Slitina hliníku a lithia - Aluminium–lithium alloy

Slitiny hliníku a lithia (Slitiny Al – Li) jsou souborem slitiny z hliník a lithium, často také včetně mědi a zirkonium. Protože lithium je nejméně hustý živel kov, jsou tyto slitiny výrazně méně husté než hliník. Komerční slitiny Al – Li obsahují až 2,45% hmotnostních lithia.[1]

Krystalická struktura

Slitina s lithiem snižuje strukturní hmotu o tři efekty:

Přemístění
Atom lithia je lehčí než atom hliníku; každý atom lithia poté vytěsní jeden atom hliníku z krystalová mříž při zachování struktury mřížky. Každé 1% hmotnostní lithia přidaného do hliníku snižuje hustotu výsledné slitiny o 3% a zvyšuje ztuhlost o 5%.[1] Tento efekt funguje až do rozpustnost limit lithia v hliníku, který je 4,2%.
Zpevnění kmene
Zavedení dalšího typu atomu do krystalu napíná mříž, což pomáhá blokovat dislokace. Výsledný materiál je tak silnější, což umožňuje jeho použití méně.[Citace je zapotřebí ]
Srážení kalením
Když je lithium řádně stárnuto, tvoří metastabilní Al3Li fáze (5 ') s koherentní krystalovou strukturou.[2] Tyto sraženiny posilují kov tím, že brání dislokačnímu pohybu během deformace. Sraženiny však nejsou stabilní a je třeba dbát na to, aby se zabránilo nadměrnému tvorbě s tvorbou stabilní fáze AlLi (β).[3] Tím se také vytvoří zóny bez sraženin (PFZ) obvykle v hranice zrn a může snížit odolnost proti korozi slitiny.[4]

Krystalová struktura pro Al3Li a Al – Li, zatímco vychází z Krystalový systém FCC, jsou velmi odlišné. Al3Li vykazuje téměř stejnou mřížkovou strukturu jako čistý hliník, kromě toho, že v rozích jednotkové buňky jsou přítomny atomy lithia. Al3Li struktura je známá jako AuCu3, L12nebo Pm3m[5] a má parametr mřížky 4,01 Å.[3] Struktura Al – Li je známá jako NaTl, B32 nebo Fd3m[6] struktura, která je vyrobena z lithia i hliníku za předpokladu diamantových struktur a má a mřížkový parametr 6,37 Å. Interatomová vzdálenost pro Al – Li (3,19 Å) je menší než u čistého lithia nebo hliníku.[7]

Používání

Slitiny Al – Li jsou primárně zajímavé pro letecký a kosmický průmysl díky váhové výhodě, kterou poskytují. Na úzké tělo dopravní letadla, Arconic (dříve Alcoa ) tvrdí, že v porovnání s kompozity, což vede až o 20% k lepšímu účinnost paliva za nižší cenu než titan nebo kompozity.[8] Slitiny hliníku a lithia byly poprvé použity v křídlech a vodorovném stabilizátoru severní Amerika A-5 Vigilante vojenská letadla. Další slitiny Al – Li byly použity v dolních křídlech kůže Airbus A380, vnitřní konstrukce křídla Airbusu A350, trup Bombardier CSeries[9] (kde slitiny tvoří 24% trupu),[10] podlahu nákladu Boeing 777X,[11] a lopatky ventilátoru Pratt & Whitney PurePower turbodmychadlo s převodovkou letecký motor.[12] Používají se také v palivových a oxidačních nádržích v EU SpaceX Falcon 9 nosná raketa, Formule jedna brzdové třmeny a AgustaWestland EH101 helikoptéra.[13]

Třetí a poslední verze USA Raketoplán je externí nádrž byl vyroben hlavně z Al-Li Slitina 2195.[14] Kromě toho se slitiny Al – Li používají také v Kentaur Přední adaptér v Atlas V raketa,[15] v Kosmická loď Orion, a měly být použity v plánovaném Ares I. a Ares V rakety (část zrušena Program souhvězdí ).

Al-Li slitiny jsou obecně spojeny třecí svařování. Některé slitiny Al – Li, jako např Weldalite 049, lze svařovat konvenčně; tato vlastnost však přichází za cenu hustoty; Weldalite 049 má přibližně stejnou hustotu jako hliník 2024 a je o 5% vyšší modul pružnosti.[Citace je zapotřebí ] Al – Li se také vyrábí v rolích o šířce až 5,6 metru, což může snížit počet spojení.[16]

Ačkoli slitiny hliník-lithium jsou obecně lepší než slitiny hliník-měď nebo slitiny hliník-zinek v konečném poměru pevnosti k hmotnosti, jejich špatná únava pevnost v tlaku zůstává problémem, který je od roku 2016 vyřešen pouze částečně.[17][13] Také vysoké náklady (přibližně třikrát nebo více než u běžných slitin hliníku), špatná odolnost proti korozi a silná anizotropie mechanických vlastností válcovaných výrobků z hliníku a lithia má za následek nedostatek aplikací.

Seznam slitin hliníku a lithia

Kromě formálního čtyřmístného označení odvozeného od složení prvků je slitina hliníku a lithia také spojována s konkrétními generacemi, založenými především na době, kdy byla poprvé vyrobena, ale sekundárně na obsahu lithia. První generace trvala od počátečního základního výzkumu na počátku 20. století do jejich první aplikace letadel v polovině 20. století. Skládající se ze slitin, které měly nahradit populární 2024 a 7075 slitiny přímo, druhá generace Al – Li měla vysoký obsah lithia nejméně 2%; tato charakteristika způsobila velké snížení hustoty, ale vedla k některým negativním účinkům, zejména k lomové houževnatosti. Třetí generace je aktuální generací produktu Al – Li, která je k dispozici, a na rozdíl od předchozích dvou generací si získala široké přijetí u výrobců letadel. Tato generace snížila obsah lithia na 0,75–1,8%, aby zmírnila tyto negativní vlastnosti při zachování části snížení hustoty;[18] hustoty Al-Li třetí generace se pohybují od 2,63 do 2,72 gramů na centimetr krychlový (0,095 až 0,098 libry na kubický palec).[19]

Slitiny první generace (1920 - 1960)

Slitiny Al – Li první generace[20][18]
Název / číslo slitinyAplikace
1230 (VAD23)Tu-144
1420MiG-29 trupy, palivové nádrže a kokpity; Su-27; Tu-156, Tu-204, a Tu-334; Jak-36, a Jak-38 trupy
1421
2020A-5 Vigilante křídla a vodorovné stabilizátory

Slitiny druhé generace (70. – 80. Léta)

Slitiny Al – Li druhé generace[20][18]
Název / číslo slitinyAplikace
1430
1440
1441Be-103 a Be-200
1450An-124 a An-225
1460McDonnell Douglas opakovaně použitelná nosná raketa (DC-X ); Tu-156
2090 (zamýšleno jako náhrada 7075 )A330 a A340 náběžné hrany; C-17 Globemaster; Atlas kentaur adaptér užitečného zatížení[21]
2091 (CP 274)[22] (zamýšleno jako náhrada 2024 )Fokker 28 a Fokker 100 přístupové dveře ve spodní části kapotáže trupu[23]
8090 (CP 271) (zamýšleno jako náhrada 2024 )EH-101 drak letadla;[9] A330 a A340 náběžné hrany; Titan IV adaptér užitečného zatížení

Slitiny třetí generace (90. léta 20. léta 20. století)

[18]

Slitiny Al – Li třetí generace
Název / číslo slitinyAplikace
2050 (AirWare I-Gauge)[9][24]Ares I. nosná raketa posádky - horní stupeň; A350 žebra křídla;[24] A380 výztuž dolního křídla[25]
2055[26]
2060 (C14U)
2065[9][19]
2076[19]
2096
2098[27][19]
2099 (C460)A380 nosníky, extrudované příčníky, podélné nosníky a kolejnice sedadla;[28] Boeing 787[9]
2195Ares I. nosná raketa posádky - horní stupeň;[9] Poslední revize raketoplánu Super Lightweight Externí nádrž[29]
2196A380 extrudované příčné nosníky, podélné nosníky a kolejnice sedadla[28]
2198 (AirWare I-Form)Trup kůže A350 a CSeries;[24] Falcon 9 raketa druhého stupně[9]
2199 (C47A)
2296[19]
2297F-16 přepážky[19]
2397F-16 přepážky; Super lehký raketoplán Externí nádrž přítlačné panely mezi tanky[19]
Al – Li TP – 1
C99N

Ostatní slitiny

Výrobní závody

Klíčovými světovými producenty výrobků ze slitin hliníku a lithia jsou Arconic, Constellium, a Kamensk-uralský metalurgický závod.

  • Arconic Technical Center (Upper Burrell, Pensylvánie, USA)[9]
  • Arconic Lafayette (Indiana, USA); roční kapacita 20 000 tun (22 000 malých tun; 20 000 000 kg; 44 000 000 lb) hliníku a lithia[9] a schopné odlévat kruhový a obdélníkový ingot pro válcované, protlačované a kované aplikace
  • Arconic Kitts Green (Spojené království)
  • Závod Rio Tinto Alcan Dubuc (Kanada); kapacita 30 000 t (33 000 čistých tun; 30 000 000 kg; 66 000 000 lb)
  • Constellium Issoire (Puy-de-Dôme), Francie; roční kapacita 14 000 t (15 000 malých tun; 14 000 000 kg; 31 000 000 lb)[9]
  • Kamensk-uralský metalurgický závod (KUMZ)
  • Aleris (Koblenz, Německo)
  • FMC Corporation
  • Jihozápadní hliník (ČLR)

Viz také

Reference

  1. ^ A b Joshi, Amit. „Slitiny hliníku a lithia nové generace“ (PDF). Indický technologický institut, Bombay. Metal Web News. Archivovány od originál (PDF) dne 28. září 2007. Citováno 3. března 2008.
  2. ^ Starke, E. A .; Sanders, T. H .; Palmer, I.G. (20. prosince 2013). „Nové přístupy k vývoji slitin v systému Al – Li“. JOM: The Journal of the Minerals, Metals & Materials Society (publikováno v srpnu 1981). 33 (8): 24–33. doi:10.1007 / BF03339468. ISSN  1047-4838. OCLC  663900840.
  3. ^ A b Mahalingam, K .; Gu, B. P .; Liedl, G. L .; Sanders, T. H. (únor 1987). "Coarsening of delta '(Al3Li) Precipitates in Binary Al-Li Alysys". Acta Metallurgica. 35 (2): 483–498. doi:10.1016/0001-6160(87)90254-9. ISSN  0001-6160. OCLC  1460926.
  4. ^ Jha, S. C .; Sanders, T. H .; Dayananda, M. A. (únor 1987). "Grain Boundary Srážejte volné zóny ve slitinách Al-Li". Acta Metallurgica. 35 (2): 473–482. doi:10.1016/0001-6160(87)90253-7. ISSN  0001-6160. OCLC  1460926.
  5. ^ „Krystalová mřížková struktura: struktura Cu3Au (L12)“. Naval Research Laboratory (NRL) Center for Computational Materials Science. 21. října 2004. Archivovány od originál dne 6. dubna 2010.
  6. ^ „Krystalová mřížková struktura: struktura NaTl (B32)“. Naval Research Laboratory (NRL) Center for Computational Materials Science. 17. února 2007. Archivovány od originál dne 12. června 2011.
  7. ^ Kishio, K .; Brittain, J. O. (1979). Msgstr "Vadná struktura beta-LiL". Journal of Physics and Chemistry of Solids. 40 (12): 933–940. doi:10.1016/0022-3697(79)90121-5. ISSN  0038-1098. OCLC  4926011580.
  8. ^ Lynch, Kerry (8. srpna 2017). „FAA vydává zvláštní podmínky pro slitinu Global 7000“. Letecké mezinárodní zprávy. Archivováno z původního dne 11. srpna 2017. Citováno 7. března 2019.
  9. ^ A b C d E F G h i j k l Djukanovič, Goran (5. září 2017). „Slitiny hliníku a lithia se brání“. Archivováno z původního dne 23. listopadu 2017. Citováno 7. března 2019.
  10. ^ Bhaskara, Vinay (2. listopadu 2015). „Battle of the Regionals - ERJ vs CSeries vs MRJ vs SSJ: Úvod a přehled trhu“. Airways Magazine. Archivováno z původního dne 7. března 2019.
  11. ^ „Alcoa získává čtvrtou smlouvu na Boeing v řadě nedávných nabídek“ (Tisková zpráva). 28. ledna 2016. Archivováno z původního dne 7. března 2019. Citováno 7. března 2019.
  12. ^ „Alcoa ohlašuje Jet Engine jako první v dohodě o dodávkách za 1,1 miliardy USD se společností Pratt & Whitney: Představuje první pokročilou kování z hliníkové slitiny na čepeli ventilátoru pro motory Pratt & Whitney pro hybridně-kovové čepele pro motory PurePower®“ (Tisková zpráva). New York, NY, USA a Farnborough, Anglie, Velká Británie. 14. července 2014. Archivováno z původního dne 7. března 2019. Citováno 7. března 2019.
  13. ^ A b "MEE433B: slitiny hliníku a lithia". Queen's University Fakulta aplikovaných věd. Archivovány od originál dne 6. srpna 2004.
  14. ^ „Fakta NASA: Superlehký externí tank“ (PDF) (Tisková zpráva). Huntsville, Alabama: Národní úřad pro letectví a vesmír (NASA) Marshall Space Flight Center. Duben 2005. Archivováno (PDF) z původního dne 4. ledna 2006.
  15. ^ „Atlas V“. Archivováno z původního dne 30. října 2008. Citováno 7. března 2019.
  16. ^ „Lehčí, silnější a větší než kdy jindy: Arconic pomáhá budovat budoucnost letectví pomocí pokročilého hliníku a lithia“. Archivováno z původního dne 15. dubna 2017. Citováno 7. března 2019.
  17. ^ Zhu, Xiao-hui; Zheng, Zi-qiao; Zhong, Shen; Li, Hong-ying (5. – 9. Září 2010). „Vliv prvků Mg a Zn na mechanické vlastnosti a srážky ve slitině 2099“ (PDF). V Kumai, Shinji (ed.). ICAA12 Jokohama: řízení. Sborník mezinárodní konference o slitinách hliníku. 12. Jokohama, Japonsko: Japonský institut lehkých kovů. 2375–2380. ISBN  978-4-905829-11-9. OCLC  780496456. Archivováno (PDF) z původního dne 6. dubna 2017.
  18. ^ A b C d Rioja, Roberto J .; Liu, John (září 2012). „Vývoj základních produktů Al-Li pro letecké a kosmické aplikace“ (PDF). Metalurgické a materiálové transakce A. Springer USA (zveřejněno 31. března 2012). 43 (9): 3325–3337. Bibcode:2012MMTA ... 43.3325R. doi:10.1007 / s11661-012-1155-z. ISSN  1073-5623. Archivováno z původního dne 20. února 2019. Citováno 9. března 2019.
  19. ^ A b C d E F G Eswara Prasad, Gokhale a Wanhill 2014; Kapitola 15: Letectví a kosmonautika slitin hliníku a lithia
  20. ^ A b Grushko, Ovsyannikov a Ovchinnokov 2016; Kapitola 1: Stručná historie vzniku slitiny hliník-lithium
  21. ^ „Informační list 6 - část II: Společný plán pro vývoj technologie raketometů“. Projekt historie X-33. 22. prosince 1999. Archivováno z původního dne 13. února 2016. Citováno 11. března 2019.
  22. ^ Eswara Prasad, N .; Gokhale, A. A .; Rama Rao, P. (únor – duben 2003). „Mechanické chování slitin hliníku a lithia“ (PDF). Sadhana: Akademický sborník ve strojírenských vědách. 28 (1–2): 209–246. doi:10.1007 / BF02717134. ISSN  0256-2499. OCLC  5652684711. Archivováno z původního dne 4. dubna 2017. Citováno 18. března 2019. Shrnutí ležel.
  23. ^ Vaessen, G. J. H .; van Tilborgh, C .; van Rooijen, H. W. (3. – 5. října 1988). „Výroba zkušebních předmětů z Al-Li 2091 pro Fokker 100“. Nové lehké slitiny: příspěvky předložené na 67. zasedání panelu struktur a materiálů AGARD v nizozemském Mierlu ve dnech 3. – 5. Října 1988 (PDF). Setkání panelu struktur a materiálů Poradní skupiny pro výzkum a vývoj v oblasti letectví (AGARD), Severoatlantické aliance (NATO). 67. Mierlo, Nizozemsko (zveřejněno 1. srpna 1989). str. 13–1 až 13–12. ISBN  92-835-0519-0. OCLC  228022064. Archivováno z původního dne 24. února 2018. Citováno 18. března 2019. Shrnutí ležel.
  24. ^ A b C Constellium (2. října 2012). Technologie Constellium AIRWARE® (Upoutávka).
  25. ^ Lequeu, Ph .; Lassince, Ph .; Warner, T. (červenec 2007). „Vývoj hliníkové slitiny pro Airbus A380 - část 2“. Pokročilé materiály a procesy. 165 (7). 41–44. ISSN  0882-7958. OCLC  210224702. Archivováno z původního dne 17. března 2019. Citováno 16. března 2019.
  26. ^ Vytlačovací profily z hliníkové slitiny 2055-T84: Vysoká pevnost, odolnost proti únavě, vytlačování s nízkou hustotou (PDF) (Technická zpráva). Lafayette, Indiana: Arconic výkovky a výlisky. Prosinec 2016. Archivováno (PDF) z původního dne 26. října 2017.
  27. ^ A b C d E F G Grushko, Ovsyannikov a Ovchinnokov 2016, str. 9 (Tabulka 1.2: Složení slitin hliníku a lithia registrovaných ve Spojených státech, Francii a Velké Británii)
  28. ^ A b Pacchione, M .; Telgkamp, ​​J. (5. září 2006). „Výzvy kovového trupu“ (PDF). 25. mezinárodní kongres leteckých věd (ICAS 2006). Kongres Mezinárodní rady leteckých věd. 4.5.1 (25. vydání). Hamburk, Německo. 2110–2121. ISBN  978-0-9533991-7-8. OCLC  163579415. Archivováno (PDF) z původního dne 27. ledna 2018. Citováno 7. března 2019. Shrnutí ležel.
  29. ^ Niedzinski, Michael (11. února 2019). "Článek: Vývoj slitin Constellium Al-Li pro kosmické odpalování a aplikace modulů posádky". Light Metal Age: Mezinárodní časopis pro průmysl lehkých kovů (zveřejněno v únoru 2019). p. 36. ISSN  0024-3345. OCLC  930270638. Citováno 17. března 2019.
  30. ^ A b C d E F Grushko, Ovsyannikov a Ovchinnokov 2016, s. 7–8 (tabulka 1.1: Ruské slitiny hliníku a lithia)
  31. ^ Sauermann, Roger; Friedrich, Bernd; Grimmig, T .; Buenck, M .; Bührig-Polaczek, Andreas (2006). „Vývoj slitin hliníku a lithia zpracovaných kontejnerovým procesem Rheo“ (PDF). V Kang, C.G .; Kim, S.K .; Lee, S. Y. (eds.). Polotuhé zpracování slitin a kompozitů. Fenomény v pevné fázi. 116–117 (zveřejněno 15. října 2006). str. 513–517. doi:10.4028 / www.scientific.net / SSP.116-117.513. ISBN  9783908451266. OCLC  5159219975. Archivováno (PDF) z původního dne 2. února 2017. Citováno 7. března 2019.

Bibliografie

externí odkazy