锂合金作为飞机结构材料的飞机型号:

民用飞机:

- 空客A330、A340和A380:空客A330和A340每架飞机约有3吨的铝锂合金用于机身结构、桁条等部件,A380也使用了铝锂合金,其使用量占机身结构材料的一定比例,主要用于减轻飞机重量,提高燃油效率。

- 空客A350:A350在机身蒙皮等部位首次使用了全新的2198铝锂合金,这种合金具有更好的抗疲劳性能和强度,有助于进一步减轻飞机重量并提升性能。

- 波音777:波音777的部分结构,如机翼、尾翼等关键部位使用了铝锂合金,利用其轻量化和高强度特性,提高了燃油效率和飞行性能。

- 波音787:虽然波音787大量使用了复合材料,但在一些次承力结构中也使用了铝锂合金,如2099-T8合金,用于减重效果显著的部位。

- 国产C919:C919大规模采用了第三代铝锂合金,用于机身蒙皮和长桁结构等部位,在同等承载条件下,比常规铝合金轻5%以上,实现了比波音737、空客A320等同座级机型减重5%-10%的目标。

- 庞巴迪C系列:庞巴迪C系列飞机机身全部采用全新的铝锂合金,这种材料的应用有助于减轻飞机重量,提升燃油效率和飞行性能。

军用飞机:

- 美国F-16:1996年,美国空军F-16型飞机开始用2197合金厚板制造后舱甲板及其他零部件,这种铝锂合金具有良好的强度和抗疲劳性能。

- 欧洲EFA战斗机:其前部所有薄板状零件皆由8090薄板制成,占所有材料的9%,驾驶舱内也使用了不少铝锂合金,通过超塑成形工艺制造的电子设备室盖板等部件,利用了铝锂合金的优良性能。

- 法国幻影式战斗机:该机型上大量应用铝锂合金,其成本低于热固塑料和金属基复合材料,用于减轻飞机重量,提升飞行性能。

- 俄罗斯雅克-36、米格-29、米格-31、苏-27、苏-35、苏-37等战斗机:这些战斗机都大量使用了铝锂合金制造机身、驾驶员座舱、油箱等关键部件,例如米格-29使用了1420合金薄板、模锻件、挤压壁板等制造机身,每架飞机铝锂合金用量达3.8吨,减重效果显著。

- 英国EH101直升机:该直升机25%的结构件是用8090合金制造的,其总质量下降约15%,铝锂合金的应用有效减轻了直升机的重量,提升了飞行性能和载荷能力。

铝锂合金相较于传统铝合金制造工艺既有相似之处,也存在显著差异。这些差异主要源于铝锂合金的独特成分(添加锂元素)及其带来的性能变化。以下是具体的异同点分析:

相同点

- 熔炼铸造基础工艺相似:

铝锂合金和传统铝合金都常采用熔炼铸造法来制备坯锭。它们的熔炼炉类型有相似之处,比如都可用倾转式顶装料圆型炉等设备,且熔炼时都需要控制好温度时间以及熔体的纯度等要素,以得到成分合格的合金熔体。在铸造过程中,也需要将熔体注入模具型腔,经过凝固形成一定形状和尺寸的铸锭。

- 基本加工成形工艺相通:

在后续的加工成形方面,二者也有不少共通之处。比如都可采用热轧和冷轧工艺来生产板材、棒材等型材。热轧时都需要根据合金的特点控制好开坯温度和道次变形率等工艺参数,冷轧则多在室温下进行,通过多道次轧制获得所需的厚度和尺寸精度,且冷轧过程中可能都需要进行中间退火以消除加工硬化,保证材料的塑性。

- 热处理工艺有共性:

热处理对于这两种合金的性能发挥都至关重要,都常采用固溶处理和时效处理等工艺来提高材料的强度和韧性等力学性能。通过合理的热处理制度,可以促使合金内部的第二相颗粒溶解或析出,从而优化材料的微观组织结构,使材料达到设计要求的性能指标。

不同点

- 熔炼环境要求不同:

传统铝合金熔炼时通常在普通熔炼炉中进行,采用一些常规的熔剂覆盖等措施来防止氧化和吸气等。而铝锂合金由于锂元素的化学性质非常活泼,极易与空气中的氧气和氮气发生反应,所以对熔炼环境的要求更为苛刻,一般需要在真空熔炼炉或在惰性气体保护的熔炼炉中进行熔炼,以避免锂的氧化和燃烧,确保合金成分的准确和稳定。

- 凝固成形工艺差异:

铝锂合金为获得更细小均匀的组织和更好的性能,常采用一些特殊的凝固成形工艺,如喷射沉积法和粉末冶金法等。喷射沉积法是将铝锂合金熔体在高压惰性气体的作用下雾化成细小液滴,液滴在飞行过程中逐步降温凝固后沉积在旋转的底盘上形成连续致密的锭坯,能使凝固单元从厘米级精细到微米级,保证了锭坯的成分均匀和性能稳定。而传统铝合金一般较少采用这类特殊的凝固工艺,主要还是以常规的铸造方法为主。

- 轧制工艺特点不同:

在轧制过程中,传统铝合金的轧制温度范围相对较宽,工艺相对成熟稳定。铝锂合金则由于其成分和组织的特殊性,对轧制温度的要求更为严格,轧制温度通常较低,且在轧制过程中需要更加精确地控制变形量和变形速度等参数,以防止出现裂纹等缺陷,并确保合金的良好成形和性能。

- 成形与连接工艺难度不同:

铝锂合金的成形和连接工艺难度比传统铝合金大得多。在成形方面,如采用超塑成形工艺时,铝锂合金需要在特定的温度、应变速率等条件下才能获得良好的超塑性,从而实现复杂形状零件的成形。而在连接工艺上,铝锂合金的焊接性能相对较差,容易出现焊接裂纹、气孔等缺陷,需要采用更为先进的焊接技术,如搅拌摩擦焊、激光焊接等,以及严格控制焊接参数和焊后热处理等工艺措施,才能保证焊接接头的质量和性能。

- 防护与维护要求不同:

在飞机制造过程中及后续的使用维护中,铝锂合金制品的防护要求更高。由于锂元素的存在,铝锂合金更容易受到环境因素的影响而发生腐蚀等损伤,因此需要采取更严格的防护措施,如特殊的表面处理、涂层保护等,以提高其耐腐蚀性和抗环境损伤能力,而传统铝合金在这方面的防护要求相对较低。







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