Алюминиево-литиевый сплав - Aluminium–lithium alloy

Алюминий-литиевые сплавы (сплавы Al-Li) представляют собой набор из сплавов из алюминия и лития , часто также в том числе меди и циркония . Поскольку литий является наименее плотным элементарным металлом, эти сплавы значительно менее плотны, чем алюминий. Коммерческие сплавы Al – Li содержат до 2,45% лития по массе.

Кристальная структура

Легирование литием снижает массу конструкции за счет трех эффектов:

Смещение 
Атом лития легче атома алюминия; каждый атом лития затем вытесняет один атом алюминия из кристаллической решетки , сохраняя при этом структуру решетки. Каждый 1% лития, добавленный к алюминию, снижает плотность получаемого сплава на 3% и увеличивает жесткость на 5%. Этот эффект работает до предела растворимости лития в алюминии, который составляет 4,2%.
Деформационное упрочнение
Введение атома другого типа в кристалл деформирует решетку, что помогает блокировать дислокации . В результате получается более прочный материал, что позволяет использовать его меньше.
Осадочное твердение
При правильном старении литий образует метастабильную фазу Al 3 Li (δ ') с когерентной кристаллической структурой. Эти выделения укрепляют металл, препятствуя движению дислокаций во время деформации. Однако осадки нестабильны, и необходимо следить за тем, чтобы не допустить перезарядки с образованием стабильной фазы AlLi (β). Это также создает зоны, свободные от выделений (PFZ), обычно на границах зерен, и может снизить коррозионную стойкость сплава.

Кристаллическая структура для Al 3 Li и Al – Li, основанная на системе кристаллов ГЦК , сильно различается. Al 3 Li имеет почти такую ​​же решетчатую структуру, что и чистый алюминий, за исключением того, что атомы лития присутствуют в углах элементарной ячейки. Структура Al 3 Li известна как AuCu 3 , L1 2 или Pm 3 m и имеет параметр решетки 4,01 Å. Структура Al – Li известна как структура NaTl, B32 или Fd 3 мкм, которая состоит из лития и алюминия, предполагая алмазные структуры, и имеет параметр решетки 6,37 Å. Межатомное расстояние для Al – Li (3,19 Å) меньше, чем у чистого лития или алюминия.

использование

Сплавы Al – Li в первую очередь представляют интерес для авиакосмической промышленности из-за их преимущества в весе. В отношении узкофюзеляжных авиалайнеров Arconic (ранее Alcoa ) заявляет о снижении веса до 10% по сравнению с композитами , что приводит к повышению топливной эффективности до 20% при более низкой стоимости, чем у титана или композитов. Алюминиево-литиевые сплавы впервые были использованы в крыльях и горизонтальном стабилизаторе североамериканского военного самолета A-5 Vigilante . Другие сплавы Al-Li использовались в обшивке нижней части крыла Airbus A380 , внутренней конструкции крыла Airbus A350 , фюзеляже Bombardier CSeries (где сплавы составляют 24% фюзеляжа), грузовом полу Боинг 777X , а лопасти вентилятора по Pratt & Уитни PurePower ориентирована турбореактивного двигателя летательного аппарата. Они также используются в топливных баках и окислителя в SpaceX Falcon 9 ракеты - носителе, формула один суппорты тормозов, и AgustaWestland EH101 вертолет .

Третья и последняя версия внешнего бака американского космического корабля " Шаттл " в основном была сделана из сплава Al-Li 2195 . Кроме того, сплавы Al-Li также используются в переднем адаптере Centaur в ракете Atlas V , в космическом корабле Orion и должны были использоваться в запланированных ракетах Ares I и Ares V (часть отмененной программы Constellation ).

Сплавы Al – Li обычно соединяют сваркой трением с перемешиванием . Некоторые сплавы Al – Li, такие как Weldalite 049 , можно сваривать обычным способом ; однако за это свойство приходится расплачиваться плотностью; Weldalite 049 имеет примерно такую ​​же плотность, как алюминий 2024 года, и на 5% выше модуль упругости . Al – Li также производится в рулонах шириной 220 дюймов (18 футов; 5,6 метра), что позволяет сократить количество стыков.

Хотя алюминиево-литиевые сплавы обычно превосходят алюминиево-медные или алюминиево-цинковые сплавы по предельному соотношению прочности к массе, их низкая усталостная прочность при сжатии остается проблемой, которая только частично решена к 2016 году. Кроме того, высокая стоимость ( примерно в 3 раза или больше, чем у обычных алюминиевых сплавов), плохая коррозионная стойкость и сильная анизотропия механических свойств прокатанных алюминиево-литиевых продуктов привели к ограниченному количеству применений.

Список алюминиево-литиевых сплавов

Помимо формального четырехзначного обозначения, основанного на его элементном составе , алюминиево-литиевый сплав также связан с определенными поколениями, в первую очередь, исходя из того, когда он был впервые произведен, но во вторую очередь из-за содержания в нем лития. Первое поколение просуществовало от первоначальных фоновых исследований в начале 20-го века до их первого применения в самолетах в середине 20-го века. Состоящие из сплавов, которые предназначались для прямой замены популярных сплавов 2024 и 7075 , второе поколение Al – Li имело высокое содержание лития, по крайней мере, 2%; эта характеристика привела к значительному снижению плотности, но привела к некоторым отрицательным эффектам, особенно к вязкости разрушения. Третье поколение - это существующее поколение Al-Li продукта, которое доступно, и оно получило широкое признание производителей самолетов, в отличие от двух предыдущих поколений. В этом поколении снижено содержание лития до 0,75–1,8%, чтобы смягчить эти отрицательные характеристики, сохранив при этом некоторое снижение плотности; Плотность Al-Li третьего поколения составляет от 2,63 до 2,72 грамма на кубический сантиметр (от 0,095 до 0,098 фунта на кубический дюйм).

Сплавы первого поколения (1920–1960-е гг.)

Сплавы Al – Li первого поколения
Название / номер сплава Приложения
1230 (VAD23) Ту-144
1420 Фюзеляжи, топливные баки и кабины МиГ-29 ; Су-27 ; Ту-156 , Ту-204 , Ту-334 ; Як-36 и Як-38 Фюзеляжи
1421
2020 г. Крылья и горизонтальные стабилизаторы A-5 Vigilante

Сплавы второго поколения (1970–1980-е гг.)

Сплавы Al – Li второго поколения
Название / номер сплава Приложения
1430
1440
1441 Бе-103 и Бе-200
1450 Ан-124 и Ан-225
1460 Многоразовая ракета-носитель McDonnell Douglas ( DC-X ); Ту-156
2090 (предназначен для замены 7075 ) Передние кромки A330 и A340 ; C-17 Globemaster ; Адаптер полезной нагрузки Atlas Centaur
2091 (CP 274) (предназначен для замены 2024 г. ) Люки доступа Fokker 28 и Fokker 100 в нижнем обтекателе фюзеляжа
8090 (CP 271) (предназначен для замены 2024 г. ) Планер EH-101 ; Передние кромки A330 и A340 ; Адаптер полезной нагрузки Titan IV

Сплавы третьего поколения (1990–2010 годы)

Сплавы Al – Li третьего поколения
Название / номер сплава Приложения
2050 (AirWare I-Gauge) Ракета-носитель экипажа " Арес I" - разгонный блок; Нервюры крыла A350 ; Усилитель нижнего крыла А380
2055
2060 (C14U)
2065
2076
2096
2098
2099 (C460) Стрингеры А380 , экструдированные поперечины, продольные балки и поручни сидений; Боинг 787
2195 Ракета-носитель экипажа " Арес I" - разгонный блок; Последняя модификация баков с ракетным топливом Space Shuttle Super Lightweight External Tank Falcon 9
2196 Экструдированные поперечные балки, продольные балки и направляющие сиденья A380
2198 (AirWare I-Form) Обшивка фюзеляжа самолетов A350 и CSeries ; Ракета второй ступени Falcon 9
2199 (C47A)
2296
2297 Переборки F-16
2397 Переборки F-16 ; Сверхлегкий внешний бак космического корабля "Спейс Шаттл" межбаковые упорные панели
Al – Li TP – 1
C99N

Прочие сплавы

  • 1424 алюминиевый сплав
  • 1429 алюминиевый сплав
  • 1441K алюминиевый сплав
  • 1445 алюминиевый сплав
  • Алюминиевый сплав В-1461
  • Алюминиевый сплав В-1464
  • Алюминиевый сплав В-1469
  • 2094 алюминиевый сплав
  • Алюминиевый сплав 2095 ( Weldalite 049 )
  • 2097 алюминиевый сплав
  • 2197 алюминиевый сплав
  • 8025 алюминиевый сплав
  • 8091 алюминиевый сплав
  • 8093 алюминиевый сплав
  • CP 276

Производственные площадки

Ключевыми мировыми производителями продукции из алюминиево-литиевых сплавов являются Arconic , Constellium и Каменск-Уральский металлургический завод .

  • Технический центр Arconic (Аппер-Баррелл, Пенсильвания, США)
  • Arconic Lafayette (Индиана, США); годовая производительность 20 000 метрических тонн (22 000 коротких тонн; 20 000 000 кг; 44 000 000 фунтов) алюминия-лития и возможность отливки круглых и прямоугольных слитков для катаных, прессованных и кованых изделий.
  • Arconic Kitts Green (Великобритания)
  • Завод Rio Tinto Alcan Dubuc (Канада); грузоподъемность 30 000 т (33 000 коротких тонн; 30 000 000 кг; 66 000 000 фунтов)
  • Constellium Issoire (Пюи-де-Дом), Франция; годовая производительность 14000 т (15000 коротких тонн; 14000000 кг; 31000000 фунтов)
  • Каменск-Уральский металлургический завод (КУМЗ)
  • Алерис (Кобленц, Германия)
  • FMC Corporation
  • Юго-Западный Алюминий (КНР)

Смотрите также

использованная литература

Библиография

внешние ссылки