Al-Li계 합금

Al-Li계 합금

Li원소는 H, He원소 다음으로 가벼운 원소이다. 알루미늄중의 Li의 고용도는 601℃에서 4wt%근처이고 온도가 내려가면서 Li의 고용도는 점점 낮어지고 실온에서는 Li의 고용도가 1wt%이하로 되여 Al-Li합금은 석출경화형 초경량합금으로서 옛날부터 잘 알려졌다.

 

특히 Al-Li합금은 다른 석출경화형 합금과는 달리 준안정상의 Al3Li상이 알루미늄기지상과 정합계면(coherent interface)를 형성한다.

1970년대초의 오일쇼크이후 한층 더 경량화를 위한 요구가 크며, 특히 항공기산업에서 연료효율향상을 목적으로 Al-Li합금의 개발연구가 두드러졌다. Al-Li합금의 특징을 살펴보면 다음과 같은 장단점이 있다.

 

Al-Li합금의 장점은

(①) Li의 비중이 0.534로서 대단히 가벼운 합금이고

(②) LI2구조을 가지는 준안정상인 미세한 d'상(Al3Li)을 형성하여 고온강도의 개선과 탄성율의 향상이 있으며

(③) Zr원소의 미량첨가로 결정립미세화를 통하여 초소성의 특성도 가진다.

Al-Li합금의 단점으로는

(①) 용해시 Li의 산화와 열처리시 Li의 손실이 있어 제조상의 위험과 어려움이 있으며

(②) Li소재의 가격과 제조원가의 상승을 초래하고 Li첨가에 따라 인성이 감소한다.

이런 점을 극복하기 위한 연구가 1980년대에 활발히 진행되었으며, 특히 Alcoa, Alcan, Pechiney회사에서 여러 종류의 합금을 자체개발하여 Alithalite, Lital이라는 이름으로 통용되어 왔다.

 

현재 Al-Li-Cu-Zr계의 2090합금과 Al-Li-Cu-Mg-Zr계의 2091, 8090, 8091합금이 미국협회에 등록되어 있는 합금이며 이들 합금의 화학성분은 표1과 같다.

 

<표1. Al-Li계 합금의 화학조성>

2020, 2090, 2091, 8090, 8091합금들은 일반주조방법으로 제조하여 2024나 7075에 필적할 만 한 450-600MPa의 인장강도, 400-550MPa의 항복강도와 5-10%의 신율을 유지하면서 비중은 2.55정도로 기존 고강도알루미늄합금에 비해서 10%의 경량화를 하고자 하는데 목표를 두고 개발한 합금이다.

또한 Al-Li합금은 탄성율이 기존 알루미늄합금보다 10%이상 높고 크립과 내부응력부식균열성도 좋은 장점을 가진다.

 

그러나 용해주조기술이 곤란하고 연성이나 파괴인성이 떨어지는 단점도 있어 상용화에 어려움이 있다. 한편 회전분무법, 기계적합금화법, 분쇄용융방사리본법 등 분말야금방법으로 개발한 특수합금이 있다.

 

이합금은 비중을 2.55이하를 목표로 한 것으로 경량화를 더욱 높이고자 연구하였다. 그러나 Al-Li계 합금의 실용화를 위해서는 용해주조기술개발, 합금설계기술개발 및 리사이클링기술 등 해결하여야 할 점이 아직도 많다.

 

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