توسعه آلیاژهای فوق‌مستحکم آلومینیوم برای کاربردهای هوافضا

آلیاژهای آلومینیوم–لیتیوم (Al–Li)، به‌ویژه خانواده‌ی آلیاژهای سه‌تایی Al–Cu–Li، در دهه‌های اخیر به‌عنوان جدی‌ترین رقیب کامپوزیت‌های پلیمری تقویت‌شده در سازه‌های هوافضا مطرح شده‌اند. ترکیب منحصربه‌فرد چگالی پایین، مدول کشسانی بالا، استحکام بسیار زیاد، مقاومت خستگی مطلوب و جوش‌پذیری قابل قبول باعث شده است نسل سوم این آلیاژها (مانند 2050، 2060، 2195، 2197، 2199) به‌طور گسترده در بدنه، بال و اجزای اصلی هواپیماها به کار گرفته شوند.

در سال‌های اخیر، تمرکز پژوهش‌ها از سطح «آلیاژهای پرمقاومت» به سمت «آلیاژهای فوق‌مستحکم» (Ultra-high strength) با استحکام کششی بالاتر از حدود ۶۰۰ مگاپاسکال و حفظ شکل‌پذیری مناسب حرکت کرده است. یکی از مسیرهای مهم در این زمینه، همان‌طور که در کار اخیر Xie و همکاران (۲۰۲۴) در مجله Materials Science and Engineering A نشان داده شده، استفاده از ترکیب هوشمندانه‌ی آلیاژسازی با منیزیم در مقادیر نسبتاً بالا و فرآیندهای ترمومکانیکی دو مرحله‌ای شامل پیش‌کشش (Pre-stretching) و پیرسازی مصنوعی است.

در این مقاله تخصصی از دانشنامه آلومینیوم ایراک، ابتدا مبانی متالورژیکی آلیاژهای Al–Cu–Li و نقش عناصر آلیاژی Cu، Li، Mg و عناصر ریزآلیاژی مانند Sc، Zr، Ag و TiB₂ را مرور می‌کنیم، سپس با تکیه بر داده‌های پژوهش‌های جدید، به‌طور نظام‌مند به موارد زیر می‌پردازیم:

• سازوکارهای رسوب‌سختی (T₁، δ′، θ′، S′) و ارتباط آن‌ها با نسبت Cu/Li و حضور Mg،
• نقش پیش‌کشش در افزایش چگالی نابجایی‌ها و تنظیم رقابت رسوب‌ها،
• دستیابی به استحکام‌های بسیار بالا در کنار شکل‌پذیری قابل قبول،
• و در نهایت، الزامات طراحی و کاربرد این آلیاژها در ساختارهای هوافضایی مدرن.

1. چرا Al–Cu–Li برای هوافضا جذاب است؟

افزودن لیتیوم به آلومینیوم چند پیامد بنیادین دارد:

• کاهش چگالی: هر ۱ درصد وزنی Li حدوداً ۳٪ چگالی آلیاژ را کاهش می‌دهد.
• افزایش مدول الاستیک: همان ۱ درصد Li می‌تواند مدول یانگ را حدود ۶٪ افزایش دهد.

این ترکیبِ «سبک‌تر و سخت‌تر»، وقتی با استحکام بالای ناشی از رسوب‌سختی (به‌ویژه رسوبات T₁ = Al₂CuLi و δ′ = Al₃Li) همراه شود، آلیاژهای Al–Cu–Li را به گزینه‌ای ایده‌آل برای:

• پوسته و پانل‌های بدنه (Fuselage skins)،
• بال‌ها و پوسته‌ی بال (Wing skins)،
• اجزای سازه‌ای داخلی با نسبت استحکام به وزن بالا،

تبدیل می‌کند. در نسل سوم آلیاژهای Al–Li (سری ۲۰۰۰ اصلاح‌شده مانند 2050، 2060، 2195، 2197، 2199)، مشکلات تاریخی نسل‌های اول و دوم مانند ناهمسانگردی شدید، تردی عرضی، حساسیت بالا به خوردگی بین‌دانه‌ای تا حد زیادی کنترل شده است.

در عین حال، رقابت شدید با کامپوزیت‌های کربنی باعث شده است طراحان و متالورژیست‌ها در پی آلیاژهایی بروند که:

• استحکام کششی و تسلیم بسیار بالا،
• چقرمگی شکست مناسب و مقاومت خستگی خوب،
• و قابلیت کار در دماهای بالا (تا حدود ۲۰۰–۳۰۰ درجه سانتی‌گراد)

را هم‌زمان تأمین کنند.

۲. مبانی متالورژیکی آلیاژهای Al–Cu–Li

۲.۱. اثر لیتیوم (Li)

لیتیوم در فاز جامد آلومینیوم، به‌صورت محلول جامد و نیز در فاز رسوبی δ′ (Al₃Li) حضور دارد. پیامدهای اصلی افزودن Li عبارت‌اند از:

• کاهش چگالی و افزایش مدول؛
• تشکیل رسوبات ریز و هم‌محور δ′ که می‌تواند استحکام را بالا ببرد؛
• اما در صورت افزایش بیش از حد (معمولاً بالاتر از حدود ۲ درصد وزنی)، خطر افزایش تردی و کاهش چقرمگی وجود دارد.

به همین دلیل، در آلیاژهای Al–Cu–Li نسل جدید، محتوای Li معمولاً محدود و به‌دقت تنظیم می‌شود تا بین کاهش وزن و حفظ چقرمگی تعادل برقرار شود.

۲.۲. نقش مس (Cu) و نسبت Cu/Li

افزودن مس، پایه‌ی تشکیل رسوبات T₁ (Al₂CuLi) و θ′ (Al₂Cu) را فراهم می‌کند.

• فاز T₁ به‌صورت صفحات نازک روی صفحات {111}Al رسوب می‌کند و یکی از مؤثرترین رسوبات برای افزایش استحکام در آلیاژهای Al–Cu–Li است.
• فاز θ′ روی صفحات {100}Al تشکیل می‌شود و در آلیاژهای سنتی Al–Cu (مانند 2024) نقش اصلی را در رسوب‌سختی دارد.

نسبت Cu/Li، مسیر رسوب‌گذاری و نوع فاز غالب را تعیین می‌کند؛ انتخاب این نسبت باید طوری باشد که:

• حجم‌کسر مناسبی از T₁ ایجاد شود،
• تشکیل بیش از حد δ′ (که می‌تواند به تردی کمک کند) کنترل شود،
• و فازهای نامطلوب در مرزدانه‌ها (مستعد خوردگی بین‌دانه‌ای) حداقل گردد.

۲.۳. نقش منیزیم (Mg) و رسوبات S′

منیزیم یکی از عناصر کلیدی در طراحی آلیاژهای فوق‌مستحکم Al–Cu–Li است. طبق نتایج مطالعات مختلف، از جمله پژوهش Xie و همکاران، می‌توان نکات زیر را استخراج کرد:

• حضور Mg در حد حدود ۰٫۱–۰٫۲ درصد وزنی، مسیر رسوب‌گذاری را به‌شدت تغییر می‌دهد و تشکیل پیش‌رسوبات Cu–Mg را ممکن می‌کند؛
• این پیش‌رسوبات، هسته‌زایی رسوبات T₁ را تسهیل کرده و به افزایش حجم‌کسر این فاز کمک می‌کنند؛
• در مقادیر بالاتر Mg (مثلاً حدود ۰٫۴ تا ۰٫۸ درصد وزنی)، رقابت بین فازهای T₁ و S′ (Al₂CuMg) برجسته می‌شود؛ اگرچه ممکن است کمی از حجم‌کسر T₁ کاسته شود، اما افزایش اندازه‌ی T₁ و حضور S′ می‌تواند استحکام را همچنان در سطح بسیار بالا حفظ کند.

این «مهندسی رقابت رسوب‌ها» همان چیزی است که طراحی آلیاژهای فوق‌مستحکم Al–Cu–Li را از آلیاژسازی کلاسیک متمایز می‌کند.

۲.۴. فازهای رسوبی کلیدی

در مجموع، چهار خانواده‌ی اصلی از رسوبات در این آلیاژها بیشترین نقش را دارند:

• T₁ (Al₂CuLi): صفحات بسیار نازک روی {111}Al، مهم‌ترین منبع استحکام در بسیاری از آلیاژهای Al–Cu–Li.
• δ′ (Al₃Li): رسوبات شبه‌سازگار کروی/مکعبی؛ افزایش بیش از حد آن‌ها می‌تواند به تردی منجر شود.
• θ′ (Al₂Cu): رسوبات صفحه‌ای روی {100}Al؛ بیشتر در آلیاژهای Al–Cu کلاسیک غالب‌اند.
• S′ (Al₂CuMg): رسوبات سوزنی/میله‌ای؛ حضورشان به ترکیب Cu–Mg وابسته است و می‌تواند استحکام و رفتار خستگی را تحت تأثیر قرار دهد.

۳. نسل‌های آلیاژهای آلومینیوم–لیتیوم و جایگاه آلیاژهای Al–Cu–Li

۳.۱. مرور کوتاه نسل اول و دوم

• نسل اول (دهه ۱۹۸۰): آلیاژهایی مانند 2020، 2090؛ وزن پایین، اما مشکلاتی نظیر تردی عرضی، حساسیت بالا به خوردگی و جوش‌پذیری محدود داشتند.
• نسل دوم (دهه ۱۹۹۰): آلیاژهایی مانند 2091، 8090؛ بهبودهایی در خواص، اما هنوز مشکلاتی در ناهمسانگردی و شکل‌پذیری باقی بود.

۳.۲. نسل سوم: آلیاژهای بالانس‌شده برای هوافضا

نسل سوم آلیاژهای Al–Li با تمرکز بر:

• کاهش نسبی محتوای Li،
• بهینه‌سازی Cu، Mg، Zn، Mn، Zr، Sc و عناصر ریزآلیاژی،
• و طراحی متالورژیکی بر اساس رسوب T₁ و کنترل فازهای مرزدانه‌ای،

توانست ترکیب جذابی از استحکام، چقرمگی، جوش‌پذیری و مقاومت به خوردگی را فراهم کند. نمونه‌هایی از آلیاژهای متداول این نسل عبارت‌اند از: 2050، 2060، 2195، 2197، 2199.

جدول ۱ – نمونه‌ای از آلیاژهای Al–Li نسل جدید و کاربرد آن‌ها در هوافضا (اطلاعات به‌صورت کلی و ترکیبی از منابع)

۴. توسعه آلیاژهای فوق‌مستحکم Al–Cu–Li حاوی Mg بالا

۴.۱. فلسفه‌ی آلیاژسازی با Mg بالا

پژوهش‌های اخیر، از جمله کار Xie و همکاران (۲۰۲۴)، نشان داده‌اند که آلیاژهای Al–Cu–Li حاوی Mg در مقادیر نسبتاً بالا (در حد چند دهم درصد وزنی) می‌توانند با تنظیم مسیر رسوب‌گذاری به استحکام‌های بسیار بالا برسند. منطق اصلی این رویکرد:

1. Mg به‌عنوان فعال‌کننده‌ی رسوبات T₁ و S′:
   • حضور Cu–Mg کلاسترها مسیر رسوب‌گذاری را اصلاح کرده و هسته‌زایی T₁ را تسهیل می‌کند.
   • در عین حال، تشکیل S′ (Al₂CuMg) می‌تواند بخشی از استحکام را تأمین کند و رفتار خستگی را تحت تأثیر قرار دهد.
2. تعادل بین حجم‌کسر و اندازه‌ی رسوبات:
   • در Mg پایین، حجم‌کسر T₁ بالا اما اندازه کوچک است؛
   • در Mg بالاتر، ممکن است حجم‌کسر T₁ کمی کاهش یابد اما افزایش اندازه صفحات T₁ و حضور هم‌زمان S′، استحکام کلی را حفظ یا حتی افزایش می‌دهد.

۴.۲. نقش پیش‌کشش (Pre-stretching) در ایجاد چگالی بالای نابجایی‌ها

در آلیاژ مورد مطالعه‌ی Xie و همکاران، پس از عملیات محلول‌سازی و کوئنچ، نمونه‌ها تحت مقادیر مختلف پیش‌کشش (مثلاً ۰٪، ۳٪ و ۵٪) قرار گرفتند و سپس پیرسازی مصنوعی شدند. نتایج نشان داد:

• افزایش میزان پیش‌کشش → افزایش چگالی نابجایی‌ها و چرخش زیرساختارها → افزایش مکان‌های هسته‌زایی رسوبات؛
• کاهش زمان لازم برای رسیدن به پیک سختی (Peak aging) به‌واسطه‌ی تسریع رسوب‌گذاری؛
• افزایش استحکام تسلیم و کششی نسبت به تیمار T6 متداول (بدون پیش‌کشش)؛
• اما در پیش‌کشش‌های بسیار بالا، شکل‌پذیری ممکن است افت قابل توجهی پیدا کند.

بنابراین، طراحی فرآیند به جای «بیشترین پیش‌کشش ممکن»، بر یافتن پیش‌کشش بهینه متمرکز است که توازن مناسبی بین استحکام و چقرمگی فراهم کند.

۴.۳. رقابت رسوب‌ها: T₁ در برابر S′ و θ′

آنالیز ریزساختار (TEM، EBSD) در این آلیاژها نشان می‌دهد که:

• در حضور Mg و پیش‌کشش، نابجایی‌ها به‌عنوان سایت‌های هسته‌زایی ترجیحی برای رسوبات T₁ و S′ عمل می‌کنند؛
• با افزایش پیش‌کشش، چگالی رسوبات ریز T₁ در ماتریس افزایش یافته و فاصله بین آن‌ها کاهش می‌یابد؛
• افزایش بیش از حد S′ در برخی شرایط می‌تواند به ناهمگونی رسوبات و کاهش چقرمگی منجر شود؛
• نسبت بهینه‌ای از T₁/S′ حاصل می‌شود که در آن، هم استحکام بالا و هم شکل‌پذیری قابل قبول به دست می‌آید.

به‌طور کلی، کنترل دقیق ترکیب (Cu، Li، Mg، عناصر ریزآلیاژی) و پارامترهای ترمومکانیکی (درجه پیش‌کشش، دمای پیرسازی، زمان)، کلید رسیدن به خواص فوق‌مستحکم است.

۴.۴. خواص مکانیکی حاصل و «فوق‌مستحکم» بودن

مطالعات روی آلیاژهای Al–Cu–Li حاوی Mg و Sc نشان داده‌اند که:

• استحکام تسلیم در دمای اتاق می‌تواند به مقادیر بالاتر از ۶۰۰ مگاپاسکال برسد؛
• در برخی آلیاژهای طراحی‌شده برای بازه‌ی دمایی ۲۵ تا ۳۰۰ درجه سانتی‌گراد، استحکام تسلیم در ۳۰۰ درجه سانتی‌گراد نیز در حدود ۱۸۰–۲۰۰ مگاپاسکال باقی می‌ماند؛
• در شرایط بهینه، طول‌میزان (Elongation) هنوز در محدوده‌ی حدود ۸–۱۳٪ گزارش شده که برای آلیاژهایی با این سطح استحکام، قابل توجه است.

این خواص، آلیاژهای جدید Al–Cu–Li را به گزینه‌ای برای اجزای هوافضایی با بارگذاری شدید و محیط دمایی متغیر تبدیل می‌کند.

۵. نقش عناصر ریزآلیاژی: Sc، Zr، Ag، TiB₂ و…

پژوهش‌های اخیر تأکید می‌کنند که نقش عناصر ریزآلیاژی در آلیاژهای Al–Cu–Li فقط «تزئینی» نیست، بلکه در بسیاری موارد تعیین‌کننده‌ی کارایی نهایی است:

• Sc و Zr:
  • تشکیل ذرات پایدار Al₃(Sc,Zr) که به‌عنوان مراکز جوانه‌زنی دانه‌ها عمل می‌کنند؛
  • ریزدانه‌سازی و افزایش پایداری حرارتی رسوبات؛
  • بهبود استحکام در دماهای بالا و کاهش رشد دانه در حین عملیات حرارتی و سرویس.
• Ag:
  • تسهیل تشکیل رسوبات T₁ ریز و یکنواخت؛
  • بهبود رفتار خستگی و مقاومت به ترک‌خوردگی.
• TiB₂ و ذرات سرامیکی دیگر:
  • در برخی طراحی‌ها، برای اصلاح ساختار جوش و بهبود خواص جوش‌های لیزری و اصطکاکی به کار می‌روند؛
  • افزایش مدول، استحکام و مقاومت به شکست در ناحیه جوش.

در آلیاژ مورد مطالعه‌ی Xie نیز به نقش Sc اشاره شده است؛ هرچند تمرکز مقاله بر Mg و پیش‌کشش است، اما حضور Sc در پس‌زمینه‌ی ریزساختار، به ریزدانه‌سازی و پایداری رسوبات کمک می‌کند.

۶. کاربردهای هوافضایی آلیاژهای فوق‌مستحکم Al–Cu–Li

۶.۱. پوسته‌ی بدنه و بال

برای پوسته‌ی بدنه و بال، ترکیب زیر اهمیت دارد:

• استحکام کششی و تسلیم بالا برای تحمل بارهای خمشی و فشاری؛
• چقرمگی شکست و مقاومت خستگی مناسب برای جلوگیری از رشد ترک در طول عمر هواپیما؛
• سبکی برای کاهش مصرف سوخت و افزایش ظرفیت حمل.

آلیاژهایی مانند 2050، 2195، 2197 و 2199 با ریزساختار بهینه‌ی T₁ و δ′ و مهندسی دقیق Cu/Li/Mg، به همین دلیل در بخش‌های مختلف پوسته به کار گرفته شده‌اند.

۶.۲. اجزای دما بالا (تا ۲۰۰–۳۰۰°C)

در محیط‌هایی مانند نزدیک موتور، یا سازه‌های هواپیما و فضاپیما که ممکن است تا ~۳۰۰°C گرم شوند، حفظ استحکام در دماهای بالا مهم است. آلیاژهای جدید Al–Cu–Li–Sc با طراحی خاص رسوبات T₁ و ریزدانه‌سازی، پایداری استحکام را در بازه‌ی ۲۵–۳۰۰°C حفظ می‌کنند.

۶.۳. جوش‌پذیری و فناوری‌های اتصال

آلیاژهای Al–Cu–Li نسل جدید برای سازگاری با فناوری‌هایی مانند:

• Friction Stir Welding (FSW)،
• Laser Beam Welding (LBW)،
• و ترکیب آن‌ها با ذرات TiC و TiB₂ برای کنترل ساختار جوش،

طراحی شده‌اند. این موضوع امکان استفاده‌ی گسترده‌تر از این آلیاژها در مخازن سوخت، اجزای فضایی و ساختارهای پیچیده با درزهای طولانی جوش را فراهم کرده است.

۷. چالش‌ها و افق‌های آینده

با وجود پیشرفت‌های چشم‌گیر، چند چالش کلیدی در مسیر توسعه و صنعتی‌سازی گسترده‌ی آلیاژهای فوق‌مستحکم Al–Cu–Li وجود دارد:

1. هزینه‌ی بالای آلیاژسازی و عناصر ریزآلیاژی (Sc، Ag، TiB₂ و …)؛
2. کنترل دقیق فرآیندها (پیش‌کشش، پیرسازی چندمرحله‌ای، عملیات ترمومکانیکی پیچیده) در مقیاس صنعتی؛
3. حساسیت به شرایط جوش و عملیات حرارتی موضعی؛
4. نیاز به مدل‌سازی پیشرفته‌ی رسوب‌گذاری چندفازی و شبیه‌سازی چندمقیاسی برای طراحی آلیاژهای جدید؛
5. ادغام این آلیاژها با فناوری‌هایی مثل ساخت افزایشی (Additive Manufacturing)، که نیازمند درک جدیدی از رفتار رسوب‌ها در شرایط انجماد و سیکل‌های حرارتی غیرمعمول است.

در عین حال، فرصت‌های جذابی هم در افق دیده می‌شود:

• توسعه‌ی آلیاژهای Al–Cu–Li–Mg–Sc با قابلیت کار در بازه‌ی دمایی وسیع؛
• ترکیب این آلیاژها با طراحی‌های توپولوژیک و ساخت افزایشی برای کاهش بیشتر وزن؛
• و پیوند میان «آلیاژهای فوق‌مستحکم» با استراتژی‌های بهره‌وری مواد (Material Efficiency) و آلومینیوم کم‌کربن در چارچوب اقتصاد چرخشی.

نتیجه‌گیری

آلیاژهای Al–Cu–Li نسل جدید، با تمرکز بر رسوب T₁ و مهندسی دقیق ترکیب Cu/Li/Mg و عناصر ریزآلیاژی، نشان داده‌اند که می‌توانند به استحکام‌های بالاتر از ۶۰۰ مگاپاسکال در کنار شکل‌پذیری قابل قبول دست یابند؛ چیزی که برای بسیاری از کاربردهای هوافضایی ایده‌آل است.

کار اخیر Xie و همکاران و پژوهش‌های مرتبط نشان می‌دهند که:

• افزودن Mg در مقادیر به‌دقت تنظیم‌شده مسیر رسوب‌گذاری را به نفع T₁ و S′ تغییر می‌دهد؛
• پیش‌کشش کنترل‌شده و پیرسازی مناسب می‌تواند چگالی نابجایی و رسوبات را طوری تنظیم کند که استحکام و چقرمگی در سطحی بی‌سابقه متعادل شوند؛
• و عناصر ریزآلیاژی مانند Sc، Zr، Ag و TiB₂، ابزارهای ظریفی برای ریزدانه‌سازی، کنترل رسوب‌ها و بهبود جوش‌پذیری به‌دست می‌دهند.

با توجه به این روند، می‌توان انتظار داشت که در نسل‌های آتی سازه‌های هواپیما، فضاپیما و سامانه‌های پرتاب، آلیاژهای فوق‌مستحکم Al–Cu–Li نقش پررنگ‌تری در کنار کامپوزیت‌ها ایفا کنند؛ به‌ویژه در جاهایی که ترکیب سبکی، استحکام، دماکاری و جوش‌پذیری در کنار هزینه‌ی قابل قبول، تعیین‌کننده است.

فهرست منابع (با لینک مستقیم)

1. Xie, Y., Liu, S., Guo, X., Deng, Y. (2024).
   Development of ultra-high strength Al–Cu–Li alloys containing high Mg through the combination of pre-stretching and age-hardening.
   Materials Science and Engineering A, 896, 146289.
   
2. Hajjioui, E. A., et al. (2023).
   A review of manufacturing processes, mechanical behaviour and applications of Al–Li alloys.
   Heliyon, 9(2), e13352.
   
3. Li, C., et al. (2025).
   Effect of Cu/Li Ratio on Mechanical Properties and Precipitation Behavior of Al–Cu–Li Alloys.
   Materials, 18(10), 2254.
   
4. Xu, X., et al. (2025).
   Ameliorating the microstructure and mechanical properties of Al–Cu–Li-based alloys.
   
5. Hao, X., et al. (2024).
   Achieving high strength of Al–Cu–Li–Sc alloy over wide temperature range from 25 °C to 300 °C.
   Materials Science and Engineering A.
   
6. Li, S.-S., et al. (2023).
   Development and applications of aluminum alloys for aerospace industry.
   China Foundry / J. Magnesium and Alloys (review on Al alloys in aerospace).
   
7. Total Materia – Technical Article.
   Amazing Aluminum–Lithium Alloys: Part Two.
   
8. Qingyuan, X., et al. (2024).
   Research progress and development tendency of ultra-high strength aluminum alloys.
   Journal of Materials Science & Technology (via SciOpen).

به اطلاعات تخصصی بیشتری نیاز دارید؟
با ما تماس بگیرید تا درباره‌ی راهکارهای خلاقانه در صنعت آلومینیوم اطلاعات بیشتری کسب کنید.