Алюминиево-литиевый сплав - Aluminium–lithium alloy
Алюминий-литиевые сплавы (сплавы Al-Li) представляют собой набор из сплавов из алюминия и лития , часто также в том числе меди и циркония . Поскольку литий является наименее плотным элементарным металлом, эти сплавы значительно менее плотны, чем алюминий. Коммерческие сплавы Al – Li содержат до 2,45% лития по массе.
Кристальная структура
Легирование литием снижает массу конструкции за счет трех эффектов:
- Смещение
- Атом лития легче атома алюминия; каждый атом лития затем вытесняет один атом алюминия из кристаллической решетки , сохраняя при этом структуру решетки. Каждый 1% лития, добавленный к алюминию, снижает плотность получаемого сплава на 3% и увеличивает жесткость на 5%. Этот эффект работает до предела растворимости лития в алюминии, который составляет 4,2%.
- Деформационное упрочнение
- Введение атома другого типа в кристалл деформирует решетку, что помогает блокировать дислокации . В результате получается более прочный материал, что позволяет использовать его меньше.
- Осадочное твердение
- При правильном старении литий образует метастабильную фазу Al 3 Li (δ ') с когерентной кристаллической структурой. Эти выделения укрепляют металл, препятствуя движению дислокаций во время деформации. Однако осадки нестабильны, и необходимо следить за тем, чтобы не допустить перезарядки с образованием стабильной фазы AlLi (β). Это также создает зоны, свободные от выделений (PFZ), обычно на границах зерен, и может снизить коррозионную стойкость сплава.
Кристаллическая структура для Al 3 Li и Al – Li, основанная на системе кристаллов ГЦК , сильно различается. Al 3 Li имеет почти такую же решетчатую структуру, что и чистый алюминий, за исключением того, что атомы лития присутствуют в углах элементарной ячейки. Структура Al 3 Li известна как AuCu 3 , L1 2 или Pm 3 m и имеет параметр решетки 4,01 Å. Структура Al – Li известна как структура NaTl, B32 или Fd 3 мкм, которая состоит из лития и алюминия, предполагая алмазные структуры, и имеет параметр решетки 6,37 Å. Межатомное расстояние для Al – Li (3,19 Å) меньше, чем у чистого лития или алюминия.
использование
Сплавы Al – Li в первую очередь представляют интерес для авиакосмической промышленности из-за их преимущества в весе. В отношении узкофюзеляжных авиалайнеров Arconic (ранее Alcoa ) заявляет о снижении веса до 10% по сравнению с композитами , что приводит к повышению топливной эффективности до 20% при более низкой стоимости, чем у титана или композитов. Алюминиево-литиевые сплавы впервые были использованы в крыльях и горизонтальном стабилизаторе североамериканского военного самолета A-5 Vigilante . Другие сплавы Al-Li использовались в обшивке нижней части крыла Airbus A380 , внутренней конструкции крыла Airbus A350 , фюзеляже Bombardier CSeries (где сплавы составляют 24% фюзеляжа), грузовом полу Боинг 777X , а лопасти вентилятора по Pratt & Уитни PurePower ориентирована турбореактивного двигателя летательного аппарата. Они также используются в топливных баках и окислителя в SpaceX Falcon 9 ракеты - носителе, формула один суппорты тормозов, и AgustaWestland EH101 вертолет .
Третья и последняя версия внешнего бака американского космического корабля " Шаттл " в основном была сделана из сплава Al-Li 2195 . Кроме того, сплавы Al-Li также используются в переднем адаптере Centaur в ракете Atlas V , в космическом корабле Orion и должны были использоваться в запланированных ракетах Ares I и Ares V (часть отмененной программы Constellation ).
Сплавы Al – Li обычно соединяют сваркой трением с перемешиванием . Некоторые сплавы Al – Li, такие как Weldalite 049 , можно сваривать обычным способом ; однако за это свойство приходится расплачиваться плотностью; Weldalite 049 имеет примерно такую же плотность, как алюминий 2024 года, и на 5% выше модуль упругости . Al – Li также производится в рулонах шириной 220 дюймов (18 футов; 5,6 метра), что позволяет сократить количество стыков.
Хотя алюминиево-литиевые сплавы обычно превосходят алюминиево-медные или алюминиево-цинковые сплавы по предельному соотношению прочности к массе, их низкая усталостная прочность при сжатии остается проблемой, которая только частично решена к 2016 году. Кроме того, высокая стоимость ( примерно в 3 раза или больше, чем у обычных алюминиевых сплавов), плохая коррозионная стойкость и сильная анизотропия механических свойств прокатанных алюминиево-литиевых продуктов привели к ограниченному количеству применений.
Список алюминиево-литиевых сплавов
Помимо формального четырехзначного обозначения, основанного на его элементном составе , алюминиево-литиевый сплав также связан с определенными поколениями, в первую очередь, исходя из того, когда он был впервые произведен, но во вторую очередь из-за содержания в нем лития. Первое поколение просуществовало от первоначальных фоновых исследований в начале 20-го века до их первого применения в самолетах в середине 20-го века. Состоящие из сплавов, которые предназначались для прямой замены популярных сплавов 2024 и 7075 , второе поколение Al – Li имело высокое содержание лития, по крайней мере, 2%; эта характеристика привела к значительному снижению плотности, но привела к некоторым отрицательным эффектам, особенно к вязкости разрушения. Третье поколение - это существующее поколение Al-Li продукта, которое доступно, и оно получило широкое признание производителей самолетов, в отличие от двух предыдущих поколений. В этом поколении снижено содержание лития до 0,75–1,8%, чтобы смягчить эти отрицательные характеристики, сохранив при этом некоторое снижение плотности; Плотность Al-Li третьего поколения составляет от 2,63 до 2,72 грамма на кубический сантиметр (от 0,095 до 0,098 фунта на кубический дюйм).
Сплавы первого поколения (1920–1960-е гг.)
Название / номер сплава | Приложения |
---|---|
1230 (VAD23) | Ту-144 |
1420 | Фюзеляжи, топливные баки и кабины МиГ-29 ; Су-27 ; Ту-156 , Ту-204 , Ту-334 ; Як-36 и Як-38 Фюзеляжи |
1421 | |
2020 г. | Крылья и горизонтальные стабилизаторы A-5 Vigilante |
Сплавы второго поколения (1970–1980-е гг.)
Название / номер сплава | Приложения |
---|---|
1430 | |
1440 | |
1441 | Бе-103 и Бе-200 |
1450 | Ан-124 и Ан-225 |
1460 | Многоразовая ракета-носитель McDonnell Douglas ( DC-X ); Ту-156 |
2090 (предназначен для замены 7075 ) | Передние кромки A330 и A340 ; C-17 Globemaster ; Адаптер полезной нагрузки Atlas Centaur |
2091 (CP 274) (предназначен для замены 2024 г. ) | Люки доступа Fokker 28 и Fokker 100 в нижнем обтекателе фюзеляжа |
8090 (CP 271) (предназначен для замены 2024 г. ) | Планер EH-101 ; Передние кромки A330 и A340 ; Адаптер полезной нагрузки Titan IV |
Сплавы третьего поколения (1990–2010 годы)
Название / номер сплава | Приложения |
---|---|
2050 (AirWare I-Gauge) | Ракета-носитель экипажа " Арес I" - разгонный блок; Нервюры крыла A350 ; Усилитель нижнего крыла А380 |
2055 | |
2060 (C14U) | |
2065 | |
2076 | |
2096 | |
2098 | |
2099 (C460) | Стрингеры А380 , экструдированные поперечины, продольные балки и поручни сидений; Боинг 787 |
2195 | Ракета-носитель экипажа " Арес I" - разгонный блок; Последняя модификация баков с ракетным топливом Space Shuttle Super Lightweight External Tank Falcon 9 |
2196 | Экструдированные поперечные балки, продольные балки и направляющие сиденья A380 |
2198 (AirWare I-Form) | Обшивка фюзеляжа самолетов A350 и CSeries ; Ракета второй ступени Falcon 9 |
2199 (C47A) | |
2296 | |
2297 | Переборки F-16 |
2397 | Переборки F-16 ; Сверхлегкий внешний бак космического корабля "Спейс Шаттл" межбаковые упорные панели |
Al – Li TP – 1 | |
C99N |
Прочие сплавы
- 1424 алюминиевый сплав
- 1429 алюминиевый сплав
- 1441K алюминиевый сплав
- 1445 алюминиевый сплав
- Алюминиевый сплав В-1461
- Алюминиевый сплав В-1464
- Алюминиевый сплав В-1469
- 2094 алюминиевый сплав
- Алюминиевый сплав 2095 ( Weldalite 049 )
- 2097 алюминиевый сплав
- 2197 алюминиевый сплав
- 8025 алюминиевый сплав
- 8091 алюминиевый сплав
- 8093 алюминиевый сплав
- CP 276
Производственные площадки
Ключевыми мировыми производителями продукции из алюминиево-литиевых сплавов являются Arconic , Constellium и Каменск-Уральский металлургический завод .
- Технический центр Arconic (Аппер-Баррелл, Пенсильвания, США)
- Arconic Lafayette (Индиана, США); годовая производительность 20 000 метрических тонн (22 000 коротких тонн; 20 000 000 кг; 44 000 000 фунтов) алюминия-лития и возможность отливки круглых и прямоугольных слитков для катаных, прессованных и кованых изделий.
- Arconic Kitts Green (Великобритания)
- Завод Rio Tinto Alcan Dubuc (Канада); грузоподъемность 30 000 т (33 000 коротких тонн; 30 000 000 кг; 66 000 000 фунтов)
- Constellium Issoire (Пюи-де-Дом), Франция; годовая производительность 14000 т (15000 коротких тонн; 14000000 кг; 31000000 фунтов)
- Каменск-Уральский металлургический завод (КУМЗ)
- Алерис (Кобленц, Германия)
- FMC Corporation
- Юго-Западный Алюминий (КНР)
Смотрите также
использованная литература
Библиография
- Грушко, Ольга; Овсянников, Борис; Овчинноков, Виктор (2016). Эскин, Д.Г. (ред.). Алюминиево-литиевые сплавы: технологическая металлургия, физическое металловедение и сварка . Успехи в металлических сплавах. 8 . CRC Press / Taylor & Francis Group. DOI : 10.1201 / 9781315369525 . ISBN 9781498737173. OCLC 943678703 . Выложите резюме .
- Eswara Prasad, N .; Gokhale, Amol A .; Wanhill, RJH, ред. (2014). Алюминиево-литиевые сплавы: обработка, свойства и применение . Elsevier / Butteworth-Heinemann (опубликовано 20 сентября 2013 г.). DOI : 10.1016 / C2012-0-00394-8 . ISBN 978-0-12-401698-9. OCLC 871759610 . Выложите резюме .
внешние ссылки
- Ричардсон, Майк (14 октября 2012 г.). «Литий лечит беды производителей алюминия» . Аэрокосмическое производство . OCLC 907578912 . Архивировано 9 марта 2019 года.
- «Лучше ли алюминиево-литиевые композиты для узкофюзеляжных авиалайнеров?» . Новости GLG. 18 октября 2010. Архивировано 7 марта 2019 года . Проверено 7 марта 2019 г. - через AirInsight Group, LLC.