アルミニウム・リチウム合金

アルミニウム-リチウム合金（アメリカ、カナダ、フィリピンの英語ではaluminum–lithium alloys）（Al–Li 合金）は、アルミニウムとリチウムの合金で、多くの場合、銅とジルコニウムも含まれています。リチウムは元素金属の中で最も密度が低いため、これらの合金はアルミニウムよりもかなり密度が低くなります。市販の Al–Li 合金は、質量で最大 2.45% のリチウムを含んでいます。^{[ 2 ]}

リチウムとの合金化は、以下の3つの効果によって構造質量を低減させる。

変位

リチウム原子はアルミニウム原子よりも軽いため、リチウム原子1個が結晶格子からアルミニウム原子1個を置換し、格子構造は維持されます。アルミニウムにリチウムを質量比で1%添加するごとに、合金の密度は3%減少し、剛性は5%増加します。^{[ 2 ]}この効果は、アルミニウム中のリチウムの溶解度限界である4.2%まで続きます。

加工硬化

結晶に別の種類の原子を導入すると、格子に歪みが生じ、転位の発生を抑制するのに役立つ。その結果、より強度のある材料が得られ、使用量を減らすことができる。

析出硬化

適切に時効処理を行うと、リチウムは整合結晶構造を持つ準安定なAl _{3 Li相（δ'）を形成する。} ^{[ 3 ]}これらの析出物は、変形中の転位運動を阻害することで金属を強化する。しかし、析出物は安定ではないため、安定なAlLi（β）相の形成を伴う過時効を防ぐよう注意する必要がある。^{[ 4 ]}また、これにより、通常は粒界に析出物フリーゾーン（PFZ）が生成され、合金の耐食性が低下する可能性がある。 ^{[ 5 ]}

_{Al 3} Li と Al–Liの結晶構造は、 FCC 結晶系に基づいているものの、大きく異なります。Al ₃ Li は、単位格子の角にリチウム原子が存在する点を除けば、純アルミニウムとほぼ同じサイズの格子構造を示します。Al ₃ Li の構造は AuCu ₃、L1 ₂、または Pm 3 m ^{[ 6 ]}として知られており、格子定数は 4.01  Å です。^{[ 4 ]} Al–Li の構造は NaTl、B32、または Fd 3 m ^{[ 7 ]}構造として知られており、ダイヤモンド構造を仮定してリチウムとアルミニウムの両方で構成され、格子定数は 6.37  Å です。Al–Li の原子間隔 (3.19  Å) は、純リチウムまたはアルミニウムのいずれよりも小さいです。^{[ 8 ]}

Al-Li合金は、主に軽量性という利点から航空宇宙産業で注目されています。ナローボディ旅客機では、Arconic（旧Alcoa）は、複合材と比較して最大10%の軽量化を実現し、チタンや複合材よりも低コストで最大20%の燃費向上につながると主張しています。^{[ 9 ]}アルミニウム-リチウム合金は、ノースアメリカンA-5ビジランテ軍用機の翼と水平尾翼に初めて使用されました。その他のAl-Li合金は、エアバスA380の翼下面、エアバスA350の翼内構造、エアバスA220の胴体^{[ 10 ]}（合金は胴体の24%を占める）^{[ 11 ]} 、ボーイング777Xの貨物フロア^{[ 12 ]}、プラット・アンド・ホイットニーPurePowerギヤードターボファン航空機エンジンのファンブレードに使用されています。^{[ 13 ]}これらはまた、 SpaceXのファルコン9ロケットの燃料タンクと酸化剤タンク、フォーミュラワンのブレーキキャリパー、アグスタウェストランドEH101ヘリコプターにも使用されています。^{[ 14 ]}

アメリカのスペースシャトルの外部燃料タンクの3番目で最終バージョンは、主にAl-Li 2195合金で作られていました。^{[ 15 ]}さらに、Al-Li合金はアトラスVロケットのセントール前方アダプター^{[ 16 ]} 、オリオン宇宙船にも使用されており、計画されていたアレスIおよびアレスVロケット（中止されたコンステレーション計画の一部）にも使用される予定でした。

Al-Li合金は一般的に摩擦攪拌溶接で接合されます。ウェルダライト049などの一部のAl-Li合金は従来の方法で溶接できますが、この特性は密度の低下を伴います。ウェルダライト049は2024アルミニウムとほぼ同じ密度で、弾性率は5%高くなっています。Al -Liは幅220インチ（18フィート、5.6メートル）のロールでも製造されており、接合部の数を減らすことができます。^{[ 17 ]}

アルミニウム-リチウム合金は、一般的にアルミニウム-銅合金やアルミニウム-亜鉛合金よりも極限強度対重量比が優れているものの、圧縮下での疲労強度が低いという問題が残っており、2016年現在でも部分的にしか解決されていない。^{[ 18 ] [ 14 ]}また、高コスト（従来のアルミニウム合金の約3倍以上）、耐食性の低さ、圧延アルミニウム-リチウム製品の機械的特性の強い異方性により、用途が限られている。

Al-Li合金粉末は、自転車、テニスラケット、ゴルフクラブ、野球バットなどの軽量スポーツ用品の製造に使用されています。その高い強度と軽量化により、性能、速度、操縦性が大幅に向上します。^{[ 19 ] [ 20 ]}また、自動車産業では、ボディパネル、シャーシ部品、サスペンション部品としても使用されています。^{[ 21 ]}

アルミニウム-リチウム合金は、その元素組成から派生した正式な4桁の番号とは別に、主に最初に製造された時期に基づいて、また二次的にリチウム含有量に基づいて、特定の世代に関連付けられています。第1世代は、20世紀初頭の初期の背景研究から、20世紀半ばの最初の航空機への応用まで続きました。人気のある2024合金と7075合金を直接置き換えることを目的とした合金で構成される第2世代のAl-Liは、少なくとも2%の高いリチウム含有量を持っていました。この特性により密度が大幅に低下しましたが、特に破壊靭性においていくつかの悪影響が生じました。第3世代は、現在入手可能なAl-Li製品の世代であり、以前の2つの世代とは異なり、航空機メーカーに広く受け入れられています。この世代では、密度の低下をある程度維持しながら、これらの悪影響を軽減するために、リチウム含有量を0.75～1.8%に減らしています。^{[ 22 ]}第三世代のAl-Liの密度は、1立方センチメートルあたり2.63～2.72グラム（1立方インチあたり0.095～0.098ポンド）の範囲である。^{[ 23 ]}

アルミニウム・リチウム合金製品の主要な世界的な生産企業は、アルコニック、コンステリウム、カメンスク・ウラルスキー冶金工場である。

• アルコニック・テクニカルセンター（米国ペンシルベニア州アッパーバレル）^{[ 10 ]}
• Arconic Lafayette（米国インディアナ州）は、アルミニウム・リチウム合金の年間生産能力が20,000トン（22,000ショートトン、20,000,000kg 、44,000,000ポンド）^{[ 10 ]}であり、圧延、押出、鍛造用途向けの円形および長方形のインゴットを鋳造できる。  
• アルコニック・キッツ・グリーン（イギリス）
• リオ・ティント・アルカン・デュバック工場（カナダ）；生産能力：30,000トン（33,000ショートトン、30,000,000キログラム、66,000,000ポンド）   
• コンステリウム・イソワール（ピュイ＝ド＝ドーム県）、フランス；年間生産能力14,000トン（15,000ショートトン、14,000,000kg 、31,000,000ポンド）^{[ 10 ]}   
• カメンスク・ウラル冶金工場（KUMZ）
• アレリス（ドイツ、コブレンツ）
• FMCコーポレーション- FMCはリチウム部門をLiventとしてスピンオフし、Liventは現在（2024年）Arcadium（https://arcadiumlithium.com/）と合併しました。
• 西南アルミニウム（中国）

• アルミニウム合金
• マグネシウム・リチウム合金
• まぶしさ
• 炭素繊維強化プラスチック（CFRP）

• グルシュコ、オルガ；オフシャンニコフ、ボリス；オフチンノコフ、ヴィクトル（2016）。エスキン、DG（編）。アルミニウム-リチウム合金：プロセス冶金、物理冶金、および溶接。金属合金の進歩。第8巻。CRC Press /Taylor &  Francis Group。doi ：10.1201/9781315369525。ISBN 9781498737173OCLC 943678703​​ 
• Eswara Prasad, N.、Gokhale, Amol A.、Wanhill, RJH 編 (2014).アルミニウム-リチウム合金：加工、特性、および応用. Elsevier/Butteworth-Heinemann (2013年9月20日発行). doi : 10.1016/C2012-0-00394-8 . ISBN 978-0-12-401698-9OCLC 871759610​​ 

• 「ナローボディ旅客機において、アルミニウム・リチウム複合材は複合材に勝るのか？」 GLGニュース。2010年10月18日。2019年3月7日にオリジナルからアーカイブ済み。2019年3月7日にAirInsight Group, LLC経由で取得。