【正文】 鋰合金材料的成型、維修等比傳統(tǒng)鋁合金和復合材料更加方便，制造成本也比兩者也低很多表（）。這些因素都推動了鋁鋰合金的發(fā)展。目前，世界各國都十分重視研制和開發(fā)新型鋁鋰合金材料。在二十世紀八十年代，全世界范圍內掀起了鋁鋰合金研究的高潮，出現(xiàn)了許多型號的鋁鋰合金（）但由于鋁鋰合金的特殊應用背景，鋁鋰合金研究中的關鍵技術各國都高度保密。 鋁鋰合金相對于其它系列合金性能對比系列牌號彈性模量GPa抗拉強度MPa屈服強度MPa延伸率％ 密度g/mm3AlMgLF631415715AlCuLD1044135361474403506AlLi2195(美）765485481460（俄）80530—570460—500—12 幾種鋁鋰合金可制作的零部件合金型號可制作的零部件1450（2090）機翼前緣、副翼、襟翼、上機翼、機翼上不桁條、升降舵、座椅、發(fā)動機進氣道等1440（8090）下機翼、機翼下部桁條、方向舵、機身骨架、機身縱梁、橫梁、尾翼蒙皮等141423艙口蓋、地板、管道附件、支架支柱等 鋁鋰合金相對于其它材料的性能對比一般合金復合材料鋁鋰合金減重效果————綜合減重10—15％綜合減重5——7％材料成本14——6倍2——4倍屈服強度一般較好較好抗壓強度較好較差較好可維修性易于檢測，維修簡單不需專用工具較差維修工藝繼承性較好提高效率、降低成本的新工藝————纏繞鋪成技術、RTM、RFI等鋁鋰合金焊接技術、DCF損傷抑制部件、SR選擇性增強國內加工可實施性好一般較好抗雷擊能力一般較差一般 目前常見幾種鋁鋰合金的分類分類標準系別常見合金名稱按成分分類AlCuMgLi系2090、2098090、809014014weldalite094(2092092092195等)AlMgLi系0140142014201429AlLiCu系01450、0145014560性能中強度01401421高強度01450、01460、2090、209weldalite094耐損傷2098070原材料薄板、厚板、擠壓型材、鍛件等 鋁鋰合金的性能目前，俄羅斯、美國、歐洲等都投入大量財力物力進行鋁鋰合金研究，新型鋁鋰合金不斷被推出。，雖然它的一系列的優(yōu)點已初步顯現(xiàn)出了巨大的生命力，但是由于還有許多諸如性工藝、造價、回收再利用等問題的困擾而不能被廣泛的應用于工業(yè)上[16]。但是相信隨著制備工藝的日益完善、成本的降低、使用經(jīng)驗的積累，鋁鋰合金的商業(yè)化生產(chǎn)與應用必將達到新的高度。 鋁鋰合金的性能特點及發(fā)展鋁鋰合金的優(yōu)點（1） 適當降低材料的密度；（2） 更好的強度——韌性平衡；（3） 耐損傷、抗疲勞性能優(yōu)良；（4） 耐腐蝕性能優(yōu)良；（5） 熱穩(wěn)定性好；（6） 加工性能好，便于成型；（7）更高的性價比；鋁鋰合金存的缺點（1） 合金的各向異性問題較普通鋁合金嚴重；（2） 合金的韌性塑性比較差；強度比較低；（3） 大部分合金不可焊接，鉚接時缺口效應敏感；（4）熱曝露后韌性會快速下降；鋁鋰合金性能提搞的途徑（1） 微合金化；（2） 形變熱處理；（3） 純凈化；（4）再結晶；鋁鋰合金的發(fā)展方向（1） 超強、超韌性方向發(fā)展；（2） 超低密度方向發(fā)展；（3） 焊接性能得改善；（4） 各向異性的改善；（5）熱穩(wěn)定性的改善； 鋁鋰合金的生產(chǎn)鋁鋰合金相圖（）可以為鋁鋰合金的生產(chǎn)提供理論依據(jù)，比如相圖中的δ相具有固溶強化和沉淀強化作用，我們設計合金成分的時候就要盡量使鋰含量靠近這一區(qū)域。而銅、鎂、鋯等元素與鋁形成亞穩(wěn)定的強化相：θ’相、Tl相(A12CuLi)、S相 (A12CuMg)、δ’相(Al3Zr)，也具有一定的強化作用，并能提高鋁鋰合金的其塑性和韌性[4]。鋰是化學性質非?；钴S的元素之一，可以與水、氫氣、氧氣、氮氣等化合，甚至與氧化鋁、石墨等坩堝材料發(fā)生反應，所以鋁鋰合金的制備也有特殊要求。比如用熔煉法制備鋁鋰合金，則必須采用鐵坩堝并在保護氣體氣氛中進行，還需快速攪拌。若采用粉末冶金法，由于粉末易爆炸也需要惰性氣體保護。目前鋁鋰合金的制造方法主要有鑄錠冶金法、粉末冶金法、熔鹽點解法、噴射沉積成形法、模擬微重力冶金法等[16]。鑄錠冶金法（IM）仍然是現(xiàn)在的主流生產(chǎn)方法，主要是因為它沿用了鋁合金的生產(chǎn)方法，成本較低。優(yōu)點就是可以獲得較大尺寸的鑄錠，生產(chǎn)成本低。缺點是鋰的含量很低，現(xiàn)在美國的Alcoa、英國的Alcan、俄羅斯等都采用這個方法生產(chǎn)鋁鋰合金。粉末冶金法（PM）是利用高速空氣或者惰性氣體氣流霧化熔體金屬，冷卻速度高達106℃/s。優(yōu)點是成分均勻化，減少偏析，晶粒尺寸均勻，產(chǎn)品鋰含量可達3％，而且相對于鑄錠冶金法更安全。缺點是生產(chǎn)成本高，產(chǎn)品尺寸小。熔鹽點解法是將鋁當做陰極，含鋰的鹽溶液作為電解液，這樣就會在陰極上直接生成鋁鋰合金。這樣的生產(chǎn)方法的優(yōu)點是簡單、節(jié)能、無燒損。缺點是鋰容易在鋁表面聚集，造成成分不均勻，鋰密度小還有可能與陽極氣體發(fā)生二次反應。噴射沉積成形法的過程是利用惰性氣體Ar或者N2將熔體金屬霧化，霧化后的小顆粒會沉積在下面的錐形表面上。錐形表面是旋轉的，這樣就使得成分均勻并加快了冷卻。因為惰性氣體會隔絕空氣，所以能減少鋰的燒損。這種方法的優(yōu)點是產(chǎn)品具有一定的韌性、延展性、抗疲勞性等特點，缺點是成本太高。模擬微重力冶金法。在熔煉過程中由于合金元素的重力效應，會造成合金成分的不均勻。所以利用電磁設備模擬微重力環(huán)境可以減小重力引起的不均勻化。這種方法的優(yōu)點是可以大大提高合金中的Li含量。 AlLi二元合金相圖 研究方法及趨勢預測熱變形流變應力是材料在高溫下的塑性指標之一，在合金化學成分和內部結構一定的情況下，主要受變形溫度、變形程度和變形速率的影響。目前，在國內外通過研究熱變形流變應力來綜合反映合金在變形過程中的內部顯微組織演變和性能變化的方法已比較成熟，且被廣泛應用。比如西北工業(yè)大學的熊愛明等人對TC6鈦合金在變形溫度800 ℃～1040 ℃、得到TC6鈦合金最佳加工溫度為920～950℃[7]。同樣，中南大學的李英紅等人對AlCuLi系合金進行流變應力研究發(fā)現(xiàn)最合適的加工溫度為410～470℃[8]。周冰峰和沈建等人通過在Gleeble1500試驗機上發(fā)現(xiàn)7055了鋁合金流變應力隨著變形速率增大而增大，隨著溫度升高而降低的現(xiàn)象，并且可以得到本構方程及硬化指數(shù)n=、[9]。湖南大學郭強等人對鑄態(tài)AZ80 合金進行試驗，得到高溫壓縮真應力應變曲線呈現(xiàn)動態(tài)再結晶特征，溫度大于250℃流變應力對變形速率敏感，溫度小于250℃時影響不大[10]。因此對鋁鋰合金進行熱變形流變應力行為的研究是十分有必要的，所獲得的數(shù)據(jù)及結論可以為工業(yè)中鋁鋰合金材料的組織和性能的預測提供理論依據(jù)和指導。 研究方法本構關系就是材料的流變應力與宏觀熱力參數(shù)之間的函數(shù)關系,是聯(lián)系塑性加工過程中材料的動態(tài)響應與試驗方法熱力參數(shù)之間的媒介[11]。目前,國內外研究高溫下合金流變應力數(shù)學模型大多是利用Gleeble1500熱模擬試驗機。因此本論文也將采用Gleeble1500熱模擬試驗機進行試驗。首先選用一定成分的鋁鋰合金原料，機械加工成試樣后在熱模擬機上進行高溫等溫壓縮試驗，其中溫度、位移和位移速率由熱模擬機上的計算機控制。試驗測得合金在一定溫度一定變形速度下的流變應力后，用數(shù)學軟件Origin分析處理試驗數(shù)據(jù)[710]。 試驗目的（1）掌握Gleeble1500熱模擬機的簡單操作與編程，并了解其一般的應用。（2）掌握Gleeble1500熱模擬機測定材料的流變應力、屈服強度、抗拉強度等力學指標的原理。（3）通過試驗獲得鋁鋰合金在不同溫度和不同變形速率下的應力。（4）用Origin軟件分析試驗數(shù)據(jù)，繪制真應力真應變曲線。（5）分析變形條件對合金流變應力的影響規(guī)律。（6）構建合金熱變形本構方程。 趨勢預測預測鋁鋰合金在高溫壓縮熱變形試驗過程中流變應力首先會隨著變形量的增加而增大，到達最大值后會趨于穩(wěn)態(tài)或者降低。流變應力對變形速率為正敏感，即在同一變形溫度下流變應力會隨變形速率的增大而增大，隨著變形速率的減小而減小。在同一變形速率下流變應力隨變形溫度增高而降低。目前國家非常注重鋁鋰合金的研究，一般的鋁鋰合金產(chǎn)品采用的原料都是鑄態(tài)鋁鋰合金?；诖它c，本文將在此方面進行細致入微的研究，以期能為鑄態(tài)鋁鋰合金在后續(xù)的壓力加工領域提供必要的試驗數(shù)據(jù)和參考。第2章 試驗方法 試驗概述材料的力學性能在科學研究和工程應用中起著非常重要的作用。例如，數(shù)值模擬研究必須以力學性能為依據(jù)；負載結構的設計和材料加工工藝方案的制定必須以力學性能為參考。研究金屬材料力學性能的方法有很多，如拉伸、壓縮、沖擊、扭轉等。這些試驗方法在研究材料的塑性變形方面起到了非常重要的作用。溫度因素對材料的力學性能影響非常大，材料在熱加工或者在高溫條件下負載時要考慮材料在此高溫下的強度、塑性等重要力學性能指標。了解其測試方法及掌握其隨溫度的變化規(guī)律，是對高溫結構材料進行科學研究和應用的基礎。進行熱模擬試驗一般使用Gleeble1500熱模擬機，熱模擬試驗機是一個材料熱機械加工性能分析系統(tǒng),具有急(慢)速升溫降溫、急(慢)速拉壓變形、同時記錄應變、溫度、應力、力等參數(shù)變化曲線，可精確的模擬金屬材料的鑄造、冶煉、鍛壓、熱處理、成形及焊接工藝等各個制備階段的工藝與材料性能的變化之間的關系。 熱模擬試驗本文擬利用Gleeble1500熱模擬試驗機，對試樣進行高溫壓縮熱模擬試驗，得到鋁鋰合金在不同條件下的真應力應變曲線。分析變形溫度、應變速度、應變程度等因素對變形抗力的影響。通過分析計算可以得到在一定變形溫度和變形速率下的變形抗力。 Gleeble1500 介紹在最近幾十年，隨著熱力學模擬技術的發(fā)展，研究人員對熱模擬試驗裝置、試驗方法、測試技術等方面進行了大量的研究工作，研究范圍包括了材料科學與工程材料以及加工工程領域中的組織研究、性能研究、應力應變研究等。在所有的熱模擬試驗裝置中Gleeble動態(tài)熱力學模擬試驗機是一種應用最廣泛的熱力學模擬機，Gleeble第一臺樣機于1946年在美國倫塞勒工學院(RPI)誕生，并成立DSI?，F(xiàn)在經(jīng)過近幾十年的不斷修改與完善，已經(jīng)發(fā)成展為由計算機控制的電液伺服閉環(huán)系統(tǒng)。其六大組成部分分別是主機、控制柜、液壓源、計算機系統(tǒng)、急冷系統(tǒng)、真空系統(tǒng)。進行熱模擬試驗時試驗過程全部由計算機控制，但是如有需要也可以用手工控試驗進程，Gleeble動態(tài)熱力學模擬試驗機能模擬各種熱力學過程，是一種理想的動態(tài)試驗機，受到了各國研究人員的青睞，因此也有人也稱它為熱力學材料試驗機。 Gleeble1500構成 Gleeble1500熱模試驗機由很多部分組成（），但根據(jù)該設備的功能，可將它分為三個主要系統(tǒng)。 Gleeble1500結構方框圖（1）熱控制系統(tǒng)Gleeble1500該機采用電阻加熱系統(tǒng)（通過低頻電流加熱試樣），℃／s到10000℃／s。由于具有較小的集膚效應，因而整個加熱區(qū)徑向溫度梯度很小，中間部位溫度均勻。冷卻速度由沿試樣軸向的熱傳導來控制，它用閉環(huán)控制實現(xiàn)溫度的實時監(jiān)測與控制，是動態(tài)熱模擬的理想系統(tǒng)。（2） 力學控制系統(tǒng) Gleeble1500的機械系統(tǒng)是一個具有10噸靜態(tài)拉伸（壓縮）力的全集成液壓伺服控制系統(tǒng)（）。最快可以達到1000mm/s的移動速度。 熱模擬試驗機進行拉伸試驗（3）計算機控制系統(tǒng) G1eeble1500配置了實現(xiàn)全面數(shù)字控制。控制柜中的微機處理器與編程計算機通過網(wǎng)線交換信息，一方面，可以通過在臺式計算機上的Quiksim軟件中進行簡單的表格式編程來模擬試驗的基本工藝過程。另一方面，可同時顯示和控制溫度、載荷、應力、應變、位移等參數(shù)；試驗過程中，上述數(shù)據(jù)能在計算機中實時顯示，隨時檢測。試驗結束后，試驗的原始數(shù)據(jù)自動裝入Origin軟件中，試驗人員可對數(shù)據(jù)進行下一步處理[711]。 試樣準備，熔煉鑄造成錠坯。然后在520℃下對鑄錠進行24小時保溫進行均勻化處理。均勻化后沿鑄錠軸向方向，將試樣機械加工成Φ10mm15mm圓柱形（）。在試樣兩端開凹槽以存儲潤滑劑（75％石墨+20％機油+5％硝酸三甲苯脂）來減少摩擦力對應力狀態(tài)的影響。 試驗用鋁鋰