آلیاژهای آلومینیوم و لیتیم

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد

آلیاژ های آلومینیوم و لیتیم(Al-Li) یک دسته از آلیاژ هستند که متشکل از آلومینیوم و لیتیم می باشند.در این آلیاژ ها معمولاً از مس و زیرکونیم هم استفاده می شود. از آنجایی که لیتیم کمترین چگالی در بین عناصر فلزی را دارد، این آلیاژ ها از خود فلز آلومینیوم چگالی کمتری دارند.آلیاژ های آلومینیم و لیتیم تجاری معمولاً حدود ۲٫۴۵ درصد وزنی لیتیم دارند.[۱]

ساختار کریستالی

آلیاژ سازی با لیتیم به سه دلیل می تواند وزن را کم کند:

نابجایی

یک اتم لیتیم سبک تر از یک اتم آلومینیوم است و هر اتم لیتیم می تواند جای اتم آلومینیم را در ساختار کریستالی بگیرد و شکل ساختار کریستال تقریباً ثابت بماند.هر یک درصد وزنی که لیتیم به آلومینیم اضافه می شود، به اندازه ی ۳ درصد چگالی آلیاژ کاهش پیدا می کند و ۵ درصد سفتی افزایش می یابد.[۱] این تاثیرات تا حد حلالیت لیتیم در آلومینیم یعنی ۴٫۲ درصد ادامه دارد.

کرنش سختی

در اثر کرنش وارد شده به قطعه مرز دانه ها مانع حرکت نابجایی ها می شوند و این باعث افزایش استحکام می شود.

پیر سختی

وقتی آلیاژ به درستی پیر سخت شده باشد، لیتیم یک فاز Al۳Li هم سیما با ساختار کریستالی ایجاد می کند.[۲] این رسوب ها استحکام قطعه را با مانع شدن از حرکت نابجایی ها در حین تغییر شکل، افزایش می دهند. این رسوبات پایدار نیستند و باید دقت کرد که آلیاژ بیش از پیر سخت نشود چون یک فاز پایدار AlLi درست می شود.[۳] این پدیده باعث ایجاد نواحی خالی از رسوب می شود که معمولاً در مرز دانه ها رخ می دهد وباعث کاهش مقاوت به خوردگی قطعه می شوند.[۴]

ساختار کریستالی Al۳Li و Al-Li با اینکه هر دو وجوه‌مرکزپر FCC است ولی دارای تفاوت های بسیاری هستند.Al۳Li از نظر اندازه یک ساختار کریستالی تقریباً شبیه آلومینیوم خالص دارد، با این تفاوت که لیتیم در گوشه های سلول واحد هستند.ساختار کریستالی Al۳Li شبیه ساختار AuCu۳ [۵] و دارای پارامتر کریستالی ۴٫۰۱ Å است.[۳] ساختار کریستالی Al-Li شبیه ساختار NaTl است و دارای پارامتر کریستالی ۶٫۳۷ Å است.[۶] فاصله بین اتمی در Al-Li کمتر از همین فاصله در آلومینیم و لیتیم خاص است.[۷]

کاربردها

آلیاژ های آلومینیوم و لیتیم به دلیل کاهش وزن در صنعت فناوری هوافضا مورد استقبال است. در هواپیمای باریک پیکر، آلکوا توانست با استفاده از این آلیاژ ، ۱۰ درصد وزن هواپیما را کم کرد و ۲۰ درصد روند سوخت را بهتر کرد.[۸] آلیاژ های آلومینیوم و لیتیم در مرحله اول در بال و پایدار کننده ی عمودی جنگنده ی نورث امریکن ای-۵ ویجلانت به کار رفت. آلیاژ های دیگر آلومینیوم و لیتیم در بدنه داخلی بال هواپیما ایرباس ای۳۸۰ و قطعات داخل بال ایرباس ای۳۵۰ و بدنه ایرباس ای۲۲۰ به کار رفت.[۹] قسمت بار بوئینگ ۷۷۷ایکس از این آلیاژ ها ساخته شده.[۱۰] این آلیاژ ها در مخزن سوخت و اکسید فضا پیما فالکن ۹ از شرکت اسپیس‌اکس هم به کار رفته اند.[۱۱]

در سومین و آخرین مخزن خارجی شاتل فضایی ایالات متحده آمریکا هم از آلیاژ آلومینیوم ۲۱۹۵ استفاده شده است.[۱۲]

آلیاژ های آلومینیوم و لیتیم معمولاً با جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی وصل می شوند. آلیاژهای آلومینیوم و لیتیم به صورت ورق هایی با عرض 5.6 متر هم نورد می شوند که این حجم باعث کاهش اتصالات هم می شود.[۱۳]

با اینکه آلیاژ های آلومینیوم و لیتیم نسبت به آلیاژ های آلومینیوم و مس و آلیاژ های آلومینیوم و روی نسبت استحکام به وزن بالاتری دارند ولی از نظر استحکام خستگی به شدت دچار ضعف هستند.تا حدودی این مشکل در سال ۲۰۱۶ میلادی برطرف شد ولی نه به صورت کامل.[۱۴] قیمت بالا (حدود ۳ برابر دیگر آلیاژ های تجاری آلومینیوم)، مقاومت به خوردگی ضعیف و میزان ناهمسان‌گردی بالا در خواص مکانیکی ورق های نورد شده باعث کم بودن استفاده از این آلیاژ در صنایع متفاوت می باشد.

لیست آلیاژ های آلومینیوم و لیتیم

جنرال داینامیکس اف-۱۶ فایتینگ فالکن که در آن از آلیاژ ۲۲۹۷ و ۲۳۹۷ به کار رفته
نورث امریکن ای-۵ ویجلانت که در آن از آلیاژ ۲۰۲۰ به کار رفته

علاوه بر اینکه هر آلیاژ آلومینیوم را با چهار عدد اصلی شناسایی می کنند، یک آلیاژ آلومینیوم و لیتیم دارای نسل های متفاوتی است که براساس زمان اولین بار که تولید شده و میزان لیتیم موجود در آن طبقه بندی می شود. نسل اول از اولین پژوهش های انجام شده بر روی این زمینه در اوایل قرن بیست میلادی آغاز شد، تا اولین کاربرد این آلیاژ در هواپیما به طول انجامید. نسل دوم به این منظور تولید شد که دقیقاً جای آلیاژ آلومینیوم ۷۰۷۵ و آلیاژ آلومینیم ۲۰۲۴ را بگیرد. این نسل میزان لیتیم بالایی در خود جای می داد (حداقل ۲ درصد) که این باعث کاهش چگالی می شد ولی نتایج منفی از جمله کاهش چقرمگی شکست را به دنبال خود داشت. نسل سوم که نسل کنونی می شود قابل توجه بسیاری از شرکت های هواپیما سازی قرار گرفته.(برعکس دو نسل قبل)این نسل حدود 0.75 تا 1.8 درصد لیتیم دارد و این میزان هم باعث کاهش چگالی و هم خواص منفی را کمتر می سازد.[۱۵] چگالی آلیاژ های نسل سوم بین ۲٫۶۳ تا ۲٫۷۲ گرم بر سانتی متر مکعب است.[۱۶]

نسل اول (۱۹۲۰-۱۹۶۰ میلادی)

آلیاژ های نسل اول [۱۵][۱۷]
سریال آلیاژ کاربرد
۱۲۳۰ (VAD۲۳) توپولف تو-۱۴۴
۱۴۲۰ بدنه و مخزن سوخت میگ-۲۹،بدنه ی سوخو-۲۷، توپولف تو-۱۵۵، توپولف تو-۲۰۴، توپولف تو-۳۳۴، یاکوولف یاک-۳۸ و یاکوولف یاک-۳۶
۱۴۲۱
۲۰۲۰ بال های افقی و عمودی نورث امریکن ای-۵ ویجلانت

نسل دوم(۱۹۷۰-۱۹۸۰ میلادی)

آلیاژ های نسل دوم[۱۵][۱۷]
سریال آلیاژ کاربردها
۱۴۳۰
۱۴۴۰
۱۴۴۱
۱۴۵۰ آنتونوف ای‌ان-۱۲۴ و آنتونوف-۲۲۵
۱۴۶۰ فضا پیما DC-X مک‌دانل داگلاس، توپولف تو-۱۵۵
۲۰۹۰ (جایگزین آلیاژ آلومینیوم ۷۰۷۵ ) لبه حمله ایرباس ای۳۳۰ و ایرباس ای۳۴۰
۲۰۹۱ (CP ۲۷۴)[۱۸] (جایگزین آلیاژ آلومینیم ۲۰۲۴ ) در های ورودی فوکر اف۲۸ فلوشیپ و فوکر ۱۰۰ [۱۹]
۸۰۹۰ (CP ۲۷۱) (جایگزین آلیاژ آلومینیم ۲۰۲۴ ) لبه حمله ایرباس ای۳۳۰ و ایرباس ای۳۴۰

نسل سوم (۱۹۹۰ میلادی - زمان حال)

آلیاژ های نسل سوم
سریال آلیاژ کاربرد ها
۲۰۵۰ [۲۰] اریز ۱ و ایرباس ای۳۵۰ و ایرباس ای۳۸۰
۲۰۵۵
۲۰۶۰ (C۱۴U)
۲۰۶۵
۲۰۷۶
۲۰۹۶
۲۰۹۸
۲۰۹۹ (C۴۶۰) ایرباس ای۳۸۰ و بوئینگ ۷۸۷ دریم‌لاینر
۲۱۹۵ اریز ۱
۲۱۹۶ ایرباس ای۳۸۰
۲۱۹۸ ایرباس ای۳۵۰ و فالکن ۹
۲۱۹۹ (C۴۷A)
۲۲۹۶
۲۲۹۷ جنرال داینامیکس اف-۱۶ فایتینگ فالکن
۲۳۹۷ جنرال داینامیکس اف-۱۶ فایتینگ فالکن
Al–Li TP–۱
C۹۹N


جستارهای وابسته

آلیاژهای آلومینیوم

آلومینیوم

لیتیم

فلزات سبک

منابع

  1. ۱٫۰ ۱٫۱ Joshi, Amit. "Lithium aluminium alloys–the new generation aerospace alloys." Indian Institute of Technology Bombay (2005).
  2. Starke, E. A.; Sanders, T. H.; Palmer, I. G. (20 December 2013). "New Approaches to Alloy Development in the Al–Li System". JOM: The Journal of the Minerals, Metals & Materials Society (published August 1981). 33 (8): 24–33. doi:10.1007/BF03339468. ISSN 1047-4838. OCLC 663900840
  3. ۳٫۰ ۳٫۱ Mahalingam, K., et al. "Coarsening of δ′(Al3Li) precipitates in binary al-li alloys." Acta metallurgica 35.2 (1987): 483-498.
  4. Jha, S. C., T. H. Sanders Jr, and M. A. Dayananda. "Grain boundary precipitate free zones in Al-Li alloys." Acta Metallurgica 35.2 (1987): 473-482.
  5. "Crystal Lattice Structures: The Cu3Au (L12) Structure". Naval Research Laboratory (NRL) Center for Computational Materials Science. 21 October 2004. Archived from the original on 6 April 2010.
  6. "Crystal Lattice Structures: The NaTl (B32) Structure". Naval Research Laboratory (NRL) Center for Computational Materials Science. 17 February 2007. Archived from the original on 12 June 2011.
  7. Kishio, K., and J. O. Brittain. "Defect structure of β-LiAl." Journal of Physics and Chemistry of Solids 40.12 (1979): 933-940.
  8. Lynch, Kerry (8 August 2017). "FAA Issues Special Conditions for Global 7000 Alloy". Aviation International News. Archived from the original on 11 August 2017. Retrieved 7 March 2019.
  9. Djukanovic, Goran (5 September 2017). "Aluminium-Lithium Alloys Fight Back". Archived from the original on 23 November 2017. Retrieved 7 March 2019.
  10. "Alcoa Wins Fourth Boeing Contract in String of Recent Deals" (Press release). 28 January 2016. Archived from the original on 7 March 2019. Retrieved 7 March 2019
  11. "MEE433B: Aluminium-Lithium Alloys". Queen's University Faculty of Applied Science. Archived from the original on 6 August 2004.
  12. "NASA Facts: Super Lightweight External Tank" (PDF) (Press release). Huntsville, Alabama: National Aeronautics and Space Administration (NASA) Marshall Space Flight Center. April 2005. Archived (PDF) from the original on 4 January 2006
  13. "Lighter, Stronger and Bigger Than Ever: Arconic helps builds the future of aviation with advanced aluminum-lithium". Archived from the original on 15 April 2017. Retrieved 7 March 2019.
  14. ZHU, Xiao-hui, et al. "Effect of Mg and Zn elements on the mechanical properties and precipitates in 2099 alloy." Proceedings of the 12th International Conference on Aluminum Alloys (ICAA12). The Japan Institute of Light Metals Yokoha, Japan, 2010.
  15. ۱۵٫۰ ۱۵٫۱ ۱۵٫۲ "The Evolution of Al-Li Base Products for Aerospace and Space Applications
  16. Eswara Prasad, Gokhale & Wanhill 2014; Chapter 15: Aerospace applications of aluminum-lithium alloys
  17. ۱۷٫۰ ۱۷٫۱ Grushko, Ovsyannikov & Ovchinnokov 2016; Chapter 1: Brief history of aluminum-lithium alloy creation
  18. Prasad, N. Eswara, A. A. Gokhale, and P. Rama Rao. "Mechanical behaviour of aluminium-lithium alloys." Sadhana 28.1-2 (2003): 209-246.
  19. Vaessen, G. J. H., C. Vantilborgh, and H. W. Vanrooijen. "Fabrication of Test-Articles From Al--Li 2091 for Fokker 100." CLAIMER NOTICE (1989).
  20. Constellium (2 October 2012). Constellium AIRWARE® Technology