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【鋁博士網(wǎng)】 Al-Li合金是一類含有合金元素鋰的鋁合金，主要是變形鋁合金，含Li的鑄造鋁合金寥寥無幾，同時在大多數(shù)變形鋁合金中，Li并不是第一個主要合金化元素，而是第二甚至第三合金化元素。在當下凡是含有Li的鋁合金都被稱為鋁合金都被稱為鋁-鋰合金，截至2015年1月，在美國鋁業(yè)協(xié)會公司（AA）注冊的Al-Li合金有26個，其中2XXX系的22個，占84.6%，8XXX系的4個，占15.4%，有趣的是，美國和歐洲諸國集中研發(fā)2XXX系和8XXX系Al-Li合金，前蘇聯(lián)及俄羅斯則主要發(fā)展5XXX系的Al-Li合金，中國則既研發(fā)2XXX系含Li的合金，又研發(fā)5XXX系和8XXX系的Al-Li合金，列入GB/T3190的Al-Li合金僅3個：2A97、5A90、8090.在現(xiàn)行注冊的26個鋁-鋰合金中，只有8024合金是一個真正的高純二元Al-Li合金，含3.4%Li~4.2%Li、0.08%Zr~0.25%Zr，其他元素皆為雜質(zhì)，英國1999年在美國鋁業(yè)協(xié)會公司注冊。
　　
　　Al-Li合金是一種既古老又年輕的鋁合金，說它古老是早在80多年前就已誕生，20世紀20年代初德國研制成一種含Li的鋁合金，商品名稱“Scleron”，典型成分（質(zhì)量）：12Zn，3Cu，0.1Li，其余為其他雜質(zhì)及Al。1942年美國鋁業(yè)公司（Alcoa）的Lebron合金申請了專利，1954年注冊為X2020合金，其成分（質(zhì)量%）：4.5Cu，1.0Li，0.8Mn，0.5Cd，其他雜質(zhì)及Al；固溶處理及時效后的性能；抗拉強度Rm=567N/mm2，屈服強度Rp0.2=533N/mm2，伸長率A=7.8%；1957年此合金板材在美國海軍A31J偵察機上得到應用。20世紀60年代初，在超聲速轟炸機B-58和殲擊機F-111上也得到少量應用。X2020合金的斷韌性低，尤其是缺口敏感性比7075-T6合金的大。
　　
　　研究低密度高強度航空航天鋁合金對降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量有著特殊重要的意義，Li是唯一的可降低現(xiàn)行鋁合金密度的合金化元素，用Al-Li合金取代常規(guī)2219、2024、7075型等可使零部件與結(jié)構(gòu)質(zhì)量減輕10%~20%，剛度提高15%~20%。
　　
　　國外鋁-鋰合金的發(fā)展
　　
　　英美國家的發(fā)展
　　
　　除了上述的情況外，1955年英國冶金學家哈迪（Hardy）與希爾科克（Silcock）對Al-Li及Al-Cu-Li合金的時效沉淀過程作了研究，發(fā)現(xiàn)了有序的δ'（Al3Li），日本中村正久也證實δ'相的存在。1971年英國富爾默（Fulmer）研究所制成了新的Al-Mg-Li-Zr合金，特別是1973年石油危機以后，國外再次掀起了研究Al-Li合金的熱潮，在解決合金的低韌性方面與晶界脆性方面取得突破性的成就。20世紀80年代中期，8090、2090和2091合金進入商業(yè)化生產(chǎn)階段，稍后又研制成CP276和Weldalite合金。2000年以來，加拿大鋁業(yè)公司與肯聯(lián)鋁業(yè)公司（Constellium）為制造A380飛機研制成功注冊商標為AirwareTM的鋁-鋰合金家族及其材料生產(chǎn)工藝，研究工作在法國沃雷普研究所（Verop）與加拿大蒙特利爾技術(shù)中心進行，材料生產(chǎn)由伊蘇瓦爾軋制廠負責，有1條（1+3）式熱連軋生產(chǎn)線，以軋制硬合金為主，供航空航天工業(yè)、汽車工業(yè)部門用，歐洲航空航天工業(yè)用的鋁合金板帶材的40%左右是由該廠生產(chǎn)的，而鋁-鋰合金的70%以上由該廠供應，A380飛機用的Al-Li合金材料全是該企業(yè)生產(chǎn)的。
　　
　　為了滿足未來航空航天工業(yè)對Al-Li合金的需求，美國鋁業(yè)公司除了加強研發(fā)工作外，對在全世紀的鋁-鋰合金生產(chǎn)線進行大規(guī)模的改擴建，使生產(chǎn)能力翻了一番：它們是美國鋁業(yè)公司的達文波特軋制廠（Davenport）、拉斐特（Lafayette）鍛造擠壓廠、郎維鋁業(yè)公司（Longview，原屬雷諾茲金屬公司，2003年美國鋁業(yè)公司兼并了它）、英國基茨格林鋁業(yè)公司（KittsGreen）、意大利的富西納鋁業(yè)公司。特別是對拉斐特廠的改擴建更為宏偉，對匹茲堡技術(shù)中心生產(chǎn)線也做了現(xiàn)代化改造，到2017年總投資將達1億美元。
　　
　　拉斐特Al-Li合金鑄造車間緊靠著擠壓車間，鑄錠生產(chǎn)能力20kt/a，是世界上最大的鑄造車間。拉斐特廠是全球最大的Al-Li合金擠壓材與鍛件生產(chǎn)企業(yè)，達文波特軋制廠有世界最大的5588mm四輥可逆式熱粗軋機，是世界最大的鋁合金厚板企業(yè)，全球最大的Al-Li合金板材生產(chǎn)廠。拉斐特鋁業(yè)公司是世界第一大的Al-Li合金圓錠與扁錠鑄造廠、鋁材擠壓廠、鍛件生產(chǎn)廠。它們也是世界最大Al-Li合金材料供應商，是空客（Aribus）A380與A350、波音787、灣流G650飛機Al-Li合金擠壓材的獨家供應者，如單件（Single-Piece）機翼蒙皮（WingSkin）、機翼桁條、地板梁、座位調(diào)節(jié)滑軌，以及其他零件，為Pratt&Whitney'sPure-Power航空發(fā)動機提供了世界首批Al-Li合金前風扇葉片。
　　
　　拉斐特鋁業(yè)公司可鑄造世界上最大的Al-Li合金錠，其直徑可比任何其他企業(yè)的大50%以上，可生產(chǎn)任何飛機所需要的整體材料，因而為制造更輕、更強與成本更低的零件創(chuàng)造了有利的條件，因為可以減少大量連接工作與緊固件。
　　
　　俄羅斯及前蘇聯(lián)的鋁-鋰合金工業(yè)
　　
　　前蘇聯(lián)與俄羅斯在鋁-鋰合金研發(fā)與生產(chǎn)方面毫不比英美國家遜色，是全球第二大生產(chǎn)與應用大國，而且自成體系，特別是在Al-Mg-Li合金研發(fā)與生產(chǎn)方面獨樹一幟，其中最典型的代表性合金是1420，1965年定型，可以生產(chǎn)板帶材、擠壓材與鍛件等。1971年，1420合金就已成為輕型直升機的主要結(jié)構(gòu)材料，1980年以后，它在MIG-29、SU-27、SU-35等超聲速殲擊機上得到應用，至今1420合金仍是俄羅斯航空航天器的主要Al-Li合金材料。
　　
　　前蘇聯(lián)和俄羅斯在大力發(fā)展Al-Mg-Li合金的同時，也在不遺余力地研發(fā)Al-Cu-Li系合金，所開發(fā)的1450合金成分與美國的2090合金相似，但其材料熱處理工藝更加著重其綜合性能的發(fā)揮，因而具有更強的市場競爭力。上世紀80年代前蘇聯(lián)又推出性能更加優(yōu)秀的Al-Cu-Li系合金1460，它的強度更高一些，可焊性也更好一些，韌性也更好一些，難能可貴的是，它有優(yōu)越的低溫性能，特別適合于焊接火箭燃料液氧與液氫貯箱，它的其他性能與美國的2095、2195等合金的相當。1996年俄羅斯在液氫貯箱，它的其他性能與美國的2095、2195等合金的相當。1996年俄羅斯在實施更為全面與系統(tǒng)的發(fā)展Al-Li合金的規(guī)劃。蘇聯(lián)和俄羅斯的Al-Li合金研發(fā)工作主要的輕金屬研究院，而材料生產(chǎn)則主要在烏拉爾卡緬斯克（Kamensk）鋁業(yè)公司。
　　
　　前蘇聯(lián)的1421、1423、1460合金還含有微量的Sc（0.05%~0.21%），也是他們的Al-Li合金的一個特點，美國的Al-Li合金就不含這個稀土元素。前蘇聯(lián)及俄羅斯在發(fā)展Al-Sc合金方面居世界之首。
　　
　　中國的鋁-鋰合金工業(yè)
　　
　　中國對鋁-鋰合金的研究始于上世紀60年代初期，中期制成Al-Cu-Li系S141合金，但未進行工業(yè)化生產(chǎn)，也沒有獲得應用，20世紀90年代初期西南鋁業(yè)（集團）有限責任公司從俄羅斯引進1臺6t的Al-Li合金真空熔煉爐及鑄造裝備，并自制了1臺1t的真空熔煉爐，使中國Al-Li合金進入了一個階段。西南鋁業(yè)（集團）有限責任公司對Al-Li合金的研制與生產(chǎn)開展了較大規(guī)模的工作，先后試制成功多種有商業(yè)價值的Al-Li合金，而在承擔的“新型輕質(zhì)高性能鋁－鋰合金工業(yè)化制備”項目攻關中，取得了一個又一個階段性成就，在成分優(yōu)化、熔煉工藝控制、大規(guī)格錠鑄造工藝參數(shù)精準化、形變熱處理運用、材料性能與顯微組織關系等方面都取得了好的成績，各項工作都達到了預期的目標。
　　
　　在發(fā)展中國鋁－鋰合金方面，特別是在研發(fā)領域中，航天工業(yè)航材院鋁合金研究所的鋁－鋰合金及工藝專業(yè)組是中國唯一的一個從事鋁－鋰合金研究和應用研究的專業(yè)組，處于中國領先地位，成功地仿制和研制出8090、2090、5A90、2A97、2A66第二代和第三代高強高模高韌鋁－鋰合金、中強高韌鋁－鋰合金，并擁自主知識產(chǎn)權(quán)，為中國鋁－鋰合金的發(fā)展作出了突出貢獻。
　　
　　與國外差距是塊待補的有戰(zhàn)略意義的短板
　　
　　在鋁－鋰合金研發(fā)、材料生產(chǎn)與應用方面，中國與工業(yè)發(fā)達國家相比，至少有三四十年的差距，雖然早在上世紀60年代中國已開始鋁－鋰合金研究，也有一些自主創(chuàng)新，但是總體上仍屬于跟蹤型，沒有形成有中國特色的鋁－鋰合金體系，生產(chǎn)大飛機用的鋁－鋰合金材料全是從美國進口的。鋁－鋰合金是航空航天器的明星材料，在航空航天器用的鋁材中，它是性價比最高的材料。我們究竟還存在哪些差距與哪些短板呢？
　　
　　補認識短板
　　
　　鋁工業(yè)與相關部門人員需提高對發(fā)展鋁－鋰合金材料的認識，它是航空航天工業(yè)一種有一定戰(zhàn)略性的輕金屬材料，是替代2024型、7075型合金的材料，在航空航天用的輕金屬材料中，它具有最高的性價比，是全世界重點發(fā)展的輕金屬材料之一。
　　
　　成立專門的研究組
　　
　　雖然中航工業(yè)航材院鋁合金研究所有一個鋁－鋰合金研發(fā)和應用研究組，西南鋁業(yè)（集團）有限責任公司也有專門從事鋁－鋰合金研究的科技人員，但與美國鋁業(yè)公司技術(shù)中心、全俄輕金屬研究院、肯聯(lián)鋁業(yè)公司蒙特利爾技術(shù)中心與法國沃雷普研究所的鋁－鋰合金研究部門相比，無論在規(guī)模、人員與裝備配備方面都有較大差距，可以以北京航空材料研究院的鋁－鋰合金研究組為中心成立全國性的研發(fā)中心。加大投入，擴大裝備與人員。
　　
　　改擴建現(xiàn)有生產(chǎn)裝備
　　
　　截至2015年全世界可生產(chǎn)鋁－鋰合金材料的企業(yè)有：美國鋁業(yè)公司旗下的位于美國的達爾波特軋制廠、麥庫克軋制廠、拉斐特鋁業(yè)公司（擠壓材與鍛件），英國的基茨格林軋制廠，意大利的富西拉鋁業(yè)公司；肯聯(lián)鋁業(yè)公司旗下的美國特雷特伍德軋制鋁業(yè)公司、法國伊蘇瓦爾軋制廠；俄羅斯聯(lián)合鋁業(yè)公司烏拉爾卡緬斯克冶金廠。它們的總生產(chǎn)能約35kt/a，在這里需說一下鋁－鋰合金材料（半成品）生產(chǎn)能力匡算方法，由于鋁－鋰合金的熔鑄特點與壓力加工塑性較低特點，綜合成品率按45%匡算，比傳統(tǒng)7075型材料的60%綜合成品率約低15個百分點或更多一些，另外對一個生產(chǎn)鋁－鋰合金半成品的鋁加工廠來說，生產(chǎn)能力并不取決于加工裝備而取決于熔煉爐生產(chǎn)能力，例如有1臺10t真空熔煉爐的熔鑄車間，可生產(chǎn)鑄錠約6500t/a，加工成材率按55%計算，半成品產(chǎn)量只不過3000t/a左右。2015年中國鋁－鋰合金材料的生產(chǎn)能力也僅2500t/a，僅相當于國外總生產(chǎn)能力的7.1%，顯然，從中長期的國內(nèi)外市場來看是有缺口的，需要進行改擴建，適當擴大生產(chǎn)能力。
　　
　　那么，怎么改擴建呢？一是對現(xiàn)有的生產(chǎn)線進行較大規(guī)模的改擴建，以全部替代進口滿足國內(nèi)需求為目標，使板材、擠壓材、鍛件的總生產(chǎn)能力達到10kt/a；二是建一個一期生產(chǎn)能力為10kt/a的板帶項目，建這樣的項目最好與研發(fā)部門合作，如能與國外企業(yè)合資建設也是不錯的。
　　
　　加強合金研發(fā)
　　
　　在鋁－鋰合金研發(fā)方面仍是我們一塊較大的短板，蘇聯(lián)及俄羅斯在這方面做了許多工作既開發(fā)了Al-Cu-Li系合金，又開發(fā)了Al-Mg-Li系合金，還廣泛研究了Sc、Ag、Zr等微量元素的作用，研究深度和廣度與美國相比有過之而無不及，因此對蘇聯(lián)與俄羅斯的工作以及美國的工作者應全面地多多了解，創(chuàng)造出有中國特色的Al-Li合金體系。
　　
　　薄帶材卷－卷軋制
　　
　　鋁－鋰合金的平軋工藝塑性遠不如2024及7075型合金的，因此卷－卷冷軋厚度≤3mm薄帶相當困難，中國還不能進行有效的工業(yè)化生產(chǎn)，但俄羅斯在這方面已取得了突破性的成就，成功地實現(xiàn)了1441、1450合金的帶卷冷軋。他們發(fā)現(xiàn)，Al-Li合金冷軋塑性低的主要原因是帶卷中間退火慢速冷卻時造成的，于是通過適當?shù)闹虚g退火顯著改善了合金的冷軋塑性。
　　
　　俄羅斯卡緬斯克冶金廠對1420鋁－鋰合金薄帶包鋁板帶軋制工藝作了深入研究，他們開發(fā)的包鋁合金為Al-1%Zn-0.1%Zr，不但改善了鑄錠的工藝塑性，而且可對薄板帶進行電化學保護。該廠采用包鋁技術(shù)并結(jié)合適當?shù)闹虚g退火，軋出了厚1.2mm的帶材，而且冷軋道次由未包鋁的6道減少到包鋁的3道，簡化了軋制了工藝，降低了生產(chǎn)成本。
　　
　　俄羅斯科學家還發(fā)現(xiàn)，將包鋁板置于錠坯上一起均勻化退化，不僅可以顯著提高錠坯的熱加工塑性，幾乎與7075型合金的相當，而且冷加工性能也大為改善，中間退火次數(shù)可大為減少，減至一二次，甚至可不進行，生產(chǎn)效率大為提高，成本有所降低。
　　
　　熱處理規(guī)范研究宜全面深入
　　
　　鋁－鋰合金是一類熱處理可強化的變形鋁合金，熱處理是保證加工的順利進行與材料最終性能和使用性能的工藝措施。晶界是1450合金含Cu沉淀相T1和Y1的最優(yōu)場所，因此在〉140℃的較高溫度時效時很難避免晶界不析出這兩種化合物，不過含Cu化合物在晶體內(nèi)與晶界上的析出是有競爭性的。俄羅斯輕金屬研究院利用這一特點研究成功1450合金的雙級時效工藝取得了很好的效果，在120℃進行第一級時效時，δ'相和θ'相可在α－（Al）基體內(nèi)均勻析出，避免了晶界析出T1相，承受后在140℃進行第二級時效進可保證強化相的全面充分析出，晶界析出T1相被抑止。這種析出的弱化全面改善了合金的綜合力學性能，不但保證了高的強度性能，而且厚板厚度方向伸長率也有較大提高。
　　
　　與此同時，俄羅斯輕金屬研究院對1430、1441、1451合金的形變熱處理進行了系統(tǒng)研究，制訂出了切實可行的低溫形變熱處理規(guī)范。
　　
　　亟待回收與再生處理的鋁－鋰合金廢料
　　
　　隨著鋁－鋰合金材料產(chǎn)量的上升與用量的增長，新舊廢料也隨著相應地增加，在材料加工過程中產(chǎn)生的工藝廢料（新廢料）高達45%~55%，如何回收與再生成高附加值的金屬是擺在全世界冶金工作者面前的一個嚴峻的棘手問題，直到如今也未找到圓滿的有效工藝進行良好的循環(huán)。