Stop aluminium-lit - Aluminium–lithium alloy

Stopy aluminiowo-litowe (stopy Al-Li), to zestaw stopu z aluminium i litu , często zawierające także miedzi i cyrkonu . Ponieważ lit jest metalem pierwiastkowym o najmniejszej gęstości , stopy te mają znacznie mniejszą gęstość niż aluminium. Komercyjne stopy Al-Li zawierają do 2,45% litu masowo.

Struktura krystaliczna

Stop z litem zmniejsza masę strukturalną o trzy efekty:

Przemieszczenie 
Atom litu jest lżejszy niż atom glinu; każdy atom litu wypiera następnie jeden atom glinu z sieci krystalicznej , zachowując strukturę sieciową. Każdy 1% masowy litu dodany do aluminium zmniejsza gęstość powstałego stopu o 3% i zwiększa sztywność o 5%. Efekt ten działa do granicy rozpuszczalności litu w aluminium, która wynosi 4,2%.
Utwardzanie odkształceniowe
Wprowadzenie innego rodzaju atomu do kryształu napręża sieć, co pomaga blokować dyslokacje . Powstały materiał jest więc mocniejszy, co pozwala na jego mniejsze zużycie.
Utwardzanie wydzieleniowe
Po odpowiednim starzeniu lit tworzy metastabilną fazę Al 3 Li (δ') o spójnej strukturze krystalicznej. Wydzielenia te wzmacniają metal, utrudniając ruch dyslokacyjny podczas deformacji. Osady nie są jednak trwałe i należy zachować ostrożność, aby zapobiec nadmiernemu starzeniu się z utworzeniem stabilnej fazy AlLi (β). Powoduje to również powstawanie stref wolnych od wydzieleń (PFZ) zazwyczaj na granicach ziaren i może zmniejszać odporność stopu na korozję .

Struktura krystaliczna dla Al 3 Li i Al-Li, chociaż oparta na systemie kryształów FCC , jest bardzo różna. Al 3 Li ma prawie taką samą strukturę sieciową jak czyste aluminium, z wyjątkiem tego, że atomy litu są obecne w rogach komórki elementarnej. Struktura Al 3 Li jest znana jako AuCu 3 , L1 2 lub Pm 3 m i ma parametr sieci 4,01 Å. Struktura Al-Li jest znana jako struktura NaTl, B32 lub Fd 3 m, która jest wykonana zarówno z litu, jak i aluminium, przy założeniu struktury diamentowej i ma parametr sieci 6,37 Å. Odstęp międzyatomowy dla Al-Li (3,19 Å) jest mniejszy niż w przypadku czystego litu lub aluminium.

Stosowanie

Stopy Al-Li są przede wszystkim przedmiotem zainteresowania przemysłu lotniczego ze względu na ich przewagę wagową. Na wąskim ciała samolotów, Arconic (dawniej Alcoa ) podnosi się do 10% zmniejszenie masy w porównaniu z kompozytami , co prowadzi nawet do 20% większa oszczędność paliwa , przy niższych kosztach niż tytan lub kompozytów. Stopy aluminiowo-litowe zostały po raz pierwszy zastosowane w skrzydłach i stateczniku poziomym północnoamerykańskiego samolotu wojskowego A-5 Vigilante . Inne stopy Al-Li zostały zastosowane w poszyciach dolnych skrzydeł Airbusa A380 , wewnętrznej strukturze skrzydła Airbusa A350 , kadłubie Bombardiera CSeries (gdzie stopy stanowią 24% kadłuba), podłodze ładunkowej Boeing 777X oraz łopatki wentylatora z Pratt & Whitney Purepower ukierunkowanej dwuprzepływowego silnika samolotu. Są one również używane w zbiornikach paliwa i utleniacza w pojeździe startowym SpaceX Falcon 9 , zaciskach hamulcowych Formuły 1 i helikopterze AgustaWestland EH101 .

Trzeci i ostatni wersja USA przestrzeni transfer jest zewnętrznym zbiorniku był głównie z Al-Li 2195 stopu . Ponadto stopy Al-Li są również wykorzystywane w Centaur Forward Adapter w rakiecie Atlas V , w statku kosmicznym Orion i miały być stosowane w planowanych rakietach Ares I i Ares V (część anulowanego programu Constellation ).

Stopy Al-Li są zazwyczaj łączone przez zgrzewanie tarciowe z przemieszaniem . Niektóre stopy Al-Li, takie jak Weldalite 049 , mogą być spawane konwencjonalnie; jednak ta właściwość ma cenę gęstości; Weldalite 049 ma mniej więcej taką samą gęstość jak aluminium 2024 i 5% wyższy moduł sprężystości . Al-Li jest również produkowany w rolkach o szerokości do 220 cali (18 stóp; 5,6 metra), co może zmniejszyć liczbę połączeń.

Chociaż stopy aluminiowo-litowe są generalnie lepsze od stopów aluminiowo-miedziowych lub aluminiowo-cynkowych pod względem ostatecznego stosunku wytrzymałości do masy, ich słaba wytrzymałość zmęczeniowa podczas ściskania pozostaje problemem, który został tylko częściowo rozwiązany od 2016 r. Również wysokie koszty ( około 3 razy lub więcej niż w przypadku konwencjonalnych stopów aluminium), słaba odporność na korozję i silna anizotropia właściwości mechanicznych walcowanych wyrobów aluminiowo-litowych spowodowały brak zastosowań.

Lista stopów aluminiowo-litowych

Oprócz formalnego czterocyfrowego oznaczenia wywodzącego się z jego składu pierwiastkowego , stop aluminiowo-litowy jest również kojarzony z poszczególnymi generacjami, opartymi przede wszystkim na tym, kiedy został po raz pierwszy wyprodukowany, ale w drugiej kolejności na zawartości litu. Pierwsza generacja trwała od początkowych badań w tle na początku XX wieku do ich pierwszego zastosowania w samolotach w połowie XX wieku. Składająca się ze stopów, które miały bezpośrednio zastąpić popularne stopy 2024 i 7075 , druga generacja Al-Li miała wysoką zawartość litu, co najmniej 2%; ta cecha powodowała duże zmniejszenie gęstości, ale powodowała pewne negatywne skutki, zwłaszcza odporność na kruche pękanie. Trzecia generacja to obecna generacja produktu Al-Li, który jest dostępny i zyskał szeroką akceptację wśród producentów samolotów, w przeciwieństwie do poprzednich dwóch generacji. Ta generacja zmniejszyła zawartość litu do 0,75-1,8%, aby złagodzić te negatywne cechy, zachowując jednocześnie część redukcji gęstości; Gęstości Al-Li trzeciej generacji wahają się od 2,63 do 2,72 gramów na centymetr sześcienny (0,095 do 0,098 funtów na cal sześcienny).

Stopy pierwszej generacji (1920-1960)

Stopy Al-Li pierwszej generacji
Nazwa/numer stopu Aplikacje
1230 (VAD23) Tu-144
1420 kadłuby, zbiorniki paliwa i kokpity MiG-29 ; Su-27 ; Tu-156 , Tu-204 i Tu-334 ; Kadłuby Jak-36 i Jak-38
1421
2020 Skrzydła i stateczniki poziome A-5 Vigilante

Stopy drugiej generacji (1970-1980)

Stopy Al-Li drugiej generacji
Nazwa/numer stopu Aplikacje
1430
1440
1441 Be-103 i Be-200
1450 An-124 i An-225
1460 rakieta nośna wielokrotnego użytku McDonnell Douglas ( DC-X ); Tu-156
2090 (przeznaczony do zastąpienia 7075 ) krawędzie natarcia A330 i A340 ; C-17 Globemaster ; Adapter ładunku Atlas Centaur
2091 (CP 274) (przeznaczony do zastąpienia 2024 ) Drzwiczki dostępowe Fokker 28 i Fokker 100 w dolnej owiewce kadłuba
8090 (CP 271) (przeznaczony do zastąpienia 2024 ) płatowiec EH-101 ; krawędzie natarcia A330 i A340 ; Adapter ładunku Titan IV

Stopy trzeciej generacji (1990-2010)

Stopy Al-Li trzeciej generacji
Nazwa/numer stopu Aplikacje
2050 (AirWare I-Gauge) Pojazd startowy załogi Ares I – górny stopień; żebra skrzydła A350 ; Wzmocnienie dolnego skrzydła A380
2055
2060 (C14U)
2065
2076
2096
2098
2099 (C460) podłużnice A380 , wytłaczane belki poprzeczne, belki podłużne i szyny siedzeń; Boeing 787
2195 Pojazd startowy załogi Ares I – górny stopień; Ostatnia rewizja zbiorników na paliwo miotające Space Shuttle Super Lightweight External Tank Falcon 9
2196 Wytłaczane belki poprzeczne A380 , belki podłużne i szyny siedzeń
2198 (AirWare I-Form) Kadłub skóra A350 i CSeries ; Rakieta drugiego stopnia Falcon 9
2199 (C47A)
2296
2297 Grodzie F-16
2397 grodzie F-16 ; Super lekkie zewnętrzne panele oporowe międzyzbiornikowego wahadłowca kosmicznego
Al–Li TP–1
C99N

Inne stopy

  • 1424 stop aluminium
  • 1429 stop aluminium
  • Stop aluminium 1441 K
  • 1445 stop aluminium
  • Stop aluminium V-1461
  • Stop aluminium V-1464
  • Stop aluminium V-1469
  • 2094 stop aluminium
  • 2095 stop aluminium ( Weldalite 049 )
  • 2097 stop aluminium
  • stop aluminium 2197
  • Stop aluminium 8025
  • Stop aluminium 8091
  • Stop aluminium 8093
  • PK 276

Zakłady produkcyjne

Kluczowymi światowymi producentami wyrobów ze stopów aluminium i litu są Arconic , Constellium i Kamensk-Uralsky Metallurgical Works .

  • Arconic Technical Center (Upper Burrell, Pensylwania, USA)
  • Arconic Lafayette (Indiana, USA); roczna wydajność 20 000 ton metrycznych (22 000 ton amerykańskich; 20 000 000 kg; 44 000 000 funtów) aluminium i litu oraz możliwość odlewania okrągłych i prostokątnych wlewków do zastosowań walcowanych, wytłaczanych i kutych
  • Arconic Kitts Green (Wielka Brytania)
  • Zakład Rio Tinto Alcan Dubuc (Kanada); pojemność 30 000 t (33 000 ton amerykańskich; 30 000 000 kg; 66 000 000 funtów)
  • Constellium Issoire (Puy-de-Dôme), Francja; roczna wydajność 14 000 t (15 000 ton amerykańskich; 14 000 000 kg; 31 000 000 funtów)
  • Kamieńsko- Uralskie Zakłady Metalurgiczne (KUMZ)
  • Aleris (Koblencja, Niemcy)
  • Korporacja FMC
  • Południowo-Zachodnie Aluminium (ChRL)

Zobacz też

Bibliografia

Bibliografia

Zewnętrzne linki