Алюминий-литиевые сплавы
Алюминий-литиевые сплавы сплавы Al-Li) представляют собой совокупность сплавов алюминия ( и лития , часто включающую также 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
[ редактировать ]Легирование литием уменьшает 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% по массе лития, добавленный в алюминий, снижает плотность получаемого сплава на 3% и увеличивает жесткость на 5%. [ 1 ] Этот эффект действует вплоть до предела растворимости лития в алюминии, который составляет 4,2%.
- Деформационное упрочнение
- атома другого типа Введение в кристалл приводит к деформации решетки, что помогает блокировать дислокации . Таким образом, полученный материал становится более прочным, что позволяет использовать его меньше. [ нужна ссылка ]
- 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 не стабильны, и необходимо соблюдать осторожность, чтобы предотвратить перестарение с образованием стабильной фазы AlLi (β). [ 3 ] Это также приводит к образованию зон без выделений (PFZ), обычно на границах зерен , и может снизить коррозионную стойкость сплава. [ 4 ]
Кристаллическая структура Al 3 Li и Al–Li, хотя и основана на кристаллической системе ГЦК , сильно различается. Al 3 Li имеет структуру решетки почти того же размера, 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. [ 5 ] и имеет параметр решетки 4,01 Å. [ 3 ] Структура Al–Li известна как NaTl, B32 или Fd 3 м. [ 6 ] структура, которая состоит как из лития, так и из алюминия, предполагая структуру алмаза, и имеет параметр решетки 6,37 Å. Межатомное расстояние Al-Li (3,19 Å) меньше, чем у чистого лития или алюминия. [ 7 ]
Использование
[ редактировать ]Сплавы Al–Li представляют интерес в первую очередь для аэрокосмической промышленности из-за преимущества в весе. ) заявляет о снижении веса узкофюзеляжных Компания авиалайнеров Arconic (ранее Alcoa до 10 % по сравнению с композитами , что приводит к повышению топливной эффективности на 20 % при меньших затратах, чем у титана или композитов. [ 8 ] Алюминиево-литиевые сплавы впервые были использованы в крыльях и горизонтальном стабилизаторе военного самолета North American 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 ] грузовой пол Боинга 777X , [ 11 ] и лопасти вентилятора авиационного двигателя Pratt & Whitney PurePower турбовентиляторного . [ 12 ] Они также используются в баках топлива и окислителя ракеты- SpaceX Falcon 9 носителя , тормозных суппортах Формулы-1 и AgustaWestland EH101 вертолете . [ 13 ]
американского космического корабля "Шаттл " Третья и последняя версия внешнего бака Al-Li была в основном изготовлена из сплава 2195 . [ 14 ] Кроме того, сплавы Al-Li также используются в Centaur переднем адаптере Atlas V. ракеты [ 15 ] в космическом корабле «Орион» и должны были использоваться в запланированных ракетах «Арес I» и «Арес V» (часть отмененной программы «Созвездие» ).
Сплавы Al-Li обычно соединяют сваркой трением с перемешиванием . Некоторые сплавы Al-Li, такие как Weldalite 049, можно сваривать традиционным способом; однако за это свойство приходится платить плотностью; Weldalite 049 имеет примерно такую же плотность, как алюминий 2024, и модуль упругости на 5% выше . [ нужна ссылка ] Al-Li также производится в рулонах шириной до 220 дюймов (18 футов; 5,6 метра), что позволяет сократить количество соединений. [ 16 ]
Хотя алюминиево-литиевые сплавы в целом превосходят сплавы алюминий-медь или алюминий-цинк по соотношению предельной прочности к весу, их низкая усталостная прочность при сжатии остается проблемой, которая по состоянию на 2016 год решена лишь частично. [ 17 ] [ 13 ] Кроме того, высокая стоимость (около 3 и более раз по сравнению с традиционными алюминиевыми сплавами), плохая коррозионная стойкость и сильная анизотропия механических свойств проката из алюминиево-литиевого проката привели к ограничению его применения.
Порошок сплава Al-Li используется в производстве легких спортивных товаров, в том числе велосипедов, теннисных ракеток, клюшек для гольфа и бейсбольных бит. 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 сплавов алюминия и лития
[ редактировать ]Помимо формального четырехзначного обозначения, полученного из его элементного состава , алюминиево-литиевый сплав также ассоциируется с определенными поколениями, в первую очередь в зависимости от того, когда он был впервые произведен, а во вторую очередь от содержания в нем лития. Первое поколение просуществовало от первых предварительных исследований в начале 20 века до первого применения в самолетах в середине 20 века. состоящее из сплавов, которые должны были напрямую заменить популярные сплавы 2024 и 7075 Второе поколение Al-Li, , имело высокое содержание лития - не менее 2%; эта характеристика привела к значительному снижению плотности, но привела к некоторым негативным последствиям, особенно к вязкости разрушения . Третье поколение — это нынешнее поколение доступных продуктов Al-Li, получившее широкое признание среди производителей самолетов, в отличие от двух предыдущих поколений. В этом поколении содержание лития снижено до 0,75–1,8%, чтобы смягчить эти негативные характеристики, сохранив при этом некоторое снижение плотности; [ 21 ] 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). [ 22 ]
Сплавы первого поколения (1920–1960-е гг.)
[ редактировать ]Название/номер сплава | Приложения |
---|---|
1230 (ВАД23) | Ту-144 |
1420 | МиГ-29 Фюзеляжи, топливные баки и кабины ; Су-27 ; Ту-156 , Ту-204 и Ту-334 ; Як-36 и Як-38. Фюзеляжи |
1421 | |
2020 | А-5 Vigilante Крылья и горизонтальные стабилизаторы |
Сплавы второго поколения (1970–1980-е гг.)
[ редактировать ]Название/номер сплава | Приложения |
---|---|
1430 | |
1440 | |
1441 | Бе-103 и Бе-200 |
1450 | Ан-124 и Ан-225 |
1460 | McDonnell Douglas многоразовая ракета-носитель ( DC-X ); Ту-156 |
2090 (предназначен для замены 7075 ) | Airbus A330 и Airbus A340 Передние кромки ; С-17 Глоубмастер ; Atlas Centaur Адаптер полезной нагрузки [ 24 ] |
2091 (КП 274) [ 25 ] (предназначен для замены 2024 г. ) | Люки доступа к Fokker 28 и Fokker 100 в нижнем обтекателе фюзеляжа. [ 26 ] |
8090 (CP 271) (предназначен для замены 2024 г. ) | ЕН-101 ; планер [ 9 ] Airbus A330 и Airbus A340 Передние кромки Titan IV ; Адаптер полезной нагрузки |
Сплавы третьего поколения (1990–2010-е гг.)
[ редактировать ]Название/номер сплава | Приложения |
---|---|
2050 (AirWare I-Gauge) [ 9 ] [ 27 ] | Экипажная ракета-носитель «Арес I» – разгонный блок; А350 ; нервюры крыла [ 27 ] А380 Усиление нижнего крыла [ 28 ] |
2055 [ 29 ] | |
2060 (С14У) | |
2065 [ 9 ] [ 22 ] | |
2076 | [ 22 ] |
2096 | |
2098 [ 30 ] [ 22 ] | |
2099 (С460) | Стрингеры А380 , прессованные поперечины, продольные балки и направляющие сиденья; [ 31 ] Боинг 787 [ 9 ] |
2195 | Экипажная ракета-носитель «Арес I» – разгонный блок; [ 9 ] Последняя версия сверхлегкого внешнего бака космического корабля "Шаттл" [ 32 ] Топливные баки Falcon 9 [ 33 ] |
2196 | A380. Экструдированные поперечины, продольные балки и направляющие сиденья [ 31 ] |
2198 (I-форма AirWare) | Обшивка фюзеляжа самолетов A350 и CSeries ; [ 27 ] Falcon 9 Ракета второй ступени [ 9 ] |
2199 (С47А) | |
2296 | [ 22 ] |
2297 | Ф-16 Переборки [ 22 ] |
2397 | Ф-16 Переборки ; Сверхлегкие внешнего бака космического корабля "Спейс шаттл" межбаковые упорные панели [ 22 ] |
Al–LiTP–1 | |
C99N |
Другие сплавы
[ редактировать ]- 1424 алюминиевый сплав [ 34 ]
- 1429 алюминиевый сплав [ 35 ]
- алюминиевый сплав 1441К [ 34 ]
- 1445 алюминиевый сплав [ 34 ]
- V-1461 aluminium alloy [ 34 ]
- V-1464 aluminium alloy [ 34 ]
- V-1469 aluminium alloy [ 34 ]
- V-1470 aluminium alloy [ 34 ]
- 2094 алюминиевый сплав [ 30 ]
- Алюминиевый сплав 2095 ( Weldalite 049 ) [ 9 ]
- 2097 алюминиевый сплав [ 30 ]
- 2197 алюминиевый сплав [ 30 ]
- 8025 алюминиевый сплав [ 30 ]
- 8091 алюминиевый сплав [ 30 ]
- 8093 алюминиевый сплав [ 30 ]
- КП 276 [ 9 ]
Производственные площадки
[ редактировать ]Ключевыми мировыми производителями продукции из алюминиево-литиевых сплавов являются компании Arconic , Constellium и Каменск-Уральский металлургический завод .
- Технический центр Arconic (Аппер Баррелл, Пенсильвания, США) [ 9 ]
- Арконик Лафайет (Индиана, США); Годовая мощность 20 000 метрических тонн (22 000 коротких тонн; 20 000 000 кг; 44 000 000 фунтов) алюминия-лития. [ 9 ] и способен отливать круглые и прямоугольные слитки для прокатки, экструдирования и ковки.
- 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 Issoire (Пюи-де-Дом), Франция; годовая мощность 14 000 т (15 000 коротких тонн; 14 000 000 кг; 31 000 000 фунтов) [ 9 ]
- Каменск-Уральский металлургический завод (КУМЗ)
- Алерис (Кобленц, Германия)
- Корпорация FMC — FMC выделила свое литиевое подразделение в Livent, которое теперь (2024 г.) объединилось в Arcadium ( https://arcadiumlithium.com/ )
- Юго-Западный Алюминий (КНР)
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б Джоши, Амит. «Алюминий-литиевые сплавы нового поколения» (PDF) . Индийский технологический институт, Бомбей . Металлические веб-новости. Архивировано из оригинала (PDF) 28 сентября 2007 года . Проверено 3 марта 2008 г.
- ^ Старк, Э.А.; Сандерс, TH; Палмер, И.Г. (20 декабря 2013 г.). «Новые подходы к разработке сплавов в системе Al – Li». JOM: Журнал Общества минералов, металлов и материалов . 33 (8) (опубликовано в августе 1981 г.): 24–33. дои : 10.1007/BF03339468 . ISSN 1047-4838 . OCLC 663900840 .
- ^ Перейти обратно: а б Махалингам, К.; Гу, БП; Лидл, Г.Л.; Сандерс, TH (февраль 1987 г.). «Огрубление [дельта]» (Al3Li) выделяется в бинарных сплавах Al – Li». Акта Металлургика . 35 (2): 483–498. дои : 10.1016/0001-6160(87)90254-9 . ISSN 0001-6160 . ОСЛК 1460926 .
- ^ Джа, Южная Каролина; Сандерс, TH; Даянанда, Массачусетс (февраль 1987 г.). «Зернограничные зоны выделения свободных зон в сплавах Al – Li». Акта Металлургика . 35 (2): 473–482. дои : 10.1016/0001-6160(87)90253-7 . ISSN 0001-6160 . ОСЛК 1460926 .
- ^ «Структуры кристаллической решетки: структура Cu3Au (L12)» . Военно-морская исследовательская лаборатория (НРЛ) Центр вычислительного материаловедения . 21 октября 2004 г. Архивировано из оригинала 6 апреля 2010 г.
- ^ «Структуры кристаллической решетки: структура NaTl (B32)» . Военно-морская исследовательская лаборатория (НРЛ) Центр вычислительного материаловедения . 17 февраля 2007 г. Архивировано из оригинала 12 июня 2011 г.
- ^ Кишио, К.; Бриттен, Джо (1979). «Дефектная структура [бета]-LiAl». Журнал физики и химии твердого тела . 40 (12): 933–940. Бибкод : 1979JPCS...40..933K . дои : 10.1016/0022-3697(79)90121-5 . ISSN 0038-1098 . OCLC 4926011580 .
- ^ Линч, Керри (8 августа 2017 г.). «ФАУ выпускает особые условия для сплава Global 7000» . Международные авиационные новости . Архивировано из оригинала 11 августа 2017 года . Проверено 7 марта 2019 г.
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж к л Джуканович, Горан (5 сентября 2017 г.). «Алюминий-литиевые сплавы дают отпор» . Архивировано из оригинала 23 ноября 2017 года . Проверено 7 марта 2019 г.
- ^ Бхаскара, Винай (2 ноября 2015 г.). «Битва регионов – ERJ против CSeries против MRJ против SSJ: введение и обзор рынка» . Журнал «Авиакомпании» . Архивировано из оригинала 7 марта 2019 года.
- ^ «Alcoa выигрывает четвертый контракт с Boeing из ряда недавних сделок» (пресс-релиз). 28 января 2016 г. Архивировано из оригинала 7 марта 2019 г. . Проверено 7 марта 2019 г.
- ^ «Alcoa объявляет о выпуске реактивного двигателя первой в соглашении о поставке на сумму 1,1 миллиарда долларов с Pratt & Whitney: представляет первую в мире усовершенствованную поковку лопастей вентилятора из алюминиевого сплава для гибридно-металлических лопастей вентилятора Pratt & Whitney для двигателей PurePower®» (пресс-релиз). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк, США и Фарнборо, Англия, Великобритания. 14 июля 2014 года. Архивировано из оригинала 7 марта 2019 года . Проверено 7 марта 2019 г.
- ^ Перейти обратно: а б «MEE433B: Алюминий-литиевые сплавы» . Факультет прикладных наук Королевского университета . Архивировано из оригинала 6 августа 2004 года.
- ^ «Факты НАСА: сверхлегкий внешний бак» (PDF) (пресс-релиз). Хантсвилл, Алабама: Центр космических полетов имени Маршалла Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА). Апрель 2005 г. Архивировано (PDF) из оригинала 4 января 2006 г.
- ^ «Атлас V» . Архивировано из оригинала 30 октября 2008 года . Проверено 7 марта 2019 г.
- ^ «Легче, сильнее и больше, чем когда-либо: Arconic помогает строить будущее авиации с помощью передовых алюминиево-литиевых сплавов» . Архивировано из оригинала 15 апреля 2017 года . Проверено 7 марта 2019 г.
- ^ Чжу, Сяо-хуэй; Чжэн, Цзы-цяо; Чжун, Шен; Ли, Хун-ин (5–9 сентября 2010 г.). «Влияние элементов Mg и Zn на механические свойства и выделения в сплаве 2099» (PDF) . В Кумаи, Синдзи (ред.). ICAA12 Иокогама: разбирательство . Материалы 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 года.
- ^ Чен, Дж (2010). «Глава 16 – Легкие сплавы с конструкционной поверхностью для спортивного инвентаря». В Донг, Ханьшань (ред.). Поверхностная инженерия легких сплавов . Издательство Вудхед. стр. 549–567. ISBN 9781845695378 .
- ^ Вопрос: Эштон Эктон (2013). Легкие металлы. Достижения в области исследований и применения: 2013 г. . Научные издания. п. 578. ИСБН 978-1481677202 .
- ^ «Порошок сплава Al-Li» . Стэнфордские продвинутые материалы . Проверено 7 июля 2024 г.
- ^ Перейти обратно: а б с Риоха, Роберто Дж.; Лю, Джон (сентябрь 2012 г.). «Эволюция продуктов на основе Al-Li для аэрокосмической и космической техники» (PDF) . Металлургические и сырьевые операции А . 43 (9). Springer US (опубликовано 31 марта 2012 г.): 3325–3337. Бибкод : 2012MMTA...43.3325R . дои : 10.1007/s11661-012-1155-z . ISSN 1073-5623 . S2CID 136580310 . Архивировано из оригинала 20 февраля 2019 года . Проверено 9 марта 2019 г.
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г Эшвара Прасад, Гохале и Ванхилл, 2014 г .; Глава 15: Аэрокосмическое применение алюминиево-литиевых сплавов
- ^ Перейти обратно: а б Grushko, Ovsyannikov & Ovchinnokov 2016 ; Chapter 1: Brief history of aluminum-lithium alloy creation
- ^ «Информационный бюллетень 6 – Часть II: Совместный план разработки технологий запуска» . Исторический проект X-33 . 22 декабря 1999 г. Архивировано из оригинала 13 февраля 2016 г. Проверено 11 марта 2019 г.
- ^ Ишвара Прасад, Н.; Гохале, А.А.; Рама Рао, П. (февраль – апрель 2003 г.). «Механическое поведение алюминиево-литиевых сплавов» . Садхана . 28 (1–2): 209–246. дои : 10.1007/BF02717134 . ISSN 0256-2499 . OCLC 5652684711 . S2CID 55008726 . Архивировано из оригинала 4 апреля 2017 года . Проверено 18 марта 2019 г.
- ^ Вассен, GJH; ван Тилборг, К.; ван Ройен, HW (3–5 октября 1988 г.). «Изготовление тестовых изделий из Al-Li 2091 для Fokker 100» (PDF) . Предварительные материалы конференции АГАРД №1. 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 или 13–12. ISBN 92-835-0519-0 . ОСЛК 228022064 . Архивировано (PDF) из оригинала 25 июня 2021 года . Проверено 18 марта 2019 г. Альтернативный URL-адрес записи каталога NTRL
- ^ Перейти обратно: а б с Констеллиум (2 октября 2012 г.). Технология Constellium AIRWARE® (трейлер). Архивировано из оригинала 18 декабря 2021 года.
- ^ Леке, доктор философии; Лассинс, доктор философии; Уорнер, Т. (июль 2007 г.). «Разработка алюминиевого сплава для Airbus A380 – часть 2» . Передовые материалы и процессы . Том. 165, нет. 7. С. 41–44. ISSN 0882-7958 . OCLC 210224702 . Архивировано из оригинала 17 марта 2019 года . Проверено 16 марта 2019 г.
- ^ Профили из алюминиевого сплава 2055-T84: высокопрочные, усталостные профили с низкой плотностью (PDF) (Технический отчет). Лафайет, Индиана: поковки и экструзии Arconic. Декабрь 2016 г. Архивировано (PDF) из оригинала 26 октября 2017 г.
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г Грушко, Овсянников и Овчинноков 2016 , с. 9 (Таблица 1.2: Состав алюминиево-литиевых сплавов, зарегистрированных в США, Франции и Великобритании)
- ^ Перейти обратно: а б Паччионе, М.; Телгкамп, Дж. (5 сентября 2006 г.). «Проблемы металлического фюзеляжа» (PDF) . 25-й Международный конгресс авиационных наук (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. Проверено 7 марта 2019 г. каталог конференции
- ^ Недзински, Майкл (11 февраля 2019 г.). «Статья: Эволюция сплавов Constellium Al-Li для космических запусков и модулей экипажа» . Light Metal Age: Международный журнал индустрии легких металлов (опубликован в феврале 2019 г.). п. 36. ISSN 0024-3345 . OCLC 930270638 . Проверено 17 марта 2019 г.
- ^ «Сокол 9» . SpaceX. 2013. Архивировано из оригинала 10 февраля 2007 года . Проверено 6 декабря 2013 г.
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г Grushko, Ovsyannikov & Ovchinnokov 2016 , pp. 7–8 (Table 1.1: Russian Aluminum–Lithium Alloys)
- ^ Зауэрманн, Роджер; Фридрих, Бернд; Гриммиг, Т.; Буэнк, М.; Бюриг-Полачек, Андреас (2006). «Разработка алюминиево-литиевых сплавов, обрабатываемых контейнерным процессом Рео» (PDF) . Ин Канг, C.G.; Ким, СК; Ли, С.Ю. (ред.). Полутвердая обработка сплавов и композитов . Явления твердого тела. Том. 116–117 (опубликовано 15 октября 2006 г.). стр. 513–517. дои : 10.4028/www.scientific.net/SSP.116-117.513 . ISBN 9783908451266 . OCLC 5159219975 . Архивировано (PDF) из оригинала 2 февраля 2017 года . Проверено 7 марта 2019 г.
Библиография
[ редактировать ]- Грушко, Ольга; Овсянников Борис; Овчинноков, Виктор (2016). Эскин, Д.Г. (ред.). Алюминий-литиевые сплавы: технологическая металлургия, физическая металлургия и сварка . Достижения в области металлических сплавов. Том. 8. CRC Press/Taylor & Francisco Group. дои : 10.1201/9781315369525 . ISBN 9781498737173 . OCLC 943678703 .
- Ишвара Прасад, Н.; Гохале, Амол А.; Ванхилл, RJH, ред. (2014). Алюминий-литиевые сплавы: обработка, свойства и применение . Elsevier/Butteworth-Heinemann (опубликовано 20 сентября 2013 г.). дои : 10.1016/C2012-0-00394-8 . ISBN 978-0-12-401698-9 . OCLC 871759610 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Ричардсон, Майк (14 октября 2012 г.). «Литий решает проблемы производителей алюминия» . Аэрокосмическое производство . OCLC 907578912 . Архивировано из оригинала 9 марта 2019 года.
- «Превзойдут ли алюминиево-литиевые композиты для узкофюзеляжных авиалайнеров?» . Новости ГЛГ. 18 октября 2010 г. Архивировано из оригинала 7 марта 2019 г. . Получено 7 марта 2019 г. - через AirInsight Group, LLC.