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鋁合金材料發展現狀、趨勢及展望

發布時間:2020-11-16

飛機、航天、艦船等領域的一些輕量化關鍵部件上,鋁合金材料具有不可替代性。而國內絕大部分鋁合金材料屬于中低端產品,生產能耗高、效率低、成本高、附加值低,惡性競爭的情況難以得到改變,且部分高端產品仍需從國外高價購買,這無疑阻礙了我國制造業升級的步伐。我國雖在通信、高鐵等領域具有顯著優勢,但隨著國際形勢錯綜復雜地變化,關鍵材料領域被卡脖子的風險日漸突出,自主創新迫在眉睫。在新的產業形勢下,發展高端鋁合金材料綠色化、智能化的制備與加工技術對支撐我國關鍵制造業的可持續優質發展具有重大戰略意義。


一、國內外鋁合金材料發展及研究現狀


(一)國外鋁合金材料發展及研究現狀


總體來看,工業發達國家鋁合金材料開發與應用的歷史時間長,基礎好,研究積累雄厚,鋁合金材料體系系統性強,產業技術水平較高。尤其是美國、俄羅斯等工業強國較早開展了鋁合金材料的研發工作,申請了大量的鋁合金牌號,廣泛應用于汽車、船舶、空天等領域,現已形成了一定程度的專利霸權。


在汽車領域,鋁合金是實現汽車輕量化的重要材料。在2XXX系鋁合金方面,美國的雷伊路菲公司和法國的西貝內公司相繼開發了2036-T4、AU2G-T4鋁合金板材,用于汽車車身。在5XXX系鋁合金方面,美國鋁業公司(ALCOA)開發了X5085-O、5182-O等鋁合金,用于車身內板。在6XXX系鋁合金方面,美國研制了6009和6010車身鋁合金板。挪威海德魯鋁業公司在2018年開發了HHS360合金,抗拉強度比6082合金提高了10.8%,達到360N/mm2,伸長率達到10%;之后,該公司又在此基礎上開發了HHS400合金,抗壓強度達到400N/mm2,屈服強度≥370N/mm2,伸長率為8%,主要應用于汽車制造。美國的肯聯鋁業公司開發了HSA6系列合金,其中HSA6-T6合金擠壓型材的最低屈服強度為370N/mm2,而最低抗拉強度為400N/mm2,與采用傳統鋁合金材料制造的全鋁汽車質量相比,可減重30%以上。目前,國外先進鋁加工企業致力于開發低成本的汽車板。印度的諾貝麗斯鋁業公司已經推出AdvanzTM系列合金Ac5754R,進一步減輕了汽車重量。該公司還與捷豹路虎汽車有限公司合作開發了具有優異成形和卷邊性能的AC-170PX鋁合金,用于汽車覆蓋件外板。而美國的奧科寧克公司成功開發了新一代汽車板生產設備與工藝“Micro-Mill”技術,極大地提升了汽車車身和覆蓋件用鋁板的性能,綜合性能提升20%,成本降低30%。目前,在汽車車身板領域,應用最多的為6082鋁合金,在前后防撞梁上較多企業嘗試使用6XXX系或7XXX系擠壓型材來制備。在船舶領域,鋁合金在船舶上的應用逐漸擴大。國外發展較早。迄今為止,主要是5XXX系和6XXX系鋁合金,分別用于船殼體和船上建筑。在變形鋁合金方面,主要有:美國的5086、5456合金,日本的5083合金,英國的N8(5083)合金,前蘇聯的AMr6(5A06)、AMr61、B48-4(01980)、K48-1、K48-2合金。俄羅斯研制了含鈧(0.1%~0.3%)的高強度Al-Zn-Mg系合金(如01970、01975合金等)。在鑄造鋁合金方面,主要有:蘇聯的BAП5、AП4M(ZL111)、AП8(ZL301)、AП13、AП25、AП27合金,美國的356(ZL101)、SEM328(ZL106)、514(ZL302)、515、518(YL302)、520(ZL301)、X250合金等。目前船舶領域對鋁合金材料的使用仍然以5083合金以及其改進型合金為主,充分利用其耐腐蝕性能、焊接性能、易成形性能以及力學性能的綜合優勢。


在空天領域,現代空天用鋁材朝著高綜合性能、低密度、大規格、高均勻性和功構一體化方向發展。針對2XXX系鋁合金,美國鋁業公司和法國鋁業公司開發了具有高強高損傷容限的2026和2027合金,其擠壓件(厚度為12~82mm)和板材(厚度為12~55mm)比2024合金分別提高20%~25%和10%。在7XXX系鋁合金方面,美國鋁業公司、法國鋁業公司以及德國愛勵鋁業公司開發了具有低淬火敏感性的高強韌鋁合金:7085、7140、7081。在超高強鋁合金方面,法國鋁業公司開發了7056-T79/T76合金,已用于A380飛機翼壁板等。在Al-Li合金方面,俄羅斯開發了1460合金,美國開發了Weldlite系列合金和2097、2197、2195鋁鋰合金。美國肯聯鋁業公司開發了低密度、高韌性和高損傷容限性能的2050和2198合金(Al-Cu-Li-Mg-Ag)。2010年,美國肯聯鋁業公司為Al-Cu-Li系合金注冊了Airware商標。目前空天領域對鋁合金材料的需求主要集中在高強度的2XXX和7XXX系合金,以及密度較低的鋁鋰合金。


(二)國內鋁合金材料發展及研究現狀


“十三五”以來,我國鋁材生產能力和技術水平取得了巨大進步,2019年鋁材產量達到5.252×107t,居世界首位。我國自主研發了LC4、LC9、LY12、2A12、2A16、7A04、7B04、7A50、7B50等系列鋁合金,建立了第一代、第二代、第三代鋁合金材料加工技術體系。近年來,我國自行研制的新型高強韌鑄造鋁合金、第三代鋁鋰合金、高性能鋁合金型材的性能均達到國際先進水平。目前,具有我國知識產權的部分鋁合金材料已經應用于汽車、船舶、空天等領域。


在汽車領域,我國的鋁合金汽車板已初具規?;a能力,但成熟產品僅限6016與5182牌號,其他牌號仍未具備批量供貨能力。


在船舶領域,我國近些年來開發的可以商業化應用的船用鋁合金板材/型材為5083、6061、6082鋁合金,隨著國家深藍戰略的實施,中國已開始建造自己的郵輪、“海上牧場”、鉆井平臺、發電站、直升機平臺,招商局集團有限公司的第一艘極地號郵輪已交付使用。船體其他部位以及符合我國海洋與河流環境的鋁合金材料開發仍存在大量空白,尚需多領域、多學科交叉合作。


二、我國鋁合金材料領域存在的問題


值得注意的是,雖然我國鋁合金材料在產業規模與技術水平上成績斐然,但是我國現代工業體系建設起步晚、底子薄,追趕發達國家難度較大,相當部分關鍵基礎材料、核心零部件仍不能自給。我國在未來較長一段時期內都是關鍵基礎材料的需求大國,對此類材料數量和種類的需求將持續增加。而高端材料在產業體系中所占比例不高,原始創新偏少、基礎共性關鍵技術和精深加工技術研發不足。美國鋁業公司有3萬項專利,與之相對的是中國企業原創性專利少,幾百個常用牌號,中國自己研發的卻很少,同時產品質量的一致性、均勻性、穩定性不高。大飛機用預拉伸厚板和蒙皮板、乘用車面板等質量穩定性有待提高,部分高端鋁板帶箔材等仍依賴進口。此外,我國鋁合金材料產業粗放式發展的問題嚴重,產業規模增長雖快,但研制少,“產學研”一體化的技術創新力量薄弱,高校與企業之間無法發揮協同創新優勢。所以,逐步推進相關研究和產業向高質量、高創新、高效率發展十分重要。


在汽車領域,我國汽車用鋁合金板材仍面臨三大問題:①缺少具有自主知識產權的汽車用鋁合金,高端汽車用鋁未實現系列化,難以滿足汽車公司的個性化需求;②汽車板應用技術研發平臺建設不足,在先進成形、異種材料連接、低成本與環保的零部件制造與表面處理方面都需加強研究;③需加強鋁合金型材在新能源汽車上的應用,建立相應技術創新平臺,開發車身結構、電驅系統、電池托盤、副車架、表面處理等相關產品。


在船舶領域,我國船舶用鋁合金仍存在兩方面的技術瓶頸:一是船舶用鋁合金的開發種類偏少,合金綜合性能、質量穩定性低于國外同牌號板材;二是鋁合金材料的船舶應用技術,主要體現在焊接技術上。我國在攪拌摩擦焊和激光焊方面與國外仍有差距,限制了船舶用鋁合金的發展。


在空天領域,我國在空天鋁合金的研發和應用方面與發達國家仍有明顯差距。我國對新合金的開發處于仿制階段,研制的合金品種較少;對合金化基礎理論研究較少。我國航空材料產品的質量穩定性、成本與進口材料還存在一定差距。


三、各系鋁合金材料的市場需求及發展趨勢


鋁合金的市場需求往往決定了鋁合金制品的種類、產量及性能特征。由于鋁合金種類繁多,國內外發展過程及現狀也不盡相同,且一部分鋁合金會交叉應用于汽車、船舶及航空航天領域,所以該部分以鋁合金系來進行分類闡述。


(一)2XXX系鋁合金


2XXX(A1-Cu-Mg)系鋁合金具有高的抗拉強度、韌性和疲勞強度,良好的耐熱、加工及焊接性能,被廣泛應用于空天、汽車及兵器工業等領域。主要牌號有2A01、2A02、2A06、2A11、2A12等。針對提高強度、強韌性匹配、耐損傷容限性能相繼開發了一系列合金,如2024、2124、2524、2324合金等。我國裝備型號向輕量化、長壽命、高可靠、低成本方向發展,對機身蒙皮材料的斷裂韌性、抗裂紋擴展能力和耐蝕性能具有較高的要求。國外在2024-T351鋁合金厚板基礎上,已開發出了具有不同強度、韌性、疲勞、耐腐蝕性能匹配的2324、2624等機翼下翼面用高損傷容限鋁合金,并實現裝機應用。我們迫切需要開展高損傷容限2XXX系鋁合金的開發工作,未來,復合微合金化將是Al-Cu-Mg系高強鋁合金一個重要發展方向。


(二)4XXX系鋁合金


目前我國汽車活塞主要使用共晶和亞共晶Al-Si合金,但是隨著對發動機性能要求的不斷提高,難以滿足性能要求。過共晶Al-Si合金密度低,線膨脹系數小,抗磨性和體積穩定性更高,與亞共晶和共晶Al-Si合金相比是更為理想的活塞材料。國外已批量生產過共晶Al-Si合金活塞,并應用于載重汽車和轎車,如美國的A390合金,日本的AC9A和AC8A(ZL109)合金,澳大利亞的A390合金。但是目前我國生產過共晶Al-Si合金活塞的廠家很少,大部分依賴進口。另外,汽車渦輪增壓鋁合金材料與國外也存在較大差距,高性能汽車渦輪增壓鋁合金材料主要依賴日本等國家。因此,開發高性能活塞、渦輪增壓葉輪關鍵汽車鋁合金材料勢在必行。


(三)5XXX系鋁合金


Al-Mg合金特別是高Mg含量的Al-Mg合金具有高的比強度、良好的焊接性和耐蝕性,將成為未來空天、高速列車、海洋等領域極具競爭力的材料。目前,空天、列車、海洋等應用的Al-Mg合金板材、型材以及焊絲主要依靠進口,高端焊絲市場基本上被美國ALCOA所壟斷,ER5183、ER5356合金主要依靠進口,進口量約占其銷量的70%,艦艇用Al-Mg合金主要依賴于俄羅斯。高Mg含量的合金常規鑄錠中枝晶發達、共晶相偏析嚴重,成形性能差,目前加工方法仍存在諸多問題,如性能低、表觀質量差、工序長、質量不穩定、成品率低等。亞快速凝固與成形可以抑制Mg的析出,同時可以調控得到細小等軸晶和納米析出相,大幅度提高材料的性能與均一性。因此,開發高性能Al-Mg合金亞快速凝固連續流變擠壓和軋制技術,有望解決高品質Al-Mg合金的需求。


(四)6XXX系鋁合金


6XXX系鋁合金材料是軌道交通、汽車、電子等領域的關鍵材料。從20世紀80年代起,歐美、日本等發達國家和地區研發了車用鋁合金,注冊了6009、6016、6010、6111、6022、6082等牌號,形成了較完整的汽車車身板、擠壓材、鍛件等生產和應用體系。我國6XXX系鋁合金車身板和鍛件的產業化研發剛剛起步,存在明顯差距。我國工業和信息化部提出重點發展的車用鋁合金薄板是:6016-S、6016-IH、6016-IBR、6A16-S、6A16-IBR、6022等,典型6XXX系鋁合金板材伸長率A50≥25%,r值≥0.60,60d停放屈服強度Rp0.2≤140N/mm2,烤漆硬化屈服強度增量≥80N/mm2。針對不同需求,開發6XXX系鋁合金的設計、制備及加工技術成為發展的必然趨勢。


(五)7XXX系鋁合金


7XXX系鋁合金具有較好的耐應力腐蝕性能,是鋁合金中強度最高的一個系列,是國際上公認的航空主干材料。最近,國外開發了7055合金(Al-8Zn-2.05Mg-2.3Cu-0.16Zr),其在T77511狀態下屈服應力超過了620MPa,用于波音777飛機,減重635kg。目前我國航空用7XXX系鋁合金缺乏系統的合金設計和制備加工技術,某些產品完全依靠進口。由于7XXX系鋁合金大規格鑄錠合金元素多、凝固區間寬、鑄造應力大、合金元素易氧化/偏析等,鑄錠冶金質量較差,室溫成形性能較低,開發新型7XXX系鋁合金具有重要意義。


(六)鋁鋰(Al-Li)合金


鋁鋰合金是近年來航空材料中發展最迅猛的輕量化材料,具有密度低、彈性模量高、比剛度高、疲勞性能好、耐腐蝕等特點,取代常規鋁合金后,質量可減輕10%~20%,剛度提高15%~20%。美國ALCOA公司在21世紀初啟動了“ALCOA航空20/20計劃”,目標是在20年內將航空鋁合金成本和重量各減少20%??下撲X業公司開發了低密度、高韌性和高損傷容限性能的2050和2198鋁鋰合金(Al-Cu-Li-Mg-Ag)。我國自主研制的Al-Li合金牌號極少,僅1420合金獲得應用,C919客機使用的鋁鋰合金由美國鋁業公司提供。國內僅能生產1420、2195、2197、2A97等有限合金牌號,鑄錠僅為((310~400)×1280×4000)mm以下扁錠及?650mm以下圓錠。航空高端應用領域厚度60mm以上、寬1500mm以上的扁錠(2B16),以及直徑1500mm以上鑄錠(2B16)尚未實現工業生產。因此開展新型鋁鋰合金設計、超大規格鑄錠制備和深加工技術具有重要意義。


(七)耐熱鋁合金


耐熱鋁合金通過調控Si、Fe、Ni、Ag、稀土等元素,使鋁合金在高溫下具有抗氧化及抗蠕變能力,是空天、汽車、軌道交通等領域的關鍵基礎材料。傳統的耐熱鋁合金有:2519、2618、2219、2D70等。隨著空天和汽車工業的迅速發展,對耐熱鋁合金提出了更高的要求。新一代戰機巡航速度高,機身蒙皮工作溫度達150℃以上,而目前2618、АК4-1ч和2D70等耐熱鋁合金的長期使用溫度均在150℃以下,開發新型耐熱鋁合金勢在必行。


(八)超低鈧(Sc)含量的Al-Sc合金


Al-Sc合金具有高強度、塑性好、耐蝕性等優異性能,成為繼Al-Li合金后新一代空天、艦船等的輕質材料。含微量鈧的Al-Mg合金抗拉強度比5083合金高30%,屈服強度高一倍以上。其可焊性與常規5XXX系合金相當,熱影響區與焊縫的力學性能約與基體相等,抗腐蝕性能與5083合金相當,取代5XXX系或6XXX系合金制造空天零部件可取得顯著的減量效果,也是汽車與軌道車輛的上乘材料。俄羅斯在含鈧鋁合金研制方面居世界前列,已形成Al-Mg-Sc、Al-Mg-Li-Sc、Al-Zn-Mg-Sc、Al-Zn-Mg-Cu-Sc、Al-Cu-Mg-Sc系合金,鈧含量為0.18%~0.5%。為了推動鋁鈧合金在空天、汽車上的應用,我國工業和信息化部已將含鈧的鋁合金作為優先發展的新材料之一。我國鈧資源豐富,并建成了高純氧化鈧提取生產線,為鋁鈧合金發展奠定了基礎。


(九)500MPa級汽車用熱沖壓鋁合金


我國的熱沖壓高強鋁合金材料尚屬空白。新材料和新成形工藝開發相結合,是解決高強鋁合金汽車零件成形的有效手段。以7XXX系合金為重點,積極探索2XXX合金,開發500MPa級熱沖壓用鋁合金材料,用以制造復雜形狀的汽車零件具有重要前景。


(十)鋁基復合材料


鋁–鋼多層復合板:鋁與鋼質甲板的有效連接已成為大型艦船上層建筑輕量化的制約因素之一。鋁與鋼質船體之間焊接用的鋁–鋼復合過渡接頭為取代傳統鉚接工藝提供了解決方案。本田公司開發出了鋼和鋁的接合技術,將在全球應用于量產車骨架。目前,國內所用的鋁–鋼復合接頭主要是從國外進口,價格高達4×105CNY/t。隨著未來艦船大型化,對過渡接頭提出了更高施焊溫度、更大承載應力、更強結合界面等要求,亟待開發高性能的鋁–鋼接頭。


汽車散熱器用鋁合金復合材料:鋁合金復合箔、帶、板是制造汽車空調器、散熱器、干手器等釬焊式熱交換器的關鍵材料。復合材料是由2~3種合金經疊合壓延后制成,包覆層多為高硅合金或低電位合金,如4004、4045、4047、4A13、7A01合金等,芯材主要是3003、3003+1.5%Zn和3004合金等。


鋁蜂窩板:通常由兩層薄而強的面板和中間蜂窩芯復合而成,具有重量輕、強度高、剛性大、穩定性好、隔熱、隔聲等優點,已在飛機、列車、船舶中使用。市場現有產品除航空專用的進口材料為焊接產品外,一般均為膠黏產品,在濕度大、振動強、溫度高等環境下,面板容易脫膠。開發輕質、高強、耐蝕、可釬焊的蜂窩結構板用面板和芯板是蜂窩板的發展趨勢。國外一些國家在20世紀90年代初就研制了釬焊鋁蜂窩板,開發出高強度、可時效強化、耐蝕、可釬焊的蜂窩材料。近五年我國的蜂窩鋁材產量一直保持平均22%的增長速度。2012年我國僅建筑市場的膠黏蜂窩鋁產品的市場容量已達76.74億元。預計到2035年,對高強、耐蝕蜂窩復合板的需求將達到7×107m2,前景十分廣闊。


四、我國鋁合金材料中長期發展目標


結合我國實際情況與我國鋁合金領域所遇瓶頸,提出以下中期發展目標:到2030年,高性能鋁合金材料達到國際先進水平,部分達到國際領先水平,材料綜合力學和工藝性能滿足現代制造業指標要求,實現空天飛行器、新能源汽車、軌道交通和廂式貨車等領域的大規模應用,第五代鋁合金國產化率達到80%以上,空天用輕合金產量和應用達到2×105t/a,交通運輸用輕合金產量達到3×105t/a。


長期發展目標:到2035年,鋁合金材料達到國際領先水平,實現絕大部分鋁合金材料的自給和輸出,領導全球鋁合金產業的發展。第五代鋁合金全面國產化,研制成功第六代鋁合金,空天輕合金產量和應用達到3×105t/a,交通運輸用輕合金達到4×106t/a。


五、我國鋁合金材料發展對策


圍繞上述鋁合金材料的問題、發展趨勢和發展目標,著力提高自主創新能力,建立產業鏈上下游優勢互補、密切合作機制,縮短周期,形成持續創新能力,實現我國從材料大國向材料強國的戰略轉變,仍需在以下方面不懈努力。


(一)加強研發體系建設,完善發展環境


圍繞國家重大工程建設需求,加強“產學研用”協同創新,開展“產學研用”合作機制、利益分配、產權保護、誠信體系、保障政策等課題研究,解決目前“產學研用”間的壁壘,建立科學有效的創新機制。同時,加快制定鋁合金材料產業發展指導目錄和投資導向意見,完善產業鏈、創新鏈、資金鏈。發揮市場的資源配置作用,科學引導,理性投資,協調國家對重點基礎材料行業的聚焦支持,幫助高性能鋁合金材料中小企業健康成長,營造具有國際競爭力的產業生態環境。


(二)優化結構,促進提質增效和協同發展


推進產能置換和淘汰落后產能。積極擴大應用領域和應用水平,提升高性能鋁合金產品質量的穩定性,降低生產成本,增強產業支撐能力。推動優勢高端鋁材企業與高端裝備制造企業建立供應鏈協作關系。通過“產學研”合作,優化品種結構,促進產品融入全球高端制造業供應鏈,建立綜合評價體系,提高國際競爭力。


(三)加強配套政策支持


加強知識產權保護,加大財政、金融、稅收等政策對高性能鋁材的扶持力度,完善風險投資運行、避險和退出機制,形成鼓勵使用國產高性能鋁材的健康體系。加大深加工鋁產品的政策扶持力度,落實高新技術企業稅收優惠政策等,促進鋁合金的應用發展。


(四)推進人才隊伍建設


實施創新人才發展戰略,加強中青年創新人才和團隊培養,鼓勵企業“產學研用”結合,采取柔性引進等靈活政策,建立國家鋁產業創新中心,培養自主創新人才隊伍,培養一批學科、專業技術帶頭人,有效提高人才要素在產業科技創新中的活躍度和推動作用,提升自主創新能力,實現鋁產業轉型升級。


(五)促進智能制造和“互聯網+”融合


提升企業研發、生產和服務的智能化水平,建立以大數據為基礎的工藝模型化、控制智能化的數字化工藝體系。試點示范工廠,提高產品性能穩定性和質量一致性。鼓勵企業模式創新,促進“互聯網+”與企業生產經營全過程融合,推廣個性化定制、柔性化制造,滿足多樣化、多層次需求。


(六)加強國際合作,尤其是“一帶一路”國際合作


積極落實“一帶一路”合作,提升裝備、產品、技術、標準、服務的全產業鏈國際化經營能力。按照《國務院關于推進國際產能和裝備制造合作的指導意見》,充分發揮技術、裝備和人才優勢,綜合考慮資源、能源、政治、法律、市場等因素,鼓勵有實力的企業在資源豐富的地區投資建廠,同時積極學習國外企業先進的技術和管理經驗,不斷優化產品與裝備,提升國際競爭力。


來源:中國工程科學


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