铝－锂合金工业是具有战略意义的待补短板

AlLi合金是一类含有合金元素锂的铝合金主要是变形铝合金含Li的铸造铝合金寥寥无几同时在大多数变形铝合金中Li并不是第一个主要合金化元素而是第二甚至第三合金化元素在当下凡是含有Li的铝合金都被称为铝合金都被称为铝锂合金截至年月在美国铝业协会公司AA注册的AlLi合金有个其中XXX系的个占XXX系的个占有趣的是美国和欧洲诸国集中研发XXX系和XXX系AlLi合金前苏联及俄罗斯则主要发展XXX系的AlLi合金中国则既研发XXX系含Li的合金又研发XXX系和XXX系的AlLi合金列入GBT的AlLi合金仅个AA在现行注册的个铝锂合金中只有合金是一个真正的高纯二元AlLi合金含LiLiZrZr其他元素皆为杂质英国年在美国铝业协会公司注册

AlLi合金是一种既古老又年轻的铝合金说它古老是早在多年前就已诞生世纪年代初德国研制成一种含Li的铝合金商品名称Scleron典型成分质量ZnCuLi其余为其他杂质及Al年美国铝业公司Alcoa的Lebron合金申请了专利年注册为X合金其成分质量CuLiMnCd其他杂质及Al固溶处理及时效后的性能抗拉强度RmNmm屈服强度RpNmm伸长率A年此合金板材在美国海军AJ侦察机上得到应用世纪年代初在超声速轰炸机B和歼击机F上也得到少量应用X合金的断韧性低尤其是缺口敏感性比T合金的大

研究低密度高强度航空航天铝合金对降低结构质量有着特殊重要的意义Li是唯一的可降低现行铝合金密度的合金化元素用AlLi合金取代常规型等可使零部件与结构质量减轻刚度提高

国外铝锂合金的发展

英美国家的发展

除了上述的情况外年英国冶金学家哈迪Hardy与希尔科克Silcock对AlLi及AlCuLi合金的时效沉淀过程作了研究发现了有序的AlLi日本中村正久也证实相的存在年英国富尔默Fulmer研究所制成了新的AlMgLiZr合金特别是年石油危机以后国外再次掀起了研究AlLi合金的热潮在解决合金的低韧性方面与晶界脆性方面取得突破性的成就世纪年代中期和合金进入商业化生产阶段稍后又研制成CP和Weldalite合金年以来加拿大铝业公司与肯联铝业公司Constellium为制造A飞机研制成功注册商标为AirwareTM的铝锂合金家族及其材料生产工艺研究工作在法国沃雷普研究所Verop与加拿大蒙特利尔技术中心进行材料生产由伊苏瓦尔轧制厂负责有条式热连轧生产线以轧制硬合金为主供航空航天工业汽车工业部门用欧洲航空航天工业用的铝合金板带材的左右是由该厂生产的而铝锂合金的以上由该厂供应A飞机用的AlLi合金材料全是该企业生产的

为了满足未来航空航天工业对AlLi合金的需求美国铝业公司除了加强研发工作外对在全世纪的铝锂合金生产线进行大规模的改扩建使生产能力翻了一番它们是美国铝业公司的达文波特轧制厂Davenport拉斐特Lafayette锻造挤压厂郎维铝业公司Longview原属雷诺兹金属公司年美国铝业公司兼并了它英国基茨格林铝业公司KittsGreen意大利的富西纳铝业公司特别是对拉斐特厂的改扩建更为宏伟对匹兹堡技术中心生产线也做了现代化改造到年总投资将达亿美元

拉斐特AlLi合金铸造车间紧靠着挤压车间铸锭生产能力kta是世界上最大的铸造车间拉斐特厂是全球最大的AlLi合金挤压材与锻件生产企业达文波特轧制厂有世界最大的mm四辊可逆式热粗轧机是世界最大的铝合金厚板企业全球最大的AlLi合金板材生产厂拉斐特铝业公司是世界第一大的AlLi合金圆锭与扁锭铸造厂铝材挤压厂锻件生产厂它们也是世界最大AlLi合金材料供应商是空客AribusA与A波音湾流G飞机AlLi合金挤压材的独家供应者如单件SinglePiece机翼蒙皮WingSkin机翼桁条地板梁座位调节滑轨以及其他零件为PrattWhitneysPurePower航空发动机提供了世界首批AlLi合金前风扇叶片

拉斐特铝业公司可铸造世界上最大的AlLi合金锭其直径可比任何其他企业的大以上可生产任何飞机所需要的整体材料因而为制造更轻更强与成本更低的零件创造了有利的条件因为可以减少大量连接工作与紧固件

俄罗斯及前苏联的铝锂合金工业

前苏联与俄罗斯在铝锂合金研发与生产方面毫不比英美国家逊色是全球第二大生产与应用大国而且自成体系特别是在AlMgLi合金研发与生产方面独树一帜其中最典型的代表性合金是年定型可以生产板带材挤压材与锻件等年合金就已成为轻型直升机的主要结构材料年以后它在MIGSUSU等超声速歼击机上得到应用至今合金仍是俄罗斯航空航天器的主要AlLi合金材料

前苏联和俄罗斯在大力发展AlMgLi合金的同时也在不遗余力地研发AlCuLi系合金所开发的合金成分与美国的合金相似但其材料热处理工艺更加着重其综合性能的发挥因而具有更强的市场竞争力上世纪年代前苏联又推出性能更加优秀的AlCuLi系合金它的强度更高一些可焊性也更好一些韧性也更好一些难能可贵的是它有优越的低温性能特别适合于焊接火箭燃料液氧与液氢贮箱它的其他性能与美国的等合金的相当年俄罗斯在液氢贮箱它的其他性能与美国的等合金的相当年俄罗斯在实施更为全面与系统的发展AlLi合金的规划苏联和俄罗斯的AlLi合金研发工作主要的轻金属研究院而材料生产则主要在乌拉尔卡缅斯克Kamensk铝业公司

前苏联的合金还含有微量的Sc也是他们的AlLi合金的一个特点美国的AlLi合金就不含这个稀土元素前苏联及俄罗斯在发展AlSc合金方面居世界之首

中国的铝锂合金工业

中国对铝锂合金的研究始于上世纪年代初期中期制成AlCuLi系S合金但未进行工业化生产也没有获得应用世纪年代初期西南铝业集团有限责任公司从俄罗斯引进台t的AlLi合金真空熔炼炉及铸造装备并自制了台t的真空熔炼炉使中国AlLi合金进入了一个阶段西南铝业集团有限责任公司对AlLi合金的研制与生产开展了较大规模的工作先后试制成功多种有商业价值的AlLi合金而在承担的新型轻质高性能铝锂合金工业化制备项目攻关中取得了一个又一个阶段性成就在成分优化熔炼工艺控制大规格锭铸造工艺参数精准化形变热处理运用材料性能与显微组织关系等方面都取得了好的成绩各项工作都达到了预期的目标

在发展中国铝锂合金方面特别是在研发领域中航天工业航材院铝合金研究所的铝锂合金及工艺专业组是中国唯一的一个从事铝锂合金研究和应用研究的专业组处于中国领先地位成功地仿制和研制出AAA第二代和第三代高强高模高韧铝锂合金中强高韧铝锂合金并拥自主知识产权为中国铝锂合金的发展作出了突出贡献

与国外差距是块待补的有战略意义的短板

在铝锂合金研发材料生产与应用方面中国与工业发达国家相比至少有三四十年的差距虽然早在上世纪年代中国已开始铝锂合金研究也有一些自主创新但是总体上仍属于跟踪型没有形成有中国特色的铝锂合金体系生产大飞机用的铝锂合金材料全是从美国进口的铝锂合金是航空航天器的明星材料在航空航天器用的铝材中它是性价比最高的材料我们究竟还存在哪些差距与哪些短板呢

补认识短板

铝工业与相关部门人员需提高对发展铝锂合金材料的认识它是航空航天工业一种有一定战略性的轻金属材料是替代型型合金的材料在航空航天用的轻金属材料中它具有最高的性价比是全世界重点发展的轻金属材料之一

成立专门的研究组

虽然中航工业航材院铝合金研究所有一个铝锂合金研发和应用研究组西南铝业集团有限责任公司也有专门从事铝锂合金研究的科技人员但与美国铝业公司技术中心全俄轻金属研究院肯联铝业公司蒙特利尔技术中心与法国沃雷普研究所的铝锂合金研究部门相比无论在规模人员与装备配备方面都有较大差距可以以北京航空材料研究院的铝锂合金研究组为中心成立全国性的研发中心加大投入扩大装备与人员

改扩建现有生产装备

截至年全世界可生产铝锂合金材料的企业有美国铝业公司旗下的位于美国的达尔波特轧制厂麦库克轧制厂拉斐特铝业公司挤压材与锻件英国的基茨格林轧制厂意大利的富西拉铝业公司肯联铝业公司旗下的美国特雷特伍德轧制铝业公司法国伊苏瓦尔轧制厂俄罗斯联合铝业公司乌拉尔卡缅斯克冶金厂它们的总生产能约kta在这里需说一下铝锂合金材料半成品生产能力匡算方法由于铝锂合金的熔铸特点与压力加工塑性较低特点综合成品率按匡算比传统型材料的综合成品率约低个百分点或更多一些另外对一个生产铝锂合金半成品的铝加工厂来说生产能力并不取决于加工装备而取决于熔炼炉生产能力例如有台t真空熔炼炉的熔铸车间可生产铸锭约ta加工成材率按计算半成品产量只不过ta左右年中国铝锂合金材料的生产能力也仅ta仅相当于国外总生产能力的显然从中长期的国内外市场来看是有缺口的需要进行改扩建适当扩大生产能力

那么怎么改扩建呢一是对现有的生产线进行较大规模的改扩建以全部替代进口满足国内需求为目标使板材挤压材锻件的总生产能力达到kta二是建一个一期生产能力为kta的板带项目建这样的项目最好与研发部门合作如能与国外企业合资建设也是不错的

加强合金研发

在铝锂合金研发方面仍是我们一块较大的短板苏联及俄罗斯在这方面做了许多工作既开发了AlCuLi系合金又开发了AlMgLi系合金还广泛研究了ScAgZr等微量元素的作用研究深度和广度与美国相比有过之而无不及因此对苏联与俄罗斯的工作以及美国的工作者应全面地多多了解创造出有中国特色的AlLi合金体系

薄带材卷卷轧制

铝锂合金的平轧工艺塑性远不如及型合金的因此卷卷冷轧厚度mm薄带相当困难中国还不能进行有效的工业化生产但俄罗斯在这方面已取得了突破性的成就成功地实现了合金的带卷冷轧他们发现AlLi合金冷轧塑性低的主要原因是带卷中间退火慢速冷却时造成的于是通过适当的中间退火显著改善了合金的冷轧塑性

俄罗斯卡缅斯克冶金厂对铝锂合金薄带包铝板带轧制工艺作了深入研究他们开发的包铝合金为AlZnZr不但改善了铸锭的工艺塑性而且可对薄板带进行电化学保护该厂采用包铝技术并结合适当的中间退火轧出了厚mm的带材而且冷轧道次由未包铝的道减少到包铝的道简化了轧制了工艺降低了生产成本

俄罗斯科学家还发现将包铝板置于锭坯上一起均匀化退化不仅可以显著提高锭坯的热加工塑性几乎与型合金的相当而且冷加工性能也大为改善中间退火次数可大为减少减至一二次甚至可不进行生产效率大为提高成本有所降低

热处理规范研究宜全面深入

铝锂合金是一类热处理可强化的变形铝合金热处理是保证加工的顺利进行与材料最终性能和使用性能的工艺措施晶界是合金含Cu沉淀相T和Y的最优场所因此在的较高温度时效时很难避免晶界不析出这两种化合物不过含Cu化合物在晶体内与晶界上的析出是有竞争性的俄罗斯轻金属研究院利用这一特点研究成功合金的双级时效工艺取得了很好的效果在进行第一级时效时相和相可在Al基体内均匀析出避免了晶界析出T相承受后在进行第二级时效进可保证强化相的全面充分析出晶界析出T相被抑止这种析出的弱化全面改善了合金的综合力学性能不但保证了高的强度性能而且厚板厚度方向伸长率也有较大提高

与此同时俄罗斯轻金属研究院对合金的形变热处理进行了系统研究制订出了切实可行的低温形变热处理规范

亟待回收与再生处理的铝锂合金废料

随着铝锂合金材料产量的上升与用量的增长新旧废料也随着相应地增加在材料加工过程中产生的工艺废料新废料高达如何回收与再生成高附加值的金属是摆在全世界冶金工作者面前的一个严峻的棘手问题直到如今也未找到圆满的有效工艺进行良好的循环