Алюминиево-литиевый сплав - Aluminium–lithium alloy

Алюминиево-литиевые сплавы (Сплавы Al – Li) представляют собой набор сплавы из алюминий и литий, часто также включая медь и цирконий. Поскольку литий наименее плотный элементаль металла эти сплавы значительно менее плотны, чем алюминий. Коммерческие сплавы Al – Li содержат до 2,45% по массе лития.[1]

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 кристаллическая решетка при сохранении структуры решетки. Каждый 1% по массе лития, добавляемого к алюминию, снижает плотность получаемого сплава на 3% и увеличивает жесткость на 5%.[1] Этот эффект работает до растворимость предел содержания лития в алюминии, составляющий 4,2%.
Деформационное упрочнение
Введение в кристалл другого типа атома деформирует решетку, что помогает блокировать вывихи. В результате получается более прочный материал, что позволяет использовать его меньше.[нужна цитата ]
Осадочное твердение
При правильном старении литий образует метастабильный Al3Фаза Li (δ ') с когерентной кристаллической структурой.[2] 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).[3] Это также создает зоны, свободные от осадков (ЗОС), обычно при границы зерен и может уменьшить устойчивость к коррозии сплава.[4]

Кристаллическая структура Al3Li и Al – Li, а на основе Кристаллическая система FCC, очень разные. Al3Li имеет почти такую ​​же решетчатую структуру, что и чистый алюминий, за исключением того, что атомы лития присутствуют в углах элементарной ячейки. Аль3Структура Li известна как AuCu3, L12, или Pm3м[5] и имеет параметр решетки 4,01 Å.[3] Структура Al – Li известна как NaTl, B32 или Fd.3м[6] структура, которая сделана как из лития, так и из алюминия, предполагая алмазную структуру, и имеет параметр решетки 6,37 Å. Межатомное расстояние для Al – Li (3,19 Å) меньше, чем у чистого лития или алюминия.[7]

использование

Сплавы Al – Li в первую очередь представляют интерес для аэрокосмический промышленность из-за преимущества в весе, которое они обеспечивают. На узкое тело авиалайнеры Arconic (ранее Алкоа ) заявляет о снижении веса до 10% по сравнению с композиты, что на 20% лучше эффективность топлива по более низкой цене, чем титан или композиты.[8] Впервые алюминиево-литиевые сплавы были применены в крыльях и горизонтальном стабилизаторе самолета. североамериканский A-5 Vigilante военный самолет. Другие сплавы Al – Li использовались в обшивке нижнего крыла. Airbus A380, внутренняя конструкция крыла Airbus A350, фюзеляж Bombardier CSeries[9] (где сплавы составляют 24% фюзеляжа),[10] грузовой пол Боинг 777X,[11] и лопасти вентилятора Пратт и Уитни PurePower турбовентилятор с редуктором авиационный двигатель.[12] Они также используются в топливных баках и баках окислителя в SpaceX Сокол 9 ракета-носитель Формула один тормозные суппорты, а AgustaWestland EH101 вертолет.[13]

Третья и последняя версия США Космический шатл с внешний бак в основном был сделан из Al – Li 2195 сплав.[14] Кроме того, сплавы Al – Li также используются в Кентавр Передний адаптер в Атлас V ракета[15] в Космический корабль Орион, и должны были использоваться в запланированных Арес I и Арес V ракеты (часть отмененных Программа Созвездие ).

Сплавы Al – Li обычно соединяются сварка трением с перемешиванием. Некоторые сплавы Al – Li, такие как Велдалит 049, можно сваривать традиционным способом; однако это свойство достигается за счет плотности; Weldalite 049 имеет примерно такую ​​же плотность, как алюминий 2024 года, и на 5% выше. модуль упругости.[нужна цитата ] Al – Li также производится в рулонах шириной 220 дюймов (18 футов; 5,6 метра), что позволяет сократить количество стыков.[16]

Хотя алюминиево-литиевые сплавы обычно превосходят сплавы алюминий-медь или алюминий-цинк по предельному соотношению прочности к массе, их низкое усталость Прочность при сжатии остается проблемой, которая по состоянию на 2016 год решена лишь частично.[17][13] Кроме того, высокая стоимость (примерно в 3 раза или больше, чем у обычных алюминиевых сплавов), плохая коррозионная стойкость и прочный анизотропия механических свойств алюминиево-литиевого проката привело к ограниченному использованию.

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. Состоит из сплавов, которые должны были заменить популярные 2024 и 7075 непосредственно сплавы Al – Li второго поколения имели высокое содержание лития не менее 2%; эта характеристика привела к значительному снижению плотности, но привела к некоторым негативным 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 предыдущих двух поколений. В этом поколении снижено содержание лития до 0,75–1,8% для смягчения этих отрицательных характеристик, сохраняя при этом некоторое снижение плотности;[18] Плотность Al – Li третьего поколения варьируется от 2,63 до 2,72 грамма на кубический сантиметр (от 0,095 до 0,098 фунта на кубический дюйм).[19]

Сплавы первого поколения (1920-1960-е годы)

Сплавы Al – Li первого поколения[20][18]
Название / номер сплаваПриложения
1230 (VAD23)Ту-144
1420МиГ-29 фюзеляжи, топливные баки и кабины экипажа; Су-27; Ту-156, Ту-204, и Ту-334; Як-36, и Як-38 фюзеляжи
1421
2020A-5 Vigilante крылья и горизонтальные стабилизаторы

Сплавы второго поколения (1970–1980-е гг.)

Сплавы Al – Li второго поколения[20][18]
Название / номер сплаваПриложения
1430
1440
1441Бе-103 и Бе-200
1450Ан-124 и Ан-225
1460Макдоннелл Дуглас многоразовая ракета-носитель (DC-X ); Ту-156
2090 (предназначен для замены 7075 )A330 и A340 передние кромки; C-17 Globemaster; Атлас Кентавр адаптер полезной нагрузки[21]
2091 (CP 274)[22] (предназначен для замены 2024 )Fokker 28 и Fokker 100 люки в нижнем обтекателе фюзеляжа[23]
8090 (CP 271) (предназначен для замены 2024 )EH-101 планер;[9] A330 и A340 передние кромки; Титан IV адаптер полезной нагрузки

Сплавы третьего поколения (1990-2010 годы)

[18]

Сплавы Al – Li третьего поколения
Название / номер сплаваПриложения
2050 (AirWare I-Gauge)[9][24]Арес I ракета-носитель экипажа - разгонный блок; A350 нервюры крыла;[24] A380 усиление нижнего крыла[25]
2055[26]
2060 (C14U)
2065[9][19]
2076[19]
2096
2098[27][19]
2099 (C460)A380 стрингеры, экструдированные перекладины, продольные балки и поручни сидений;[28] Боинг 787[9]
2195Арес I ракета-носитель экипажа - разгонный блок;[9] Последняя модификация сверхлегкого космического челнока Внешний бак[29]
2196A380 экструдированные поперечные балки, продольные балки и поручни сидений[28]
2198 (AirWare I-Form)Обшивка фюзеляжа A350 и CSeries;[24] Сокол 9 ракета второй ступени[9]
2199 (C47A)
2296[19]
2297F-16 переборки[19]
2397F-16 переборки; Суперлегкий космический челнок Внешний бак межбаковые упоры[19]
Al – Li TP – 1
C99N

Прочие сплавы

  • 1424 алюминиевый сплав[30]
  • 1429 алюминиевый сплав[31]
  • 1441K алюминиевый сплав[30]
  • 1445 алюминиевый сплав[30]
  • Алюминиевый сплав В-1461[30]
  • Алюминиевый сплав В-1464[30]
  • Алюминиевый сплав В-1469[30]
  • 2094 алюминиевый сплав[27]
  • 2095 алюминиевый сплав (Велдалит 049 )[9]
  • 2097 алюминиевый сплав[27]
  • 2197 алюминиевый сплав[27]
  • 8025 алюминиевый сплав[27]
  • 8091 алюминиевый сплав[27]
  • 8093 алюминиевый сплав[27]
  • CP 276[9]

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)[9]
  • Arconic Lafayette (Индиана, США); годовая производительность 20 000 метрических тонн (22 000 коротких тонн; 20 000 000 кг; 44 000 000 фунтов) алюминия-лития[9] и может отливать круглые и прямоугольные слитки для катаных, штампованных и кованых изделий.
  • Арконик Киттс Грин (Великобритания)
  • Завод Rio Tinto Alcan Dubuc (Канада); грузоподъемность 30 000 т (33 000 коротких тонн; 30 000 000 кг; 66 000 000 фунтов)
  • Constellium Иссуар (Пюи-де-Дом), Франция; годовая производительность 14000 т (15000 коротких тонн; 14000000 кг; 31000000 фунтов)[9]
  • Каменск-Уральский металлургический завод (КУМЗ)
  • Алерис (Кобленц, Германия)
  • FMC Corporation
  • Юго-западный алюминий (КНР)

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Джоши, Амит. «Алюминиево-литиевые сплавы нового поколения» (PDF). Индийский технологический институт, Бомбей. Metal Web News. Архивировано из оригинал (PDF) 28 сентября 2007 г.. Получено 3 марта 2008.
  2. ^ Starke, E. A .; Sanders, T. H .; Палмер, И. Г. (20 декабря 2013 г.). «Новые подходы к разработке сплавов в системе Al – Li». JOM: Журнал Общества минералов, металлов и материалов (опубликовано в августе 1981 г.). 33 (8): 24–33. Дои:10.1007 / BF03339468. ISSN  1047-4838. OCLC  663900840.
  3. ^ а б Mahalingam, K .; Gu, B.P .; Liedl, G.L .; Сандерс, Т. Х. (февраль 1987 г.). «Укрупнение осадков [дельта] '(Al3Li) в бинарных сплавах Al – Li». Acta Metallurgica. 35 (2): 483–498. Дои:10.1016/0001-6160(87)90254-9. ISSN  0001-6160. OCLC  1460926.
  4. ^ Jha, S.C .; Sanders, T. H .; Даянанда, М.А. (февраль 1987 г.). «Зоны, свободные от образования осадка на границе зерен в сплавах Al – Li». Acta Metallurgica. 35 (2): 473–482. Дои:10.1016/0001-6160(87)90253-7. ISSN  0001-6160. OCLC  1460926.
  5. ^ «Структуры кристаллической решетки: структура Cu3Au (L12)». Военно-морская исследовательская лаборатория (NRL) Центр вычислительного материаловедения. 21 октября 2004 г. Архивировано с оригинал 6 апреля 2010 г.
  6. ^ «Структуры кристаллической решетки: структура NaTl (B32)». Военно-морская исследовательская лаборатория (NRL) Центр вычислительного материаловедения. 17 февраля 2007 г. Архивировано с оригинал 12 июня 2011 г.
  7. ^ Кишио, К .; Бриттен, Дж. О. (1979). «Дефект в структуре [beta] -LiAl». Журнал физики и химии твердого тела. 40 (12): 933–940. Дои:10.1016/0022-3697(79)90121-5. ISSN  0038-1098. OCLC  4926011580.
  8. ^ Линч, Керри (8 августа 2017 г.). «FAA издает особые условия для сплава Global 7000». Авиационные международные новости. В архиве с оригинала 11 августа 2017 г.. Получено 7 марта 2019.
  9. ^ а б c d е ж грамм час я j k л Джуканович, Горан (5 сентября 2017 г.). «Алюминиево-литиевые сплавы дают отпор». В архиве из оригинала 23 ноября 2017 г.. Получено 7 марта 2019.
  10. ^ Бхаскара, Винай (2 ноября 2015 г.). «Битва регионалов - ERJ против CSeries против MRJ против SSJ: введение и обзор рынка». Журнал Airways. В архиве из оригинала 7 марта 2019 г.
  11. ^ «Алкоа выиграла четвертый контракт с Boeing по ряду недавних сделок» (Пресс-релиз). 28 января 2016 г. В архиве из оригинала 7 марта 2019 г.. Получено 7 марта 2019.
  12. ^ «Alcoa объявляет о заключении соглашения о поставке реактивного двигателя на 1,1 миллиарда долларов с Pratt & Whitney: первая в мире ковка из алюминиевого сплава для гибридно-металлической лопасти вентилятора Pratt & Whitney для двигателей PurePower®» (Пресс-релиз). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк, США и Фарнборо, Англия, Великобритания. 14 июля 2014 г. В архиве из оригинала 7 марта 2019 г.. Получено 7 марта 2019.
  13. ^ а б «MEE433B: алюминиево-литиевые сплавы». Факультет прикладных наук Королевского университета. Архивировано из оригинал 6 августа 2004 г.
  14. ^ «Факты НАСА: сверхлегкий внешний бак» (PDF) (Пресс-релиз). Хантсвилл, Алабама: Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА), Центр космических полетов им. Маршалла. Апрель 2005 г. В архиве (PDF) из оригинала от 4 января 2006 г.
  15. ^ "Атлас V". В архиве с оригинала 30 октября 2008 г.. Получено 7 марта 2019.
  16. ^ «Легче, сильнее и больше, чем когда-либо: Arconic помогает строить будущее авиации с использованием передового алюминия и лития». В архиве с оригинала 15 апреля 2017 г.. Получено 7 марта 2019.
  17. ^ Чжу, Сяо-хуэй; Чжэн, Цзы-цяо; Чжун, Шэнь; Ли, Хун-ин (5–9 сентября 2010 г.). «Влияние элементов Mg и Zn на механические свойства и осаждения в сплаве 2099» (PDF). В Кумаи, Синдзи (ред.). ICAA12 Yokohama: слушания. Материалы Международной конференции по алюминиевым сплавам. 12. Иокогама, Япония: Японский институт легких металлов. С. 2375–2380. ISBN  978-4-905829-11-9. OCLC  780496456. В архиве (PDF) из оригинала от 6 апреля 2017 г.
  18. ^ а б c d Риоха, Роберто Дж .; Лю, Джон (сентябрь 2012 г.). «Эволюция продуктов на основе Al-Li для аэрокосмической и космической техники» (PDF). Металлургические операции и операции с материалами A. Springer US (опубликовано 31 марта 2012 г.). 43 (9): 3325–3337. Bibcode:2012MMTA ... 43.3325R. Дои:10.1007 / s11661-012-1155-z. ISSN  1073-5623. В архиве с оригинала на 20 февраля 2019 г.. Получено 9 марта 2019.
  19. ^ а б c d е ж грамм Ишвара Прасад, Гокхале и Ванхилл 2014; Глава 15: Применение алюминиево-литиевых сплавов в аэрокосмической отрасли
  20. ^ а б Грушко, Овсянников, Овчинноков, 2016; Глава 1: Краткая история создания алюминиево-литиевого сплава
  21. ^ «Информационный бюллетень 6 - Часть II: Совместный план развития технологии запуска». X-33 History Project. 22 декабря 1999 г. В архиве из оригинала 13 февраля 2016 г.. Получено 11 марта 2019.
  22. ^ Eswara Prasad, N .; Гохале, А. А .; Рама Рао, П. (февраль – апрель 2003 г.). «Механическое поведение алюминиево-литиевых сплавов» (PDF). Садхана: Труды Академии технических наук. 28 (1–2): 209–246. Дои:10.1007 / BF02717134. ISSN  0256-2499. OCLC  5652684711. В архиве из оригинала 4 апреля 2017 г.. Получено 18 марта 2019. Сложить резюме.
  23. ^ Vaessen, G. J. H .; van Tilborgh, C .; ван Ройен, Х. В. (3–5 октября 1988 г.). «Изготовление тестовых образцов из Al-Li 2091 для Fokker 100». Новые легкие сплавы: доклады, представленные на 67-м заседании Группы по конструкциям и материалам AGARD в Мирло, Нидерланды, 3-5 октября 1988 г. (PDF). Заседание Группы по конструкциям и материалам Консультативной группы по аэрокосмическим исследованиям и разработкам (AGARD) Организации Североатлантического договора (НАТО). 67. Мирло, Нидерланды (опубликовано 1 августа 1989 г.). С. 13–1–13–12. ISBN  92-835-0519-0. OCLC  228022064. В архиве из оригинала 24 февраля 2018 г.. Получено 18 марта 2019. Сложить резюме.
  24. ^ а б c Constellium (2 октября 2012 г.). Технология Constellium AIRWARE® (Трейлер).
  25. ^ Lequeu, Ph .; Lassince, Ph .; Уорнер, Т. (июль 2007 г.). «Разработка алюминиевого сплава для Airbus A380 - часть 2». Современные материалы и процессы. 165 (7). С. 41–44. ISSN  0882-7958. OCLC  210224702. В архиве из оригинала 17 марта 2019 г.. Получено 16 марта 2019.
  26. ^ Экструзии из алюминиевого сплава 2055-T84: высокопрочные, устойчивые к усталости, экструзии с низкой плотностью (PDF) (Технический отчет). Лафайет, Индиана: поковки и экструзии Arconic. Декабрь 2016 г. В архиве (PDF) из оригинала от 26 октября 2017 г.
  27. ^ а б c d е ж грамм Грушко, Овсянников, Овчинноков, 2016, п. 9 (Таблица 1.2: Состав алюминиево-литиевых сплавов, зарегистрированных в США, Франции и Великобритании)
  28. ^ а б Pacchione, M .; Телгкамп, Дж. (5 сентября 2006 г.). «Проблемы металлического фюзеляжа» (PDF). 25-й Международный конгресс авиационных наук (ICAS 2006). Конгресс Международного совета авиационных наук. 4.5.1 (25 изд.). Гамбург, Германия. С. 2110–2121. ISBN  978-0-9533991-7-8. OCLC  163579415. В архиве (PDF) из оригинала 27 января 2018 г.. Получено 7 марта 2019. Сложить резюме.
  29. ^ Недзинский, Михаил (11 февраля 2019 г.). «Статья: Развитие сплавов Constellium Al-Li для космических запусков и приложений для модулей экипажа». Light Metal Age: Международный журнал индустрии легких металлов (опубликовано в феврале 2019 г.). п. 36. ISSN  0024-3345. OCLC  930270638. Получено 17 марта 2019.
  30. ^ а б c d е ж Грушко, Овсянников, Овчинноков, 2016, pp. 7–8 (Таблица 1.1: Российские алюминиево-литиевые сплавы)
  31. ^ Зауэрманн, Роджер; Фридрих, Бернд; Гриммиг, Т .; Buenck, M .; Бюриг-Полачек, Андреас (2006). «Разработка алюминиево-литиевых сплавов, обработанных контейнерным процессом Rheo» (PDF). In Kang, C .G .; Kim, S.K .; Ли, С. Ю. (ред.). Полутвердая обработка сплавов и композитов. Явления твердого тела. 116–117 (опубликовано 15 октября 2006 г.). С. 513–517. Дои:10.4028 / www.scientific.net / SSP.116-117.513. ISBN  9783908451266. OCLC  5159219975. В архиве (PDF) из оригинала 2 февраля 2017 г.. Получено 7 марта 2019.

Библиография

внешняя ссылка