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大飞机批量制造将促进民机铝材需求快速增长


  

1. C919用了哪些铝-锂合金?


  C919前机身蒙皮、机头蒙皮、中机身蒙皮、中后机身蒙皮是用2198-T8铝-锂合金厚板与Al-Li-S4-T8铝-锂合金厚板制造,这里所说的厚板是指厚度>6mm的板材;前机身长桁、机头长桁、中机身长桁与地板梁、支柱、座椅导轨是用2196-T8511/2099-T83铝-锂合金挤压材等制造的;中后机身的长桁用的是2196-T8511/2099-T83铝-锂合金挤压材,它的地板梁与支柱的用材料为2099-T83、2196-T8511铝-锂合金挤压材。由此可见,C919用的常用铝-锂合金有3种:2196、2198、2099,它们都已在美国铝业协会公司(AA)注册,注册年度依次为2000年、2005年、2003年,都是美国合金,还用了一种牌号为Al-Li-S4-T8的铝-锂合金,但其成分未见报道。

  2196、2198、2099铝-锂合金的注册成分见表2。



  由表2中的数据可见,2099合金是一个很纯的合金,它的杂质铁、硅含量很低,必须用高纯原铝锭配制,同时它的锂含量也高,因此其材料的价值比其他两种合金的都高。2196和2198合金还含有少量的银,银能显著加速Al-Li合金的时效强化过程,总的来说,含Ag的铝-锂合金的综合性能优于不含银的铝-锂合金,银不但能细化合金的晶粒,而且加速合金的时效析出过程,使时效后合金的塑性有较大的下降。

  2099合金还含有0.40%~1.0%Zn,锌可与Mg形成n'(MgZn2)相并促进δ'和S'相的析出,从而提高其力学性能,时效前的预应变可促使Al-LI-Cu-Mg-Zn-Zr合金在190℃时效后的抗拉强度提高约20N/mm2。

  

 2. C919用的铝-锂合金从哪里来?


  C919机身蒙皮用的板材,长桁、地板梁、支柱等用的挤压材,座椅导轨等铝-锂合金材料与机身等直段用的所有铝-锂铝合金材料是美国铝业公司(Alcoa)提供的,而且其他一切铝材也是从美国铝业公司进口的,板材产于达文波特厂(Davenport Works),挤压材与锻件是拉斐特厂(Lafayette Works)加工的。除铝-锂合金挤压材外,其他挤压铝材有一部分是美国铝业公司设在韩国的一个挤压厂生产的。

  C919是由一百多万个零部件连接组装而成,铝合金零件的连接与其他零件的连接如发动机与机翼的连接,在飞机制造中起着非常重要的作用,所有的连接紧固件是美国铝业公司设在中国江苏省苏州市的两个工厂生产的,也可能有一些是进口的。古老的铆接法仍是飞机零件的主要连接工艺,C919的机身由一千六七百块钣金件组装而成,仅铆钉就用了六万多个,有的为2xxx系合金,有的为含锂的2xxx系合金。

  早在2009年年中,中国商用飞机有限责任公司就与美国铝业公司接触,谈判有关大飞机项目所用铝材供应的有关事项,谈判甚为顺利,美国铝业公司答应提供所需的一切高端铝材,而且价格比中国自己生产的还便宜一些,交货期也得到保证,美国铝业公司还派了材料专家深入中国商飞公司有关部门,帮助铝材选用与介绍铝材性能,为了双方合作得更好,该公司亚太地区总部特意从北京搬迁到上海。

  

 3. 铝-锂合金为何博得C919青睐?


  大家知道,航空航天工业对零件质量是锱珠必较的,用现在的话说,就是在计算零件质量时必须精准到“克”。锂的密度为540kg/m3,是最轻的金属元素,是铝密度的20%,向铝中每添1%Li,合金的密度均下降约3%,正弹性模量上升约5%。因而含锂的铝-锂合金具有低的密度,高的比强度、比刚度、比弹性模量等优点而成为优秀的航空航天器用铝材,有报道称:如果采用铝-锂合金制造波音飞机结构,其质量可以下降14.6%,燃料节省5.4%,飞机成本将下降2.1%,每架飞机每年的飞行费用降低2.2%。这就是飞机制造企业为什么对铝-锂合金情有独钟的原因。

  2011年9月11日中国研制的载人飞行器——天宫一号发射成功,顺利进入预定轨道。它的资源舱是用铝-锂合金制造的,比用2xxx系及7xxxx系常规合金制造减重10%左右,舱内装有太阳能电池、动力系统、推进系统、控制力矩陀螺,加足燃料后总质量约1.4t。

  

 4. 铝-锂合金的发展历程


  世界第一个含锂的铝-锂合金诞生于上世纪二十年代初的德国,商品名称Scleron,但没有获得工业应用。1942年美国铝业公司的利巴朗(Lebaron)发明的X2020合金(Al-4.5Cu-1.0Li-0.8Mn-0.6Cd)获得专利,1957年其板材在美国海军的A3J侦察机上获得应用;1960年代初在超声速轰炸机B-58和歼击机上获得少量应用,但是此合金的断裂韧性低,尤其是缺口敏感性比7075-T6合金的大。

  1955年,英国科学家哈代(Hardy)与西尔科克(Silcock)对AL-Li及AL-Cu-Li合金的时效过程作了研究,发现了有序的δ'Al3Li相。1960年苏联研制成D1420合金,其成分(W%):4~7Mg,1.5~2.6Li,0.2~1.0Mn或0.05~0.3Zr,0.015~0.15Ti,0.05~0.3Cu,其余为AL。1971年英国富尔默(Fylmer)研究所研制出新的AL-Mg-Li-Zr合金,特别是1973年的石油危机以后,再次掀起了研究铝-锂合金的浪潮,在解决其低韧性与晶界脆性方面取得了突破性的成就,诞生了第三代铝-锂合金,如肯联铝业公司的AirwareTM合金及其生产工艺,在A380宽机体大飞机上获得了大量应用,现在飞机上应用的铝合金都是第三代(表3)。



  现在,不管什么变形铝合金,只要是含有合金元素锂的都被称为铝-锂合金。截至2015年1月,在美国铝业协会公司注册的铝-锂合金共25个,其中属2XXX系的22个,Li的最大含量为2.6%(2090合金);属8XXX系3个,含Li最多为8091合金,含2.4%~2.8%,在当前常用的(active)的铝-锂合金中的锂含量都不超过2.8%。

  在全球发展铝-锂合金历程中可以明显地看出,苏联-俄罗斯着重发展以Al-Mg系合金为基的含锂合金,而美国与法国则发展以2XXX系合金为基础的含锂合金,由于意识形态的关系,苏联研发的变形铝合金不到美国铝业协会公司注册,直到苏联于1991年解体后,1997年俄罗斯才注册了一个非原型合金2224A。笔者所指原型合金是第二位数字为“0”合金。

  现在有独立铝-锂合金工业的国家只有美国、俄国、法国和中国,它们建立了从熔炼-铸造-加工的完整体系,熔炼-铸造是生产铝-锂合金材料的关键工序。可生产铝-锂合金材料的企业有美国铝业公司的达文波特轧制厂、拉斐特挤压-锻造厂、英国的基茨格林轧制厂(kitts Green Works)、俄罗斯的萨马拉冶金公司(Samara)、意大利的富西拉(Fusina)轧制厂;肯联铝业公司的法国伊苏尔(Issoire)轧制厂;俄罗斯联合铝业公司的卡缅斯克冶金公司;中国的西南铝业(集团)有限责任公司。全世界2015年铝-锂合金材料生产能力约200kt/a,其中美国铝业公司占50%以上。

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