铝锂合金材料是近年来航空航天材料中发展迅速的先进轻质结构材料。它具有许多优异的综合性能，如低密度、高弹性模量、高比强度和比刚度、良好的疲劳性能、耐腐蚀性能和焊接性能。替代常规高强度铝合金可使结构质量降低10%~20%，刚度提高15%~20%。因此，在航空空航天领域显示出广阔的应用前景。

虽然铝锂合金在航空航天领域有着广阔的应用前景。但由于其成本高于普通铝合金，室温塑性差，屈强比高，各向异性明显，冷加工时易开裂等。，很难形成它的成型。目前只能形成简单零件，难以制造复杂零件，限制了其在结构件中的应用。近年来，国外铝锂合金的研究和成形技术日趋成熟，不仅应用于军用飞机和航天器上的大量；而且民用飞机使用的铝锂合金量也在增加，比如奋进号航天飞机的外舱，空客机A330 /340/380等系列飞机。在我国，由于铝锂合金的熔炼铸造工艺、板材轧制挤压技术的不成熟，以及新型铝锂合金的研发相对落后，目前在某些型号的航天器上的应用还很少。

1.先进铝锂合金的发展现状

根据铝锂合金发展的历史过程和成分特征，可分为三个阶段。

第一阶段是初步发展阶段，从50年代到60年代初。其主要代表是美国美铝公司于1957年成功研究的2020合金，应用于海军RA-5C军用预警机的机翼蒙皮和尾翼水平安定面，获得了6%的减重效果。前苏联在20世纪60年代成功研制出BA23合金。然而，这两种合金具有延展性低、缺口敏感性高、加工生产困难等特点。，不能满足航空空的生产和性能要求，并未得到进一步应用。

20世纪60年代中期，在能源危机的压力下，铝锂合金被重新估值，进入快速发展阶段，即第二阶段。在此期间，铝锂合金得到了迅速发展和全面研究，其中具有代表性的合金有:前苏联研制的1420合金、美国Alcoa公司的2090合金、英国Alcan公司的8090和8091合金等。这些合金具有密度低、弹性模量高的优点，可用于替代航空航天空航天器用2xxx和7xx铝合金。例如，前苏联在米格-29、苏-35战斗机和一些远程导弹弹头的外壳上使用了1420合金部件。虽然第二代铝锂合金在研究和应用方面取得了显著的成就，但由于其各向异性严重、塑性韧性低、受热严重、韧性丧失、大多数合金不可焊性等原因，很难与7xx铝合金竞争。

20世纪80年代末，以美国Weldalite049系列合金为代表的第三代高强度可焊铝锂合金相继研制成功，并成功应用于航空航天空等领域。目前，新型第三代铝锂合金正朝着超强度、超韧性和超低密度方向发展，其中研究最多的是高强度可焊合金和低各向异性合金。此外，还开发了一种颗粒或晶须增强SiC陶瓷的各向同性Al-Li金属基复合材料，其弹性模量达到130GPa，成为航空航天空领域其他复合材料的有力竞争者。

2

2.铝锂合金在航空航天中的应用及发展趋势。

据统计，每减轻1kg结构重量，经济效益可达10倍以上，因此低密度铝锂合金受到航天工业的广泛重视。铝锂合金在许多航空航天部件中已经取代了传统的高强度铝合金。其中，在美国的应用发展非常迅速，尤其是在航空航天行业。洛克希德·马丁公司用8090铝锂合金制造了大力神运载火箭有效载荷舱，重量减轻了182公斤。

1994年，为了解决“奋进”号航天飞机外舱超重问题，洛克希德·马丁公司和雷诺兹金属公司开发了一种新型2195材料，以取代以前的2219合金。这种合金的密度比2219合金轻5%，而强度比后者高30%。2195材质的全焊接罐体可减重3405kg，其中液氢罐1907kg，液氧罐736kg。直接经济效益近7500万美元，因此被称为超轻重量坦克。俄罗斯在铝锂合金的研究、生产和应用方面一直处于领先地位。为了提高载荷能力，航天飞机的外燃料箱采用铝锂合金，而“能源”号运载火箭的低温箱采用1460铝锂合金。

在航空领域空，许多先进战斗机和民用飞机都选择了铝锂合金。1988年，洛克希德·马丁作战飞机系统有限公司、航空空飞机系统有限公司和雷诺兹金属有限公司制定了开发2197合金应用的计划——用其厚板制作舱壁甲板。1996年，美国空 F-16飞机开始使用这种合金厚板制造后甲板等部件。除美国外，其他国家如俄罗斯、英国、法国等都在积极推动Al-Li合金在航空航天空航天器上的应用:Westland)EH101直升机25%的结构件采用8090合金，总质量降低约15%；法国第三代拉费尔战斗机计划用铝锂合金制造其结构框架；在俄罗斯，很多战斗机如雅克-36、苏-27、苏-36、米格-29、米格-33都是铝锂合金制造的。

民用飞机方面，中国客车工业股份有限公司的空 A330、A340、A380客机均采用铝锂合金。其中，A330和A340各有3t左右的铝锂合金用于机身结构、桁条等零部件。目前最新的A350客机在原有的基础上首次在机身蒙皮上使用了全新的2198铝锂合金。美国波音747、777客机和麦道系列飞机均采用铝锂合金，其应用部位包括油箱、舱壁、机翼蒙皮、前缘和后缘等。庞巴迪C系列飞机机身也将全部采用全新的铝锂合金。

3.铝锂合金先进制造技术及发展趋势

1超塑成形和扩散连接技术

超塑性成形和超塑性成形/扩散连接技术(SPF和SPF/DB)是一种几乎无余量、低成本、高效率的特殊成形方法，它利用材料的超塑性，通过吹塑和胀形的方式形成形状复杂、加工难度大的薄壁零件。铝锂合金和其他超塑性材料一样，可以通过合金化或机械热处理获得均匀、细小、等轴的晶粒，从而产生超塑性。铝锂合金的SPF研究始于1980年，1982年英国超塑成形金属公司在法恩伯勒国际航空空展览会上首次演示了铝锂合金及其超塑F零件的超塑现象。美国Weldalite049合金具有不同的超塑性，在无背压和410-3应变率的507℃固溶处理下，延伸率可达82.9%。该应变速率明显高于其他铝合金，对解决超塑加工速度低的问题具有重要意义。俄罗斯已经使用SPF技术为1420加工了许多飞机零件，其中一些尺寸为1200毫米600毫米。国内航天材料与技术研究院、北京航天空制造工程研究院等科研单位对铝锂合金的SPF和SPF/DB组合技术做了大量的开创性工作，取得了很多成果。目前，铝锂合金的超塑成形正从二次受力构件向一次受力构件发展，从单一的超塑成形向超塑成形/扩散连接的复合工艺发展，使铝锂合金的加工成本更低、结构更完整、重量更轻。

剪切纺丝

2旋压成形技术

旋压技术是集锻造、挤压、拉伸、弯曲等特点于一体的先进技术。剪切纺丝是近年来在传统纺丝技术基础上发展起来的一种新型纺丝技术。它不改变毛坯外径，而是改变其厚度，实现制造锥体等各种轴对称薄壁零件的旋压方法(锥度减薄旋压)。这种成形方法的特点是转轮受力小，半锥角与壁厚相互影响，材料流动顺畅，表面粗糙度好，成形精度高，难成形材料易于成形、拉伸和旋压。航天器上许多铝锂合金部件为空中心回转薄壳结构，特别适合旋压加工。最典型的部分是运载火箭低温贮箱的圆形顶盖。

美国大力神运载火箭的整流罩由三块直径为0.65米、厚度为10.7毫米的Weldalite049板旋压而成，其中一块中间部分采用变极性等离子弧焊(VPPA)焊接，以343℃/4h的速度消除应力，旋压过程中所有毛坯均采用317℃火焰加热。成型后，505℃/0.5h固溶处理，水淬；经177℃/18h人工时效后，室温抗拉强度约为600兆帕，在-196℃时提高到700兆帕，具有良好的断裂韧性。奋进号航天飞机的外舱穹顶采用了同样的旋压技术，外舱的筒体部分采用了先进的剪切旋压技术。

铝锂合金辊锻成形Y形连接架

3辊锻成形技术(辊锻)

铝锂合金，特别是韦尔达利特系列合金和1420合金，具有良好的锻造性能，用它们制成的模锻件不会开裂，这一点已被150多种锻件证明。因此，将其应用于航空空航天工业具有广阔的前景。辊锻是近年来发展起来的一种新型近终成形技术。它是一种塑性成形工艺，材料在一对反向旋转的模具作用下发生塑性变形，以获得所需的锻件或锻坯。辊锻的发展有两个重要领域。一是实现长轴锻件生产中的体积分配和预成形，降低最终成形负荷，形成精轧精锻复合生产线，以较少的投资大量生产复杂锻件。其次是精轧锻造技术，包括冷精轧技术。在叶片成形、变截面钢板弹簧等板材零件的精密成形方面具有良好的发展前景。近年来，两个方向的辊锻已成功应用于铝锂合金环锻件和带肋钣金件。比如奋进号航天飞机外舱的Y型框架和对接环。