飞机火箭都离不开的航空航天特种材料—铝锂合金

铝合金大家都不会陌生，因为其价格便宜、美观耐用，已经普遍应用到了各行各业。其中，有一类铝合金因在航空航天领域广泛应用而备受关注，它就是铝锂合金。

对于航空航天来说，节约质量就是大幅度节约成本。为了降低飞机和火箭自身的重量，科研人员一直都在制造材料上下功夫，希望能够找到一种既轻便又结实的材料。铝锂合金，作为一种先进的轻量化结构材料，具有密度低、比强度和比刚度高、弹性模量高、疲劳裂纹扩展速率低、低温性能较好、良好的耐腐蚀性和卓越的超塑成形性能等诸多优异的综合性能。中国的大飞机C919大部分结构材料使用的就是铝锂合金。下面我们就来为大家简单介绍一下铝锂合金。

铝锂合金是什么

所谓铝锂合金就是在铝合金材料中添加少量锂金属形成的合金。因为锂金属是地球上密度最小的金属，比水的密度还要小。把这种金属添加到其他金属里面，就可以降低合金的密度。比如添加到铝合金里面，只需要有1%的锂金属，就可以让铝合金降低3%的密度。通过添加锂金属，可以生产比传统铝合金更轻的合金材料，满足航空航天产业不断降低质量、降低运营成本的要求。当然，通过研究的不断深入，发现铝锂合金不仅可以实现更低的密度，还可以实现更高的强度，从而可以在保证飞机强度的前提下，降低材料的使用量，进一步降低飞机的质量。

当然，铝锂合金绝不仅仅是往铝里面添加锂金属那么简单，如果真是那么简单，也不会成为价格高昂的航空航天材料了。锂金属本身是一种活泼金属，自己放在空气里面很容易被氧化，甚至有可能被点燃发生火灾。这种活泼的金属如果添加到铝合金里面，很容易被氧化，不仅自己被氧化，还很容易带动铝合金被氧化。所以，虽然铝金属里面添加锂就会降低合金密度，但也不会大量添加，目前已经成型的各类铝锂合金添加的锂金属含量没有超过3%的，主流的铝锂合金中锂元素的含量集中在1-2%之间，上下浮动不大。

此外，单独添加锂元素，并不足以提高铝合金的强度，反而有可能降低铝合金的强度。因此，主流的铝锂合金绝不仅仅是铝元素和锂元素的合金，而是同时添加了几种甚至十几种元素的复杂合金，甚至有些元素的含量会超过锂元素。

铝锂合金发展历程

铝锂合金主要经历了四代产品。最早的含锂铝合金诞生于1924年，锂元素添加量只有0.1%，当初也没有发现这种材料的特殊性能，所以并没有引起重视，也没有把铝锂合金当做重点的研究方向进一步深入。直到20世纪50年代，美国和苏联先后研发出了真正意义上的第一代铝锂合金。第一代铝锂合金的主要特征就是密度低，可以降低飞机制造材料的质量，进一步可以帮助飞机节省燃料，降低飞机运营成本。美苏先后把铝锂合金应用到了飞机部件的制造上，并取得了不错的经济效益。就此铝锂合金引起了各国的重视，成为大家重点研发的一种重要航空航天材料。

但是，第一代铝锂合金延展性差，不容易加工、容易断裂且断裂后容易被腐蚀等等，这些缺点决定了铝锂合金并不能很好的满足航空航天的应用需求。以飞机为例，如果结构材料很容易损坏或者很容易腐蚀的话，就会给飞机带来很大的安全隐患。

到了20世纪60年代，国际市场油价飙升，催生了第二代铝锂合金。只要能降低飞机质量，就能节省燃油损耗，从而节约运营高成本。所以，第二代铝锂合金主要还是以降低密度为主要抓手，提高铝锂合金中的锂元素含量，往往会添加超过2%的锂元素。第二代铝锂合金相对于传统铝合金可以降低8%-10%的质量。但也正是因为锂元素含量高，给铝锂合金带来了一定的不稳定因素。第二代铝锂合金热稳定性比较差，加工性能和易断裂的性能没有很好的改善，同时还存在着各向异性，也就是不同方向结构强度之类的指标不一样，给材料实际应用带来很多困难。

真正意义上铝锂合金时代的到来，还是从20世纪90年代开始的，到这个时期，人类对铝锂合金的认识已经到了一个新的高度，不再追求整体性能的提高，而是根据不同用途，研究不同性能的铝锂合金。第三代铝锂合金根据不同用途衍生出了多种牌号的铝锂合金产品，满足了不同领域的需求。

第三代铝锂合金从一定程度上解决了第一代铝锂合金和第二代铝锂合金的遗留问题。通过降低锂元素的添加量确保材料稳定性，并进一步改进配方使用一些特殊性能的元素，真正意义上让铝锂合金实现了密度小、结构强度大、易加工、耐腐蚀等一系列优秀性能。铝锂合金也正式得到了航空航天产业的认可，在飞机和火箭上的应用比例越来越高。第二代铝锂合金主要应用到一些运输机和直升机上，而到了第三代铝锂合金这里，民用航空大飞机也开始大规模使用，大飞机的蒙皮、横梁等重要结构部件都用上了特定性能的铝锂合金。第三代铝锂合金的使用，不仅仅是从材料密度上实现了降低，而且大幅度提升了材料强度，真正意义上给飞机来了轻便又安全的机身。

不仅仅是飞机从铝锂合金材料这里得到了好处，火箭也逐渐开始拥抱铝锂合金。美国的航天飞机液氢液氧贮箱就使用了铝锂合金材料，降低了5%的材料密度和3吨左右的重量，这样的减重对于航天飞机运营来说是非常有利的。此后，很多火箭的燃料贮箱也开始使用铝锂合金材料。比如近些年发展迅猛的SpaceX公司，其猎鹰9火箭燃料贮箱材料就是使用铝锂合金材料。相对来说，中国火箭领域应用铝锂合金材料比较晚，目前主流的火箭，燃料贮箱全都没有采用铝锂合金材料。但值得一提的是，中国已经攻克了3.5米直径大型铝锂合金贮箱的研制，也许很快我们就能看到采用铝锂合金贮箱的中国火箭发射了。

第三代铝锂合金在一定程度上已经克服了前两代铝锂合金材料的缺陷，使用安全性、可靠性得到了大幅度提升，但仍存在一定的提升空间，于是又催生了第四代铝锂合金材料。第四代铝锂合金材料要求性能更优异，成本更低廉。第三代铝锂合金材料，通过添加少量银元素，改进了合金材料的性能，但是银元素的成本还是比较高的，第四代铝锂合金就是要做到尽量少用甚至不用银元素的前提下，还能进一步提升材料性能。目前已经制备出来的第四代铝锂合金材料，强度高、抗裂性能、抗腐蚀性能好的同时，具有更好的韧断性和更好的静强度，能进一步满足航空航天领域的需求。

需要补充的是，铝锂合金不仅仅是成分比较特殊，它们在生产和加工时也有很多需要注意的。如果不能把各种因素都考虑到位，是不可能生产出合格的高性能铝锂合金的，这也正是这种材料还不能成为大众材料的重要原因。

工艺特性及前景

锂元素是一种很活泼的元素，而且密度很小，那添加锂元素的铝锂合金冶炼的过程中有很多因素需要考虑。最重要的一点，那就是在冶炼的过程中一定要主要隔绝空气，因为空气很容易氧化锂元素，而锂元素氧化以后，会严重影响最后铝锂合金的性能。所以铝锂合金的冶炼装置需要把空气抽走形成真空或者重新加入惰性气体，之后才能开始冶炼。另外，冶炼的原材料也必须严格控制，稍有不慎混进一些杂物，比如一些氧化物，就很容易把锂元素氧化，从而严重影响最终产品的性能。

铝锂合金材料的加工和焊接也有很多需要讲究的地方，不是随随便便照搬其他铝合金材料的加工工艺就可以了。必须充分考虑铝锂合金的独特性质，科学选择加工工艺才行。

中国的铝锂合金生产和加工起步相对比较晚，产业化程度还不太高，主要应用到军工领域，航天领域还没有正式铺开，民用航空应用也不多，未来提升空间比较大。虽然中国大飞机C919应用铝锂合金的比例相对很高，但就目前而言，我国各类铝锂合金材料进口比例较高，距离完全实现国产化替代的道路还是比较长的，这也是推动中国铝锂合金产业转型升级的重要契机。

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