4. 铝-锂合金的发展

   降低材料密度被当做是减轻飞机构造重量最有效的方法。锂（密度为0.54克每立方米）是在铝中拥有高溶解度的少数元素之一，这很重要，因为每加1%的锂，铝合金的密度便下降3%。锂在更多可溶合金元素中也很独特，因为它能大幅增加弹性系数（每增加1%锂，弹性系数增长6%）。另外的有点在于，含锂额铝合金可以应对时效硬化。

   铝锂合金在航空的运用应追溯到20世纪50年代2020铝锂合金发展时。在80年代第二代铝锂合金诞生了，包括2090/2091/8090和8091合金。这4种合金包含1.9%-2.7%的锂，使得其密度比2000系和7000系合金降低10%，比刚度增高25%。但是，因为技术问题，比如机械性能的各项异性，低韧性，低的抗腐蚀性，加工制造问题（钻孔时孔周围裂纹和层离），第二代铝锂合金并没有在航空工业广泛应用。这些合金的各向异性是由加工过程中牢固的晶体结构和短横向最低强度的断裂韧性问题造成的。

   在减轻机重时寻求高强度、提高断裂韧性的压力促使新一代铝锂合金的发展。新一代铝锂合金因其低密度不仅减轻了机重，而且克服了原先问题的缺陷。提高了抗腐蚀性能，实现良好的疲劳裂纹扩展性能频谱，强度和韧性的良好结合，以及与标准制造技术相兼容，使铝合金拥有高平衡，轻质高性能的特征。新一代（第三代）铝锂合金中锂的浓度减少了0.75%-1.8%。第三代铝锂合金中加入的合金元素用于提升机械性能。通过优化合金合成与回火，第二代铝合金的抵抗腐蚀性能在第三代中遭到限制，而且加锌可提升抗腐蚀性能。加入铜、锂和镁可强化沉淀物，加入少量分散质锆、锰元素能在热机械过程中控制晶粒结构和结晶结构。由于高结晶结构带有平面滑移特性，裂纹扩展时有发生。与裂纹扩展的预期轨道相偏离使得检查点的确定和止裂器的配置变得困难。据发现，结构成分减少时，平面滑移特性的严重程度必定降低。通过减少Al3Li位相量，这种降低得以实现，保持锂含量在1.8%ptc以下也可。第二代铝锂合金的断裂韧性通常比现在的2024铝锂合金产品要低，因为在设计中损伤容限是作为驱动参数。断裂韧性确定是只由不能溶解的第二相粒子影响。像2199合金这种第三代铝锂合金，这种不利状况要通过组合优化，热机械过程和沉淀物微观结构控制来消除。

   一些常用铝锂合金的化学成分和机械性能分别统计于表4和表5。

   2195合金是新一代铝锂合金，它含铜量低，且在航天飞机低温油箱中取代了2219合金，因为相比2219合金，2195合金拥有更高的强度，更高模量以及更低的密度。其他合金，包括2096、2097和2197合金含铜量也低，但含锂量比2195合金稍高。如表4图例，新一代铝锂合金的铜锂比率比第二代铝锂合金（2090和2091合金）要高。

   新一代2199铝锂合金薄片和金属板分别应用于飞机机身和机翼下部，2099铝锂合金挤压制品应用于飞机内部结构。2199-T8E79金属板作为机翼下部机壳，2099-T83挤压制品作为机翼下部纵梁，2199-T8优质薄片作为机身外壳确实对既定的应用程序检查来说最有利。据称相比2024合金，2199金属板有较低的密度，更高的抗应力腐蚀和抗剥离腐蚀能力，更好的光谱疲劳裂纹增长性能，更好的韧性以及更高的拉力屈服强度和压缩屈服强度。T8E80合金韧度的最终拉力强度、承载力和抗剪强度和2024合金相似，但对于T8E79合金来说略低了些。然而，拉力屈服强度的降低提高了光谱疲劳裂纹扩展性能。因此，依其设计标准，2199合金两种韧度之一会更适合既定应用程序。

   机身结构需要高强度，而2099铝锂合金有着低密度，高刚度，优越的损伤容限，绝佳的抗腐蚀性能和可焊性，正用于此。2099合金挤压制品可以在部分应用比如静态和动态加载机身结构和机翼下部纵梁上代替2xxx，6xxx和7xxx系铝合金。第二代铝锂合金在安装干涉配合紧固件过程中由于冷加工而易断裂和层离。低延伸率和加工硬化性能都是这些问题造成的。在第三代铝锂合金中，延伸率和冷加工能力都有所提高。2099合金挤压制品有良好的机械加工性能，成形、连接和光洁度性能。相比7075-T73和7050-T74金属板产品，2099合金金属板和锻件有更好的强度、模量、密度和腐蚀性能。T8E67有更好韧性、抗腐蚀性（如图5）和低密度，且比2024-T3511或2026-T3511合金强度更高。2099合金的抗疲劳裂纹扩展也显示了关于2024-T3511合金的提升，且2099合金也成为了疲劳关键组件中的基线合金。

   关于新一代铝锂合金2A97机械性能和断裂韧性的正常热处理和形变热处理的效果已经袁及其他人研究，其目标是提升强度、耐用性和断裂韧性的关系度，以及在航空工业中实现应用。2A97铝锂合金的开发主要尝试作为顶尖航空材料用于金属板和锻件。据称这种金属的问题在于在T8回火时有低塑性、低的断裂韧性，但有高的拉力强度，在T6回火时强度低，但延伸度和断裂韧性高。时效不足的低温条件下4%的变形会使2A97铝锂合金延展度和断裂韧性提升。通过热处理加工和形变热处理过程，T8回火时43.5MPa每平方米的Kq值比T6回火时42.5MPa每平方米的Kq值要高。

   另一种新一代2050铝铜锂合金被开发，且在高强度和高损伤容限之处替代2000系和7000系合金。2050-T84合金的强度、抗腐蚀性、疲劳启裂和抗裂纹扩展已作出了比较，且根据测试结果可以总结出此合金不仅使2024-T351合金优化密度，而且使其相对静止性能和抗腐蚀性能提升。相比于现在的7050-T7451合金，2050-T84合金的（强度、韧性）平衡度提升，密度降低5%，没有任何重新设计情况下抗应力腐蚀性能提高。当考虑强度、刚度和疲劳性能时，依靠部分设计驱动程序，它能减少全部机重的10%。

   在损伤容限作为主要设计因素的机身结构中，2198铝锂合金被开发用来代替2024和2524合金，其中铜的合成物重量百分比范围从2.9%到3.3%，锂从0.9%到1.1%。在恒幅载荷和应力比R=0.1条件下耐疲劳极限比2024合金屈服应力低40%，而2198-T351合金比相应屈服应力只低8%。考虑密度时，2198合金在高循环疲劳和耐疲劳极限上优于2024合金。对于同样正常化的外加应力条件下，2198合金比2024合金多吸收2-3倍的断裂能量。相比因空气而形成的疲劳性，2524-T3合金比2198-T851铝锂合金有更高的疲劳强度和疲劳界限。然而，当他们在盐碱环境中预腐蚀时，他们所展示的疲劳行为是相似的。

   2060和2055合金是最新的第三代铝锂合金。2060铝锂合金中锂的含量为0.75%，铜为3.95%，镁为0.85%，而2055铝锂合金中锂含量为1.15%，铜为3.7%，镁为0.4%。其他合金元素含量和这两种合金大概相似。这些合金展示着提升的强度及韧性关系。另外，这些合金展现了良好的热稳定性。相比普通的航空铝合金，比如2024-T3和7025-T6合金，2055合金和2060合金都由极好的腐蚀性能。因此，这些合金可以作为机身、机翼下部和上盘结构的可替代性材料。贸易研究分析表明铝锂合金的完成实现了在2000系铝合金和7000系铝合金基线上的大幅减重。比如在机身外壳应用中，相比2524-T3合金，2060-T8。第三代铝锂合金可减重10%，降低风险，且加工制造、开发和修理费用比集中合成飞机降低30%，另外，因其提升的疲劳性能，这些合金可以为乘客提供和集中合成飞机同等的舒适性能，比如大窗，高湿度和高座舱压力。根据测试结果以及材料性能额提高，先进结构设计概念的应用使主要部分的损伤容限性能提高10倍。除开这些优点，铝锂合金拥有熔焊能力，机床安装，熟练组装技巧和维修保持程序，以及在飞机寿命将近时对回收的缓解都使铝锂合金和当前所用的高分子合成材料相竞争。铝锂合金的提升及层离在其断裂过程中扮演重要角色。因此，对于影响这些层离行为的因素需要更彻底的理解，并且它们主要在断裂行为，尤其在孔边缘的相应影响也需更好理解。

5. 焊接技术的发展

   由于机身结构损伤容限要求的日益增长，飞机制造商成本压力的日益增长以及航空公司第维修度和固定成本的要求，飞机制造商们仍继续在飞机机身结构建筑领域展开研究活动。飞机机身建设与制造的新趋势因此涌现焊接、粘合，挤压制品不断替代铆钉使用的局面。用更少部件建造更大结构的趋势需要更厚更长的金属板，且更复杂的部分可被加工，或者更小的部分可以连接在一起，而焊接似乎是最合适的方式。铝合金的可焊性列于表6，据表格显示，各类铝合金都可用于摩擦搅拌焊。

   铆接被认为是连接机身和机翼的传统技术。且大体由铝合金构成。然而，铆接会增加机重，也会造成压力集中，使疲劳裂纹生成且生长。连接这些结构的另一种方法是焊接。尽管机身和以及结构都由高强度的2000系和7000系铝合金组成，这些铝合金的可焊性相对很低，而且在传统的焊接技术中，达到熔点时金属才会被加热，而这会造成大面积的高热影响区。高热影响区会降低金属机械性能，使其强度降低，抗腐蚀性能降低，抗疲劳性能降低。高强度铝合金焊接的困难如下所列：

  A 稳定的表面氧化物必须通过化学方法或在连接处进行彻底的钢丝刷净化清理来移除；

   B 由于高热膨胀系数造成的声誉应力而引起的焊接断裂和变形；

   C 铝的高导热系数在焊接时需很高的热量，可能导致变形或断裂；

   D 因铝的高凝固收缩会导致焊接断裂；

   E 铝在熔融状态中对氢的高溶性会造成焊接气孔；

   F 高强度2000系和7000系合金的敏感性会造成焊接断裂。

   自1999年摩擦搅拌焊作为焊接的可替代方法出现之后，飞机制造技术中摩擦搅拌焊的应用研究大量增加。摩擦搅拌焊是固状过程，通过旋转工具和工件之间产生摩擦热量运行。如图7示，带肩的旋转工具和螺纹销沿垫板上放置的两片严格加强金属板的对接表面上移动，主分部连接处使其与工件上表面保持稳定联系。连接处摩擦生热柔化材料使其焊接。工具往焊接方向移动会使金属塑性应变力变高，完成连接时材料会从工具前端转移到机翼后缘。尽管图7中展示的是对接接头的例证，但其他连接方法，比如搭接接头盒角焊缝接头也可以通过摩擦搅拌焊实现。

   相比传统焊接技巧，摩擦搅拌焊有许多优点。摩擦搅拌焊过程发生在固相中，且在金属连接的熔点之下，关于熔化材料的凝固问题也解决了。像高强度2000系和7000系铝合金这样难以熔焊的材料可以焊接，且在强度上拥有最小程度的损失。

   摩擦搅拌焊主要优点有：

   A 实现对接焊。搭接接头盒T型接头配置

   B 焊接准备无特别需求

   C 2000系和7000系合金可被焊接

   D 异种合金可被焊接

   E 在熔化和热影响区中不会形成龟裂

   F 不会有焊缝气孔

   G 无需填充金属

   H 铝无需保护气体

总体来说，摩擦搅拌焊所保持的机械性能比其他许多焊接过程都要好。例如2024-T351合金摩擦搅拌焊的静态性能占基层金属的80%到90%，并且疲劳性能达到其母材程度。

摩擦搅拌焊所产生接头的强度比铆接要，剩余应力比典型的熔焊接头低。在焊接7000系铝合金时，焊后老化可以稳定摩擦搅拌焊接区域中的微观结构。所选的旧式处理方式也提高了这些合金的抗腐蚀性能。

因为摩擦搅拌焊接接头的强度高，所以较之于传统的连接技术，它为轻型结构减轻了相当大的重量。同时因为熔焊成本较低，所以熔焊代替了铆接。因此领先的飞机制造商觉得摩擦搅拌焊接技术是机身、机翼制造过程中的关键性技术。

因为大型航天飞机需经历高强度和更短的疲劳寿命，所以其制造技术也需谨慎使用。影响摩擦搅拌焊接质量与强度的参数有几种，在制造过程中每种具体的应用都必须是最佳的。为了优化摩擦搅拌焊接头的性能，确定焊接参数是很重要的。主要的摩擦搅拌焊接参数有以下几种：

   A 刀具几何参数（主体与分部分的连接处，探针）

   B 装夹系统

   C 轴向负荷

   D 工具旋转方向

   E 工件中的探测送进深度

   F 在起始位置工件的探测送进速度

   G 开始焊接时停延的时间

   H 倾斜角

   I 工件的预热/层间温度

   J 送进，停延和焊接周期的控制

   K 焊接速度与旋转速度

   正如上文提到的，因为存在一些影响摩擦搅拌焊接质量和强度的工具与操作参数，因此，为理解这些参数的影响，现已做了大量研究。

   同样受到关注的另一种焊接技术是高强度铝合金的激光焊接技术。这种技术在应用于相当小的航空工业的零件制造中。通过这种焊接处理方式，可以在高速生产过程中获得良好的焊接性能，不需要电焊系和焊料，热影响区的窄焊缝技术应运而生。激光焊接产生集中化的高能量高密度的热源，因此也产生了狭窄的热影响区，并将热影响区的形变以及强度的损失减小到最小。

   在激光焊接中，辐射能用来产生热量，这些热量会熔化材料并将它们连接在一起。凝聚的，单色的机重光线由光学装置引导，汇聚成一个小点，形成高功能密度，将各个零件邻接的表面连接起来。不同的合金可以在非接触情况下被焊接到一起。激光停顿或连续的起伏模式通常被运用到金属焊接过程中。激光焊接技术的主要优点是焊缝的形状良好，穿透性强，精度高，力学性能高，焊接速度快，热量输入低，灵活性强，自动化的可能性大。在高能量高密度激光的帮助下，出现了局部焊接和热影响区，因此，工件相对较低的形变这一良好的机械性能可以实现。主要的缺点是：相对较高的投资成本，对确保零件精确槽的加工要求高（减少尺寸公差）。在在职性能方面，高的产品质量可以通过提升容限，精确控制进程参数，选择新材料，重新设计产品来实现。欧洲宇航防务集团空中巴士在非主要应用上采取激光焊接技术代替铆接。T型接头双面激光焊的电子束入位置，电子束入角度以及梁分离距离是最重要的焊接参数。电子束入位置对焊接质量起很大的作用。6000系铝镁硅焊接易断裂。铝填充焊丝（如AA4047）包含过量的硅，在6000系合金中被推用。据报道，硅含量超过1.5%，断裂敏感度将会降低。次应用包括机身外壳的连接纵梁。6013损伤性能合金为基础材料，4047位填充材料。纵梁由两边2.5千瓦二氧化碳激光束以10米每分钟的速度焊接而成，此焊接如此设计以至于热影响区控制在纵梁上，不会蔓延到机身外壳。此加工方法首先应用于空中巴士318系列产品，之后成功用于其他机型。

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