铝－锂合金工业是具有战略意义的待补短板

铝－锂合金工业是具有战略意义的待补短板

使零部件与结构质量减轻10%~20%，刚度提高15%~20%。

　    Al-Li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***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2015年1月，在美国铝业协会公司（AA）注册的Al-Li合金有26个，其中2XXX系的22个，占84.6%，8XXX系的4个，占15.4%，有趣的是，美国和欧洲诸国集中研发2XXX系和8XXX系Al-Li合金，前苏联及俄罗斯则主要发展5XXX系的Al-Li合金，中国则既研发2XXX系含Li的合金，又研发5XXX系和8XXX系的Al-Li合金，列入GB/T3190的Al-Li合金仅3个：2A97、5A90、8090.在现行注册的26个铝-锂合金中，只有8024合金是一个真正的高纯二元Al-Li合金，含3.4%Li~4.2%Li、0.08%Zr~0.25%Zr，其他元素皆为杂质，英国1999年在美国铝业协会公司注册。
　　Al-Li合金是一种既古老又年轻的铝合金，说它古老是早在80多年前就已诞生，20世纪20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）：12Zn，3Cu，0.1Li，其余为其他杂质及Al。1942年美国铝业公司（Alcoa）的Lebron合金申请了专利，1954年注册为X2020合金，其成分（质量%）：4.5Cu，1.0Li，0.8Mn，0.5Cd，其他杂质及Al；固溶处理及时效后的性能；抗拉强度Rm=567N/mm2，屈服强度Rp0.2=533N/mm2，伸长率A=7.8%；1957年此合金板材在美国***A31J侦察机上得到应用。20世纪60年代初，在超声速***机B-58和歼击机F-111上也得到少量应用。X2020合金的断韧性低，尤其是缺口敏***比7075-T6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***的可降低现行铝合金密度的合金化元素，用Al-Li合金取代常规2219、2024、7075型等可使零部件与结构质量减轻10%~20%，刚度提高15%~20%。
　　国外铝-锂合金的发展
　　英美***的发展
　　除了上述的情况外，1955年英国冶金学家哈迪（Hardy）与希尔科克（Silcock）对Al-Li及Al-Cu-Li合金的时效沉淀过程作了研究，发现了有序的δ'（Al3Li），日本中村正久也证实δ'相的存在。1971年英国富尔默（Fulmer）研究所制成了新的Al-Mg-Li-Zr合金，特别是1973年石油危机以后，国外再次掀起了研究Al-Li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。20世纪80年代中期，8090、2090和2091合金进入商业化生产阶段，稍后又研制成CP276和Weldalite合金。2000年以来，加拿大铝业公司与肯联铝业公司（C***tellium）为制造A380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1条（1+3）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40%左右是由该厂生产的，而铝-锂合金的70%以上由该厂供应，A380飞机用的Al-Li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Al-Li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（D***enport）、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，2003年美国铝业公司兼并了它）、英国基茨格林铝业公司（Kitts Green）、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2017年总***将达1亿美元。
　　拉斐特Al-Li合金铸造车间紧靠着挤压车间，铸锭生产能力20kt/a，是世界上***大的铸造车间。拉斐特厂是******大的Al-Li合金挤压材与锻件生产企业，达文波特轧制厂有世界***大的5588mm四辊可逆式热粗轧机，是世界***大的铝合金厚板企业，******大的Al-Li合金板材生产厂。拉斐特铝业公司是***大的Al-Li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***大Al-Li合金材料供应商，是空客（Aribus）A380与A350、波音787、湾流G650飞机Al-Li合金挤压材的***供应者，如单件（Single-Piece）机翼蒙皮（Wing Skin）、机翼桁条、地板梁、座位调节滑轨，以及其他零件，为Pratt&Whitney's Pure-Power航空发动机提供了世界首批Al-Li合金前风扇叶片。
　　拉斐特铝业公司可铸造世界上***大的Al-Li合金锭，其直径可比任何其他企业的大50%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***逊色，是***第二大生产与应用大国，而且自成体系，特别是在Al-Mg-Li合金研发与生产方面独树一帜，其中***典型的代表性合金是1420，1965年定型，可以生产板带材、挤压材与锻件等。1971年，1420合金就已成为轻型直升机的主要结构材料，1980年以后，它在MIG-29、SU-27、SU-35等超声速歼击机上得到应用，至今1420合金仍是俄罗斯航空航天器的主要Al-Li合金材料。
　　前苏联和俄罗斯在大力发展Al-Mg-Li合金的同时，也在不遗余力地研发Al-Cu-Li系合金，所开发的1450合金成分与美国的2090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80年代前苏联又推出性能更加***的Al-Cu-Li系合金1460，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***液氧与液氢贮箱，它的其他性能与美国的2095、2195等合金的相当。1996年俄罗斯在液氢贮箱，它的其他性能与美国的2095、2195等合金的相当。1996年俄罗斯在实施更为***与系统的发展Al-Li合金的规划。苏联和俄罗斯的Al-Li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1421、1423、1460合金还含有微量的Sc（0.05%~0.21%），也是他们的Al-Li合金的一个特点，美国的Al-Li合金就不含这个稀土元素。前苏联及俄罗斯在发展Al-Sc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60年代初期，中期制成Al-Cu-Li系S141合金，但未进行工业化生产，也没有获得应用，20世纪90年代初期西南铝业（集团）有限责任公司从俄罗斯引进1台6t的Al-Li合金真空熔炼炉及铸造装备，并自制了1台1t的真空熔炼炉，使中国Al-Li合金进入了一个阶段。西南铝业（集团）有限责任公司对Al-Li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Al-Li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***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***组是中国***的一个从事铝－锂合金研究和应用研究的***组，处于中国***地位，成功地***和研制出8090、2090、5A90、2A97、2A66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***相比，至少有三四十年的差距，虽然早在上世纪60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***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2024型、7075型合金的材料，在航空航天用的轻金属材料中，它具有***高的性价比，是全世界***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***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2015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35kt/a，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45%匡算，比传统7075型材料的60%综合成品率约低15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1台10t真空熔炼炉的熔铸车间，可生产铸锭约6500t/a，加工成材率按55%计算，半成品产量只不过3000t/a左右。2015年中国铝－锂合金材料的生产能力也仅2500t/a，仅相当于国外总生产能力的7.1%，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10kt/a；二是建一个一期生产能力为10kt/a的板带项目，建这样的项目***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Al-Cu-Li系合金，又开发了Al-Mg-Li系合金，还广泛研究了Sc、Ag、Zr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***地多多了解，创造出有中国特色的Al-Li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2024及7075型合金的，因此卷－卷冷轧厚度≤3mm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1441、1450合金的带卷冷轧。他们发现，Al-Li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1420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Al-1%Zn-0.1%Zr，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1.2mm的带材，而且冷轧道次由未包铝的6道减少到包铝的3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7075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***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***终性能和使用性能的工艺措施。晶界是1450合金含Cu沉淀相T1和Y1的***优场所，因此在〉140℃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1450合金的双级时效工艺取得了很好的效果，在120℃进行***级时效时，δ'相和θ'相可在α－（Al）基体内均匀析出，避免了晶界析出T1相，承受后在140℃进行第二级时效进可保证强化相的***充分析出，晶界析出T1相被抑止。这种析出的弱化***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1430、1441、1451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45%~55%，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。