stringtranslate.com

Алюминиево-литиевые сплавы

Алюминиевые сплавы с литием (сплавы Al–Li) представляют собой набор сплавов алюминия и лития , часто также включающих медь и цирконий . 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. [1]

Кристаллическая 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 структуру решетки. Каждый 1% по массе лития, добавленный к алюминию, уменьшает плотность полученного сплава на 3% и увеличивает жесткость на 5%. [1] Этот эффект работает до предела растворимости лития в алюминии, который составляет 4,2%.
Упрочнение деформацией
Введение другого типа атомов в кристалл напрягает решетку, что помогает блокировать дислокации . Полученный материал, таким образом, прочнее, что позволяет использовать его в меньших количествах. [ необходима цитата ]
Дисперсионное твердение
При правильном старении литий образует метастабильную фазу Al 3 Li (δ') с когерентной кристаллической структурой. [2] Эти выделения укрепляют металл, препятствуя движению дислокаций во время деформации. Однако выделения нестабильны, и необходимо соблюдать осторожность, чтобы не допустить перестаривания с образованием стабильной фазы AlLi (β). [3] Это также приводит к образованию зон, свободных от выделений (PFZ), обычно на границах зерен , и может снизить коррозионную стойкость сплава. [4]

Кристаллическая структура для Al 3 Li и Al–Li, хотя и основана на кристаллической системе ГЦК , сильно отличается. Al 3 Li показывает почти такую ​​же структуру решетки, как 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 [5] и имеет параметр решетки 4,01 Å. [3] Структура Al–Li известна как структура NaTl, B32 или Fd 3 m [6] , которая состоит как из лития, так и из 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. [7]

Использование

Сплавы Al–Li в первую очередь представляют интерес для аэрокосмической промышленности из-за их преимущества в весе. Arconic (ранее Alcoa ) заявляет о снижении веса до 10% по сравнению с композитами на узкофюзеляжных авиалайнерах , что приводит к повышению топливной эффективности до 20% при более низкой стоимости, чем титан или композиты. [8] Алюминиево-литиевые сплавы были впервые использованы в крыльях и горизонтальном стабилизаторе североамериканского военного самолета A-5 Vigilante . Другие сплавы Al–Li использовались в нижней обшивке крыла Airbus A380 , внутренней конструкции крыла Airbus A350 , фюзеляже Bombardier CSeries [9] (где сплавы составляют 24% фюзеляжа), [10] грузовом полу Boeing 777X [ 11] и лопатках вентилятора турбовентиляторного двигателя Pratt & Whitney PurePower с редуктором . [12] Они также используются в топливных баках и баках окислителя в ракете-носителе SpaceX Falcon 9 , тормозных суппортах Формулы-1 и вертолете AgustaWestland EH101 . [13]

Третья и последняя версия внешнего бака американского космического челнока была в основном изготовлена ​​из сплава Al–Li 2195. [ 14] Кроме того, сплавы Al–Li также используются в переднем адаптере Centaur в ракете Atlas V , [15] в космическом корабле Orion , и должны были использоваться в запланированных ракетах Ares I и Ares V (часть отмененной программы Constellation ).

Сплавы Al–Li обычно соединяются сваркой трением с перемешиванием . Некоторые сплавы Al–Li, такие как Weldalite 049, можно сваривать обычным способом; однако это свойство достигается за счет плотности; Weldalite 049 имеет примерно такую ​​же плотность, как алюминий 2024, и на 5% более высокий модуль упругости . [ необходима цитата ] Al–Li также производится в рулонах шириной до 220 дюймов (18 футов; 5,6 метра), что может сократить количество соединений. [16]

Хотя алюминиево-литиевые сплавы, как правило, превосходят алюминиево-медные или алюминиево-цинковые сплавы по соотношению предела прочности к весу, их низкая усталостная прочность при сжатии остается проблемой, которая была решена лишь частично по состоянию на 2016 год. [17] [13] Кроме того, высокая стоимость (примерно в 3 раза и более по сравнению с обычными алюминиевыми сплавами), плохая коррозионная стойкость и сильная анизотропия механических свойств прокатных изделий из алюминия и лития привели к ограниченному количеству применений.

Порошок сплава Al-Li используется в производстве легких спортивных товаров, включая велосипеды, теннисные ракетки, клюшки для гольфа и бейсбольные биты. Его высокая прочность в сочетании с уменьшенным весом значительно повышает производительность, скорость и маневренность. [18] [19] Он также используется в автомобильной промышленности в качестве панелей кузова, деталей шасси и компонентов подвески. [20]

Список алюминиево-литиевых сплавов

Помимо своего формального четырехзначного обозначения, полученного из его элементного состава , алюминиево-литиевый сплав также связан с определенными поколениями, основанными в первую очередь на времени его первого производства, но во вторую очередь на содержании лития. Первое поколение длилось от начальных фоновых исследований в начале 20-го века до их первого применения в самолетах в середине 20-го века. Состоящее из сплавов, которые должны были заменить популярные сплавы 2024 и 7075 напрямую, 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 в вязкости разрушения . Третье поколение — это текущее поколение продукта Al–Li, которое доступно, и оно получило широкое признание у производителей самолетов, в отличие от предыдущих двух поколений. В этом поколении содержание лития снижено до 0,75–1,8%, чтобы смягчить эти отрицательные характеристики, сохранив при этом некоторое снижение плотности; [21] 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). [22]

Сплавы первого поколения (1920–1960-е гг.)

Сплавы второго поколения (1970–1980-е годы)

Сплавы третьего поколения (1990-е–2010-е годы)

Другие сплавы

Производственные площадки

Основными мировыми производителями изделий из алюминиево-литиевых сплавов являются Arconic , Constellium и Каменск-Уральский металлургический завод .

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ ab Joshi, Amit. "Новое поколение алюминиево-литиевых сплавов" (PDF) . Индийский технологический институт, Бомбей . Metal Web News. Архивировано из оригинала (PDF) 28 сентября 2007 г. . Получено 3 марта 2008 г. .
  2. ^ Starke, EA; Sanders, TH; Palmer, IG (20 декабря 2013 г.). «Новые подходы к разработке сплавов в системе Al–Li». JOM: The Journal of the Minerals, Metals & Materials Society . 33 (8) (опубликовано в августе 1981 г.): 24–33. doi :10.1007/BF03339468. ISSN  1047-4838. OCLC  663900840.
  3. ^ ab Mahalingam, K.; Gu, BP; Liedl, GL; Sanders, TH (февраль 1987 г.). «Огрубление [дельта]'(Al3Li) преципитатов в бинарных сплавах Al–Li». Acta Metallurgica . 35 (2): 483–498. doi :10.1016/0001-6160(87)90254-9. ISSN  0001-6160. OCLC  1460926.
  4. ^ Jha, SC; Sanders, TH; Dayananda, MA (февраль 1987 г.). «Зоны, свободные от преципитатов на границах зерен в сплавах Al–Li». Acta Metallurgica . 35 (2): 473–482. doi :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 из оригинала 6 апреля 2010 г.
  6. ^ "Структуры кристаллической решетки: структура NaTl (B32)". Военно-морская исследовательская лаборатория (NRL) Центр вычислительного материаловедения . 17 февраля 2007 г. Архивировано из оригинала 12 июня 2011 г.
  7. ^ Кишио, К.; Бриттен, Дж. О. (1979). «Дефектная структура [бета]-LiAl». Журнал физики и химии твердых тел . 40 (12): 933–940. Bibcode :1979JPCS...40..933K. doi :10.1016/0022-3697(79)90121-5. ISSN  0038-1098. OCLC  4926011580.
  8. ^ Линч, Керри (8 августа 2017 г.). «FAA Issues Special Conditions for Global 7000 Alloy». Aviation International News . Архивировано из оригинала 11 августа 2017 г. Получено 7 марта 2019 г.
  9. ^ abcdefghijkl Джуканович, Горан (5 сентября 2017 г.). "Алюминиево-литиевые сплавы наносят ответный удар". Архивировано из оригинала 23 ноября 2017 г. Получено 7 марта 2019 г.
  10. ^ Бхаскара, Винай (2 ноября 2015 г.). «Битва региональных самолетов – ERJ против CSeries против MRJ против SSJ: Введение и обзор рынка». Журнал Airways . Архивировано из оригинала 7 марта 2019 г.
  11. ^ "Alcoa Wins Fourth Boeing Contract in String of Recent Deals" (пресс-релиз). 28 января 2016 г. Архивировано из оригинала 7 марта 2019 г. Получено 7 марта 2019 г.
  12. ^ "Alcoa объявляет о первом реактивном двигателе в соглашении о поставках на сумму 1,1 миллиарда долларов с Pratt & Whitney: представляет первую в мире усовершенствованную ковку лопатки вентилятора из алюминиевого сплава для гибридно-металлической лопатки вентилятора Pratt & Whitney для двигателей PurePower®" (пресс-релиз). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк, США и Фарнборо, Англия, Великобритания. 14 июля 2014 г. Архивировано из оригинала 7 марта 2019 г. Получено 7 марта 2019 г.
  13. ^ ab "MEE433B: Алюминиево-литиевые сплавы". Факультет прикладных наук Университета Квинс . Архивировано из оригинала 6 августа 2004 г.
  14. ^ "Факты о 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. Архивировано (PDF) из оригинала 4 января 2006 г.
  15. ^ "Atlas V". Архивировано из оригинала 30 октября 2008 года . Получено 7 марта 2019 года .
  16. ^ "Легче, прочнее и больше, чем когда-либо: Arconic помогает строить будущее авиации с помощью передового алюминиево-литиевого сплава". Архивировано из оригинала 15 апреля 2017 г. Получено 7 марта 2019 г.
  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 выделения в сплаве 2099» (PDF) . В Kumai, Shinji (ред.). ICAA12 Иокогама: труды. Труды Международной конференции по алюминиевым сплавам. Том 12. Иокогама, Япония: Японский институт легких металлов. стр. 2375–2380. ISBN 978-4-905829-11-9. OCLC  780496456. Архивировано (PDF) из оригинала 6 апреля 2017 г.
  18. ^ Чен, Дж. (2010). «Глава 16 — Поверхностно-инженерные легкие сплавы для спортивного инвентаря». В Дун, Ханьшань (ред.). Поверхностная инженерия легких сплавов . Woodhead Publishing. стр. 549–567. ISBN 9781845695378.
  19. ^ Q. Ashton Acton (2013). Легкие металлы — достижения в исследованиях и применении: 2013. ScholarlyEditions. стр. 578. ISBN 978-1481677202.
  20. ^ "Порошок сплава Al-Li". Stanford Advanced Materials . Получено 7 июля 2024 г.
  21. ^ abc Rioja, Roberto J.; Liu, John (сентябрь 2012 г.). "The Evolution of Al-Li Base Products for Aerospace and Space Applications" (PDF) . Metallurgical and Materials Transactions A . 43 (9). Springer US (опубликовано 31 марта 2012 г.): 3325–3337. Bibcode :2012MMTA...43.3325R. doi :10.1007/s11661-012-1155-z. ISSN  1073-5623. S2CID  136580310. Архивировано из оригинала 20 февраля 2019 г. . Получено 9 марта 2019 г. .
  22. ^ abcdefg Эсвара Прасад, Гокхале и Ванхилл 2014; Глава 15: Применение алюминиево-литиевых сплавов в аэрокосмической отрасли
  23. ^ ab Грушко, Овсянников и Овчинников 2016; Глава 1: Краткая история создания алюминиево-литиевого сплава
  24. ^ "Информационный листок 6 – Часть II: Совместный план разработки технологий запуска". Проект истории X-33 . 22 декабря 1999 г. Архивировано из оригинала 13 февраля 2016 г. Получено 11 марта 2019 г.
  25. ^ Eswara Prasad, N.; Gokhale, AA; Rama Rao, P. (февраль–апрель 2003 г.). «Механическое поведение алюминиево-литиевых сплавов». Sādhanā . 28 (1–2): 209–246. doi :10.1007/BF02717134. ISSN  0256-2499. OCLC  5652684711. S2CID  55008726. Архивировано из оригинала 4 апреля 2017 г. . Получено 18 марта 2019 г. .
  26. ^ Вассен, GJH; ван Тилборг, К.; ван Ройен, HW (3–5 октября 1988 г.). «Изготовление тестовых изделий из Al-Li 2091 для Fokker 100» (PDF) . Предисловие конференции АГАРД № 444: Новые легкие сплавы . 67-е заседание группы экспертов по конструкциям и материалам в Мирло, Нидерланды, 3–5 октября 1988 г. Мирло, Нидерланды (опубликовано 1 августа 1989 г.). стр. 13–1–13–12. ISBN 92-835-0519-0. OCLC  228022064. Архивировано (PDF) из оригинала 25 июня 2021 г. . Получено 18 марта 2019 г. .Альтернативный URL-адрес записи каталога NTRL
  27. ^ abc Constellium (2 октября 2012 г.). Constellium AIRWARE® Technology (трейлер). Архивировано из оригинала 18 декабря 2021 г.
  28. ^ Lequeu, Ph.; Lassince, Ph.; Warner, T. (июль 2007 г.). «Разработка алюминиевого сплава для Airbus A380 – часть 2». Advanced Materials & Processes . Vol. 165, no. 7. pp. 41–44. ISSN  0882-7958. OCLC  210224702. Архивировано из оригинала 17 марта 2019 г. . Получено 16 марта 2019 г. .
  29. ^ Алюминиевый сплав 2055-T84 прессованные изделия: высокопрочные, устойчивые к усталости, прессованные изделия с низкой плотностью (PDF) (технический отчет). Лафайет, Индиана: Arconic Forgings and Extrusions. Декабрь 2016 г. Архивировано (PDF) из оригинала 26 октября 2017 г.
  30. ^ abcdefg Грушко, Овсянников и Овчинников 2016, стр. 9 (Таблица 1.2: Состав алюминиево-литиевых сплавов, зарегистрированных в США, Франции и Великобритании)
  31. ^ ab Pacchione, M.; Telgkamp, ​​J. (5 сентября 2006 г.). «Проблемы металлического фюзеляжа» (PDF) . 25-й Международный конгресс по авиационным наукам (ICAS 2006) . Том 4.5.1. Гамбург, Германия. стр. 2110–2121. ISBN 978-0-9533991-7-8. OCLC  163579415. Архивировано (PDF) из оригинала 27 января 2018 г. Получено 7 марта 2019 г.каталог конференций
  32. ^ Niedzinski, Michael (11 февраля 2019 г.). "Статья: Эволюция сплавов Constellium Al-Li для космических запусков и применения в модулях экипажа". Light Metal Age: Международный журнал легкой металлургии (опубликовано в феврале 2019 г.). стр. 36. ISSN  0024-3345. OCLC  930270638 . Получено 17 марта 2019 г. .
  33. ^ "Falcon 9". SpaceX. 2013. Архивировано из оригинала 10 февраля 2007 года . Получено 6 декабря 2013 года .
  34. ^ abcdefg Грушко, Овсянников и Овчинников 2016, стр. 7–8 (Таблица 1.1: Российские алюминиево-литиевые сплавы)
  35. ^ Sauermann, Roger; Friedrich, Bernd; Grimmig, T.; Buenck, M.; Bührig-Polaczek, Andreas (2006). "Разработка алюминиево-литиевых сплавов, обработанных с помощью процесса Rheo container" (PDF) . В Kang, C .G.; Kim, SK; Lee, SY (ред.). Полутвердая обработка сплавов и композитов . Явления твердого тела. Т. 116–117 (опубликовано 15 октября 2006 г.). стр. 513–517. doi :10.4028/www.scientific.net/SSP.116-117.513. ISBN 9783908451266. OCLC  5159219975. Архивировано (PDF) из оригинала 2 февраля 2017 г. Получено 7 марта 2019 г.

Библиография

Внешние ссылки