C在军工材料-高端铝合金材料中的地位

铝合金材料

随着现代科学技术的发展,武器装备的技术密集程度越来越高,正在从机械化战争向信息化战争演变,武器装备向精确制导向发展。因此对军用材料提出了更高、更新的要求。铝合金材料一般作为结构材料使用,比钢有更高的比强度和更有意的加工性能,广泛应用于航空航天、兵器和船舰等领域中。

铝的发展史

古代中国人就已经用明矾净水了,古代希腊和罗马人也用明矾作染料和收殓剂。西方人把明矾叫做alum,拉丁文的意思是“苦涩的盐”,跟硫酸镁的“泻盐”区分开。有人将碱加入明矾溶液,得到了白色的沉淀,并在煅烧后得到了白色的粉末,但当时没有人说得清楚这些粉末和明矾的关系。1754年,炼金术士马格拉夫发现这种白色的粉末性质和石灰完全不同,在与硫酸溶解后,蒸发掉水分,就得到了明矾的晶体,因此他推断白色粉末是其中的组分,将这种白色粉末命名为矾土,并视其为自己的独门绝技。

随后1789年化学家拉瓦锡和德莫乌将矾土作为化学元素,排进了他们的元素名单中,但是随后德莫乌自己否定了这一结论,他认为这种化学元素或许不是矾土本身,而是其中的组分。几十年后,化学家戴维受到了德莫乌的启发,从电解碱中寻找新的元素,在他成功地用电流分解了钠钾镁钙之后,把目光投向了矾土、石英、锆石以及绿柱石,经过仔细的研究,他确定这几种物质中有他想要的答案:“我是多么幸运,现在已经有十足的证据证明,这中间存在我希望的找到的金属元素,我将其命名为:硅、铝、锆、铍。”然而出乎戴维意料的是,事实上他得到的只不过是铁铝合金,并不是纯净的铝。直到1825年丹麦科学家奥斯特将钾溶解在水银里没让得到的钾汞齐与无水氯化铝反应,从而得到了一团新的金属,这就是纯净的铝。就这样,一直隐藏在各类化合物中的金属铝,终于以这样的方式与人类见面了。

尽管铝在实验室被人们了解,但距离它大规模生产还有很多的问题,其中最为突出的矛盾就是其过高的制造成本。尽管法国化学家德维尔尝试用钠替代钾来还原氯化铝,但成本依然是普通人无法承担的。事实上,直到19世纪80年代,铝的价格都非常昂贵。在当时,一盎司(30g)铝和普通工人一天的工资差不多。铝在实验室制备的方法主要存在两个问题:第一,还原铝的化合物是钾和钠,都是很贵的金属,本身也容易受潮,不易保存;第二,当时电力刚刚使用,电解铝需要达到 2300度的高温,能耗很高,因此制造成本居高不下。

好在人们很快发现通过加入冰晶石可以有效降低电解铝的熔点,同时西门子的发电机又大幅地降低了电力成本。1886年美国的霍尔和法国的埃鲁分别独立地发明了制铝的新工艺, 这种方法被成为“霍尔-埃鲁法”,该工业方法一直沿用至今。随着铝的大规模工业化生产,铝价也逐渐随着各类应用普及开来而降低,不像刚出现时那样贵如黄金,从而为铝在航空领域的大显身手提供了充分条件。

低成本极高模量,军工行业竞争优势明显的结构材料

铝是地壳中含量最丰富的金属元素,是世界上产量和用量仅次于钢铁的有色金属,密度小,约为钢的1/3。由于纯铝较软、强度低,所以通过在铝中加入少量元素(如镁、铜、锌、硅、锂等)值得的铝合金,性能更佳。由于铝合金具备优良的力学性能和抗腐蚀性能,是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料,在建筑、航空航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。

铝合金在力学、化学等方面均具备优良的性质:

1.力学方面,主要体现在密度低,强度较高,模量高等方面。铝的密度小,与其他金属相比质量较轻,仅为钢的1/4,因此适合应用于对轻质化要求较高的领域;

2.化学性质方面,由于铝合金在空气中表面可以生成一层致密的氧化物薄膜,具有保护自身防止深层氧化的作用,因此具有出色的耐腐蚀性质,化学组成十分稳定。

3.铝合金的塑性很好,可加工成各种型材,具有优良的导电性、导热性,因此在工业上使用十分广泛,使用量仅次于钢。

目前,行业内已经出现的不同成份的铝合金有250多种。为了便于区分,根据合金成分的不同,我国采用国际通用的四位数字牌号法分类,以便生产现场标记和记忆和计算管理。在军事工业中应用的铝合金主要有铝锂合金、2XXX(Al-Cu-Mg)系列和7XXX系列铝合金等。

各系铝合金材料的市场需求及发展趋势

(一)2XXX系铝合金

2XXX(Al-Cu-Mg)系铝合金具有高的抗拉强度、韧性和疲劳强度,良好的耐热、加工及焊接性能,被广泛应用于空天、汽车及兵器工业等领域。主要牌号有 2A01、2A02、2A06、2A11、2A12 等。针对提高强度、强韧性匹配、耐损伤容限性能相继开发了一系列合金,如 2024、2124、2524、2324 合金等。我国装备型号向轻量化、长寿命、高可靠、低成本方向发展,对机身蒙皮材料的断裂韧性、抗裂纹扩展能力和耐蚀性能具有较高的要求。国外在2024-T351铝合金厚板基础上,已开发出了具有不同强度、韧性、疲劳、耐腐蚀性能匹配的2324、2624等机翼下翼面用高损伤容限铝合金,并实现装机应用。我们迫切需要开展高损伤容限2XXX系铝合金的开发工作,未来,复合微合金化将是Al-Cu-Mg系高强铝合金一个重要发展方向。

(二)4XXX系铝合金

目前我国汽车活塞主要使用共晶和亚共晶Al-Si合金,但是随着对发动机性能要求的不断提高,难以满足性能要求。过共晶Al-Si合金密度低,线膨胀系数小,抗磨性和体积稳定性更高,与亚共晶和共晶Al-Si合金相比是更为理想的活塞材料。国外已批量生产过共晶Al-Si合金活塞,并应用于载重汽车和轿车,如美国的A390合金,日本的AC9A和AC8A(ZL109)合金,澳大利亚的A390合金。但是目前我国生产过共晶Al-Si合金活塞的厂家很少,大部分依赖进口。另外,汽车涡轮增压铝合金材料与国外也存在较大差距,高性能汽车涡轮增压铝合金材料主要依赖日本等国家。因此,开发高性能活塞、涡轮增压叶轮关键汽车铝合金材料势在必行。

(三)5XXX系铝合金

Al-Mg合金特别是高Mg含量的Al-Mg合金具有高的比强度、良好的焊接性和耐蚀性,将成为未来空天、高速列车、海洋等领域极具竞争力的材料。目前,空天、列车、海洋等应用的Al-Mg合金板材、型材以及焊丝主要依靠进口,高端焊丝市场基本上被美国ALCOA所垄断,ER5183、ER5356 合金主要依靠进口,进口量约占其销量的70%,舰艇用Al-Mg合金主要依赖于俄罗斯。高Mg含量的合金常规铸锭中枝晶发达、共晶相偏析严重,成形性能差,目前加工方法仍存在诸多问题,如性能低、表观质量差、工序长、质量不稳定、成品率低等。亚快速凝固与成形可以抑制Mg的析出,同时可以调控得到细小等轴晶和纳米析出相,大幅度提高材料的性能与均一性。因此,开发高性能Al-Mg合金亚快速凝固连续流变挤压和轧制技术,有望解决高品质Al-Mg合金的需求。

(四)6XXX系铝合金

6XXX系铝合金材料是轨道交通、汽车、电子等领域的关键材料。从20世纪80年代起,欧美、日本等发达国家和地区研发了车用铝合金,注册了6009、6016、6010、6111、6022、6082等牌号,形成了较完整的汽车车身板、挤压材、锻件等生产和应用体系。我国6XXX系铝合金车身板和锻件的产业化研发刚刚起步,存在明显差距。我国工业和信息化部提出重点发展的车用铝合金薄板是:6016-S、 6016-IH、6016-IBR、6A16-S、6A16-IBR、6022等,典型6XXX 系铝合金板材伸长率A50不小于25%,r 值不小于0.60,60d停放屈服强度Rp0.2不小于140N/mm² ,烤漆硬化屈服强度增量不小于80N/mm²。针对不同需求,开发6XXX系铝合金的设计、制备及加工技术成为发展的必然趋势。

(五)7XXX系铝合金

7XXX系铝合金具有较好的耐应力腐蚀性能,是铝合金中强度最高的一个系列,是国际上公认的航空主干材料。最近,国外开发了7055合金(Al8Zn-2.05Mg-2.3Cu-0.16Zr),其在T77511状态下屈服应力超过了620MPa,用于波音777飞机,减重635kg。目前我国航空用7XXX系铝合金缺乏系统的合金设计和制备加工技术,某些产品完全依靠进口。由于7XXX系铝合金大规格铸锭合金元素多、凝固区间宽、铸造应力大、合金元素易氧化/偏析等,铸锭冶金质量较差,室温成形性能较低,开发新型7XXX系铝合金具有重要意义。

(六)铝锂(Al-Li)合金

铝锂合金是近年来航空材料中发展最迅猛的轻量化材料,具有密度低、弹性模量高、比刚度高、疲劳性能好、耐腐蚀等特点,取代常规铝合金后,质量可减轻10%~20%,刚度提高15%~20%。美国ALCOA公司在21世纪初启动了“ALCOA 航空 20/20 计划”,目标是在20年内将航空铝合金成本和重量各减少20%。肯联铝业公司开发了低密度、高韧性和高损伤容限性能的2050和2198铝锂合金(Al-Cu-Li-Mg-Ag)。我国自主研制的Al-Li合金牌号极少,仅1420 合金获得应用,C919客机使用的铝锂合金由美国铝业公司提供。国内仅能生产1420、2195、2197、2A97等有限合金牌号,铸锭仅为((310~400)×1280×4000)mm以下扁锭及ϕ650mm以下圆锭。航空高端应用领域厚度60mm以上、宽1500mm以上的扁锭(2B16),以及直径1500mm以上铸锭(2B16)尚未实现工业生产。因此开展新型铝锂合金设计、超大规格铸锭制备和深加工技术具有重要意义。

(七)耐热铝合金

耐热铝合金通过调控 Si、Fe、Ni、Ag、稀土等元素,使铝合金在高温下具有抗氧化及抗蠕变能力,是空天、汽车、轨道交通等领域的关键基础材料。传统的耐热铝合金有:2519、2618、 2219、2D70等。随着空天和汽车工业的迅速发展,对耐热铝合金提出了更高的要求。新一代战机巡航速度高,机身蒙皮工作温度达150℃以上,而目前2618、 2D70等耐热铝合金的长期使用温度均在150℃以下,开发新型耐热铝合金势在必行。

(八)超低钪(Sc)含量的Al-Sc合金

Al-Sc合金具有高强度、塑性好、耐蚀性等优异性能,成为继Al-Li合金后新一代空天、舰船等的轻质材料。含微量钪的Al-Mg合金抗拉强度比5083合金高30%,屈服强度高一倍以上。其可焊性与常规5XXX系合金相当,热影响区与焊缝的力学性能约与基体相等,抗腐蚀性能与5083合金相当,取代5XXX系或6XXX系合金制造空天零部件可取得显著的减量效果,也是汽车与轨道车辆的上乘材料。俄罗斯在含钪铝合金研制方面居世界前列,已形成Al-Mg-Sc、Al-Mg-Li-Sc、Al-Zn-MgSc、Al-Zn-Mg-Cu-Sc、Al-Cu-Mg-Sc系合金,钪含量为0.18%~0.5%。为了推动铝钪合金在空天、汽车上的应用,我国工业和信息化部已将含钪的铝合金作为优先发展的新材料之一。我国钪资源丰富,并建成了高纯氧化钪提取生产线,为铝钪合金发展奠定了基础。

(九)500MPa级汽车用热冲压铝合金

我国的热冲压高强铝合金材料尚属空白。新材料和新成形工艺开发相结合,是解决高强铝合金汽车零件成形的有效手段。以7XXX系合金为重点,积极探索2XXX合金,开发500MPa 级热冲压用铝合金材料,用以制造复杂形状的汽车零件具有重要前景。

(十)铝基复合材料

铝–钢多层复合板:铝与钢质甲板的有效连接已成为大型舰船上层建筑轻量化的制约因素之一。铝与钢质船体之间焊接用的铝–钢复合过渡接头为取代传统铆接工艺提供了解决方案。本田公司开发出了钢和铝的接合技术,将在全球应用于量产车骨架。目前,国内所用的铝–钢复合接头主要是从国外进口,价格高达4×105CNY/t。随着未来舰船大型化,对过渡接头提出了更高施焊温度、更大承载应力、更强结合界面等要求,亟待开发高性能的铝–钢接头。

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