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アルミニウム-リチウム合金（Al-Li合金）は、アルミニウムとリチウムの合金であり、銅やジルコニウムも含まれることが多い。リチウムは最も密度の低い元素金属であるため、これらの合金の密度はアルミニウムよりも大幅に低い。市販のAl-Li合金には、最大2.45質量%のリチウムが含まれている。[1]
結晶構造
リチウムとの合金化により、次の 3 つの効果により構造質量が低減します。
- 変位
- リチウム原子はアルミニウム原子よりも軽いため、各リチウム原子は結晶格子からアルミニウム原子を1つ置き換えますが、格子構造は維持されます。アルミニウムにリチウムを1質量%追加すると、得られる合金の密度は3%減少し、剛性は5%増加します。[1]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%まで有効です。
- ひずみ硬化
- 結晶に別の種類の原子を導入すると、格子に歪みが生じ、転位をブロックするのに役立ちます。その結果、材料はより強くなり、使用量を減らすことができます。[引用が必要]
- 析出硬化
- リチウムは適切に時効処理されると、一貫性のある結晶構造を持つ準安定Al 3 Li相（δ'）を形成します。 [2]これらの析出物は、変形中に転位運動を妨げることで金属を強化します。ただし、析出物は安定ではないため、安定したAlLi（β）相の形成による過時効を防ぐように注意する必要があります。[3]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、合金の耐食性を低下させる可能性があります。 [4]
Al 3 Li と Al–Liの結晶構造は、 FCC 結晶系に基づいていますが、非常に異なります。Al 3 Li は、リチウム原子が単位格子の角に存在することを除いて、純粋な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 構造は AuCu 3、L1 2、または Pm 3 m [5]として知られており、格子定数は 4.01 Å です。[3] Al–Li 構造は NaTl、B32 、または Fd 3 m [6]構造として知られており、ダイヤモンド構造を想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、純粋なリチウムやアルミニウムよりも小さいです。[7]
使用法
Al-Li合金は、主にその重量上の利点のために航空宇宙産業で関心を集めています。Arconic（旧Alcoa ）は、ナローボディの旅客機では、複合材と比較して最大10％の軽量化が可能で、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。 [8]アルミニウム-リチウム合金は、ノースアメリカンA-5ヴィジランテ軍用機の主翼と水平安定板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の下翼外板、エアバスA350の内翼構造、ボンバルディアCシリーズの胴体[9]（合金が胴体の24％を占める）[10] 、ボーイング777Xの貨物床、[11] 、プラット・アンド・ホイットニーPurePowerギア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。[12]また、スペースXのファルコン9ロケットの燃料タンクや酸化剤タンク、F1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。[13]
アメリカのスペースシャトルの外部燃料タンクの3番目で最後のバージョンは、主にAl-Li 2195合金で作られました。[14]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にも使用され、[15]オリオン宇宙船にも使用され、計画されていたアレスIロケットとアレスVロケット（中止されたコンステレーションプログラムの一部）にも使用される予定でした。
Al-Li合金は、一般的に摩擦撹拌接合によって接合される。Weldalite 049などの一部のAl-Li合金は、従来の方法で溶接することができるが、この特性は密度の低下を伴い、Weldalite 049は2024アルミニウムとほぼ同じ密度を持ち、弾性率は5%高い。[要出典] Al-Liは、幅220インチ（18フィート、5.6メートル）のロールで生産され、接合部の数を減らすことができる。[16]
アルミニウム-リチウム合金は一般に、極限強度対重量比においてアルミニウム-銅合金やアルミニウム-亜鉛合金よりも優れているが、圧縮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。 [17] [13]また、高コスト（従来のアルミニウム合金の約3倍以上）、耐食性が低い、アルミニウム-リチウム圧延製品の機械的特性の異方性が強いなどの理由で、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。高強度と軽量化が相まって、パフォーマンス、スピード、操縦性が大幅に向上します。[18] [19]また、自動車業界ではボディパネル、シャーシ部品、サスペンション部品として使用されています。 [20]
アルミニウム-リチウム合金の一覧
元素組成に由来する正式な4桁の指定とは別に、アルミニウム - リチウム合金は、主に最初に製造された時期に基づいて、また二次的にその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。人気の高い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た第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世代は入手可能なAl-Li製品の現在の世代であり、前の2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、そ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％に減らしました。[21]第三世代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）の範囲です。[22]
第一世代の合金（1920年代～1960年代）
第2世代合金（1970年代～1980年代）
第3世代合金（1990年代～2010年代）
その他の合金
- 1424アルミニウム合金[34]
- 1429アルミニウム合金[35]
- 1441Kアルミニウム合金[34]
- 1445アルミニウム合金[34]
- V-1461アルミニウム合金[34]
- V-1464アルミニウム合金[34]
- V-1469アルミニウム合金[34]
- V-1470アルミニウム合金[34]
- 2094アルミニウム合金[30]
- 2095アルミニウム合金（ウェルダライト049）[9]
- 2097アルミニウム合金[30]
- 2197アルミニウム合金[30]
- 8025アルミニウム合金[30]
- 8091アルミニウム合金[30]
- 8093アルミニウム合金[30]
- CP 276 [9]
生産拠点
アルミニウム・リチウム合金製品の世界的主要生産者は、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す。
- 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）[9]
- アルコニック・ラファイエット（米国インディアナ州）年間2万メートルトン（2万2000ショートトン、2000万キログラム、4400万ポンド）のアルミニウム・リチウム鋳造能力[9]があり、圧延、押し出し、鍛造用途の丸型および長方形のインゴットを鋳造できる。
- アルコニック キット グリーン (イギリス)
- リオティント・アルキャン・デュバック工場（カナダ）; 生産能力 30,000 t（33,000 ショートトン、30,000,000 kg、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）、フランス、年間生産能力14,000トン（15,000ショートトン、14,000,000 kg、31,000,000ポンド）[9]
- カメンスク・ウラルスキー冶金工場(KUMZ)
- Aleris（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 に分離し、現在 (2024 年) は合併してArcadium (https://arcadiumlithium.com/)となっています。
- サウスウェストアルミニウム（中国）
参照
- アルミニウム合金
- マグネシウム・リチウム合金
- グレア
- 炭素繊維強化プラスチック（CFRP）
参考文献
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文献
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外部リンク
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