Алюминий является наиболее распространенным металлическим элементом в земной коре. Это цветной металл, занимающий второе место по объему производства и использования в мире после стали. Он имеет низкую плотность, около 1/3 от стали. Поскольку чистый алюминий мягкий и имеет низкую прочность, поэтому при добавлении небольшого количества таких элементов, как магний, медь, цинк, кремний и литий к алюминию, эксплуатационные характеристики алюминиевого сплава улучшаются. Алюминиевые сплавы являются наиболее широко используемыми конструкционными материалами из цветных металлов в промышленности из-за их превосходных механических свойств и коррозионной стойкости. Они широко используются в строительстве, аэрокосмической, автомобильной, машиностроительной, судостроительной и химической промышленности.
Алюминиевые сплавы обладают превосходными свойствами в механике и химии:
① Механические аспекты, в основном отраженные в низкой плотности, высокой прочности, высоком модуле и т. д. Алюминий имеет низкую плотность и легче других металлов, всего на 1/4 легче стали, поэтому он подходит для использования в областях с высокими требованиями к легкости;
② С точки зрения химических свойств, поскольку алюминиевый сплав может образовывать на своей поверхности на воздухе плотную оксидную пленку, он может защищать себя от глубокого окисления. Поэтому он имеет отличную коррозионную стойкость и очень стабильный химический состав.
③Алюминиевый сплав обладает хорошей пластичностью и может быть переработан в различные профили. Он обладает отличной электро- и теплопроводностью. Поэтому он широко используется в промышленности, и по применению уступает только стали.
В настоящее время в отрасли насчитывается более 250 алюминиевых сплавов с различным составом. Для облегчения различения в соответствии с различным составом сплава Китай принимает международно признанный четырехзначный метод классификации классов для облегчения маркировки производственных площадок, управления памятью и расчетами. Алюминиевые сплавы, используемые в военной промышленности, в основном включают алюминиево-литиевые сплавы, серии 2XXX (A1-Cu-Mg) и серии 7XXX.
Рыночный спрос и тенденции развития различных материалов из алюминиевых сплавов
Алюминиевый сплав серии 2XXX
Алюминиевые сплавы серии 2XXX (A1-Cu-Mg) обладают высокой прочностью на растяжение, ударной вязкостью и усталостной прочностью, хорошей термостойкостью, обрабатываемостью и свариваемостью и широко используются в аэрокосмической, автомобильной и оружейной промышленности. Основными марками являются 2A01, 2A02, 2A06, 2A11, 2A12 и т. д. Разработан ряд сплавов для улучшения прочности, соответствия ударной вязкости и устойчивости к повреждениям, например, сплавы 2024, 2124, 2524, 2324 и т. д.
Модели оборудования Китая развиваются в направлении легкости, долговечности, высокой надежности и низкой стоимости, а также предъявляют высокие требования к вязкости разрушения, стойкости к распространению трещин и коррозионной стойкости материала обшивки фюзеляжа. На основе толстой пластины из алюминиевого сплава 2024-T351 зарубежные страны разработали 2324, 2624 и другие алюминиевые сплавы с высокой устойчивостью к повреждениям для нижней поверхности крыла с различной прочностью, вязкостью, усталостной и коррозионной стойкостью и добились установки и применения. Китай разрабатывает алюминиевые сплавы серии 2XXX с высокой устойчивостью к повреждениям. В будущем композитное микролегирование станет важным направлением развития для высокопрочных алюминиевых сплавов серии Al-Cu-Mg.
Алюминиевый сплав серии 4XXX
В настоящее время эвтектические и доэвтектические сплавы Al-Si в основном используются для автомобильных поршней в Китае. Однако с постоянным улучшением требований к производительности двигателя становится все труднее соответствовать требованиям к производительности. Гиперэвтектический сплав Al-Si имеет низкую плотность, малый коэффициент линейного расширения, более высокую износостойкость и объемную стабильность и является более идеальным материалом для поршней по сравнению с эвтектическими сплавами Al-Si. Гиперэвтектические сплавы Al-Si массово производятся за рубежом и применяются в грузовых и легковых автомобилях, например, сплав A390 в США, сплавы AC9A и AC8A (ZL109) в Японии и сплав A390 в Австралии. Однако в настоящее время в Китае мало производителей, которые производят гиперэвтектические поршни из сплава Al-Si, и большинство из них полагаются на импорт. Кроме того, существует большой разрыв между материалами из алюминиевого сплава для автомобильных турбокомпрессоров и зарубежными странами. Высокопроизводительные материалы из алюминиевого сплава для автомобильных турбокомпрессоров в основном полагаются на Японию и другие страны. Поэтому крайне важно разработать ключевые автомобильные алюминиевые сплавы для высокопроизводительных поршней и рабочих колес турбокомпрессоров.
Алюминиевые сплавы серии 5XXX
Сплавы Al-Mg, особенно сплавы Al-Mg с высоким содержанием Mg, обладают высокой удельной прочностью, хорошей свариваемостью и коррозионной стойкостью и станут высококонкурентными материалами в будущей аэрокосмической промышленности, высокоскоростных поездах, океанах и других областях. В настоящее время пластины, профили и сварочная проволока из сплава Al-Mg для аэрокосмической промышленности, поездов, океанов и других областей в основном зависят от импорта. Рынок высококачественной сварочной проволоки в основном монополизирован ALCOA в Соединенных Штатах. Сплавы ER5183 и ER5356 в основном зависят от импорта, и объем импорта составляет около 70% их продаж. Сплавы Al-Mg для судов в основном зависят от России. Обычные слитки сплавов с высоким содержанием Mg имеют хорошо развитые дендриты, сильную эвтектическую фазовую сегрегацию и плохую производительность формовки. Современные методы обработки по-прежнему имеют много проблем, таких как низкая производительность, плохое видимое качество, длительный процесс, нестабильное качество и низкий выход. Суббыстрое затвердевание и формование могут подавлять осаждение Mg, и в то же время могут регулироваться для получения мелких равноосных кристаллов и нано-осажденных фаз, значительно улучшая производительность и однородность материала. Поэтому ожидается, что разработка технологии непрерывной реологической экструзии и прокатки с суббыстрым затвердеванием для высокопроизводительных сплавов Al-Mg удовлетворит спрос на высококачественные сплавы Al-Mg.
Алюминиевые сплавы серии 6XXX
Материалы из алюминиевых сплавов серии 6XXX являются ключевыми материалами в области железнодорожного транспорта, автомобилестроения, электроники и т. д. С 1980-х годов развитые страны и регионы, такие как Европа, США и Япония, разработали алюминиевые сплавы для автомобилей, зарегистрировали такие марки, как 6009, 6016, 6010, 6111, 6022 и 6082, и сформировали относительно полную систему производства и применения для панелей кузова автомобиля, прессованных изделий, поковок и т. д. Исследования и разработки по индустриализации панелей кузова и поковок из алюминиевого сплава серии 6XXX в Китае только начались, и существует явный пробел. Министерство промышленности и информационных технологий Китая предложило разработать следующие автомобильные алюминиевые сплавы: 6016-S, 6016-IH, 6016-IBR, 6A16-S, 6A16-IBR, 6022 и т. д. Типичный алюминиевый сплав серии 6XXX имеет удлинение A50 не менее 25%, значение r не менее 0,60, предел текучести при парковке 60 d Rp0.2 не менее 140 Н/мм2 и прирост предела текучести при упрочнении краски не менее 80 Н/мм2. В ответ на различные потребности разработка конструкции, подготовки и технологии обработки алюминиевых сплавов серии 6XXX стала неизбежной тенденцией развития.
Алюминиевые сплавы серии 7XXX
Алюминиевые сплавы серии 7XXX обладают хорошей стойкостью к коррозии под напряжением и являются самой прочной серией среди алюминиевых сплавов. Они признаны на международном уровне в качестве магистральных материалов для авиации. Недавно зарубежные страны разработали сплав 7055 (Al8Zn-2.05Mg-2.3Cu-0.16Zr), предел текучести которого превышает 620 МПа в состоянии T77511. Он используется в самолетах Boeing 777 и снижает вес на 635 кг. В настоящее время в Китае отсутствует систематическая разработка сплавов, а также технология подготовки и обработки алюминиевых сплавов серии 7XXX для авиации, и некоторые продукты полностью зависят от импорта. Из-за крупных слитков алюминиевых сплавов серии 7XXX со многими элементами сплава, широкого диапазона затвердевания, большого литейного напряжения и легкого окисления/сегрегации элементов сплава металлургическое качество слитков плохое, а производительность формовки при комнатной температуре низкая, очень важно разработать новые алюминиевые сплавы серии 7XXX.
Алюминиево-литиевый (Al-Li) сплав
Алюминиево-литиевый сплав является самым быстрорастущим легким материалом в авиационных материалах за последние годы. Он обладает характеристиками низкой плотности, высокого модуля упругости, высокой удельной жесткости, хороших усталостных характеристик и коррозионной стойкости. После замены обычных алюминиевых сплавов масса может быть уменьшена на 10%~20%, а жесткость может быть увеличена на 15%~20%. В начале 21-го века американская компания ALCOA запустила «План ALCOA Aviation 20/20» с целью снижения стоимости и веса авиационных алюминиевых сплавов на 20% каждый в течение 20 лет. Constellium разработала алюминиево-литиевые сплавы 2050 и 2198 (Al-Cu-Li-Mg-Ag) с низкой плотностью, высокой прочностью и высокой устойчивостью к повреждениям. Существует очень мало марок сплавов Al-Li, независимо разработанных в Китае, и использовался только сплав 1420. Алюминиево-литиевый сплав, используемый в пассажирском самолете C919, поставляется Alcoa. Внутри страны могут быть произведены только ограниченные марки сплавов, такие как 1420, 2195, 2197 и 2A97, а слитки представляют собой только плоские слитки размером менее ((310~400)×1280×4000) мм и круглые слитки размером менее φ650 мм. Плоские слитки (2B16) толщиной более 60 мм и шириной более 1500 мм, а также слитки (2B16) диаметром более 1500 мм в области высокотехнологичных авиационных применений еще не производились в промышленных масштабах. Поэтому разработка новой конструкции алюминиево-литиевого сплава, сверхбольшой подготовки слитков и технологии глубокой переработки имеет большое значение.
Жаропрочный алюминиевый сплав
Жаропрочные алюминиевые сплавы являются ключевыми базовыми материалами в области аэрокосмической промышленности, автомобилестроения, железнодорожного транспорта и т. д., регулируя такие элементы, как Si, Fe, Ni, Ag и редкоземельные элементы, чтобы сделать алюминиевые сплавы устойчивыми к окислению и ползучести при высоких температурах. Традиционные жаропрочные алюминиевые сплавы включают: 2519, 2618, 2219, 2Д70 и т. д. С быстрым развитием аэрокосмической и автомобильной промышленности к жаропрочным алюминиевым сплавам предъявляются более высокие требования. Новое поколение истребителей имеет высокую крейсерскую скорость, а рабочая температура обшивки фюзеляжа превышает 150 °C. В настоящее время температура длительного использования жаропрочных алюминиевых сплавов, таких как 2618 и 2Д70, составляет ниже 150 °C. Крайне важно разрабатывать новые жаропрочные алюминиевые сплавы.
Сплав Al-Sc со сверхнизким содержанием скандия (Sc)
Сплав Al-Sc обладает превосходными свойствами, такими как высокая прочность, хорошая пластичность и коррозионная стойкость, и стал новым поколением легких материалов для аэрокосмической промышленности, судов и т. д. после сплава Al-Li. Прочность на разрыв сплава Al-Mg, содержащего следовые количества скандия, на 30% выше, чем у сплава 5083, а предел текучести более чем вдвое. Его свариваемость сопоставима с обычными сплавами серии 5XXX, механические свойства зоны термического влияния и сварного шва примерно равны свойствам матрицы, а его коррозионная стойкость сопоставима со сплавом 5083. Замена сплавов серий 5XXX или 6XXX при производстве аэрокосмических компонентов может достичь значительного эффекта снижения веса, и это также превосходный материал для автомобилей и рельсового транспорта. Россия находится на переднем крае в мире в разработке алюминиевых сплавов, содержащих скандий, и сформировала сплавы Al-Mg-Sc, Al-Mg-Li-Sc, Al-Zn-MgSc, Al-Zn-Mg-Cu-Sc и Al-Cu-Mg-Sc с содержанием скандия 0,18%~0,5%. В целях содействия применению алюминиево-скандиевых сплавов в аэрокосмической и автомобильной промышленности Министерство промышленности и информационных технологий Китая включило алюминиевые сплавы, содержащие скандий, в список новых материалов для приоритетного развития. Китай богат ресурсами скандия и построил производственную линию по извлечению высокочистого оксида скандия, заложив основу для разработки алюминиево-скандиевых сплавов.
Алюминиевый сплав горячей штамповки класса прочности 500 МПа для автомобилей
В Китае все еще существует пробел в области горячей штамповки высокопрочных алюминиевых сплавов. Сочетание новых материалов и разработки новых процессов формовки является эффективным средством решения проблемы формовки высокопрочных автомобильных деталей из алюминиевых сплавов. Сосредоточение внимания на сплавах серии 7XXX, активное изучение сплавов 2XXX и разработка материалов из алюминиевых сплавов класса 500 МПа для горячей штамповки имеют важные перспективы для производства сложных автомобильных деталей.
Композитные материалы на основе алюминия
Многослойная композитная пластина из алюминия и стали: эффективное соединение между алюминиевыми и стальными палубами стало одним из ограничений для облегчения надстроек больших судов. Переходное соединение из алюминиевого и стального композита, используемое для сварки между алюминиевыми и стальными корпусами, представляет собой решение, заменяющее традиционный процесс клепки. Honda разработала технологию соединения стали и алюминия, которая будет использоваться во всем мире в серийных автомобильных рамах. В настоящее время композитные соединения из алюминия и стали, используемые в Китае, в основном импортируются из-за рубежа по цене до 4×10 5 CNY/т. С будущими крупногабаритными судами для переходных соединений требуются более высокие температуры сварки, большее напряжение смятия и более прочные интерфейсы склеивания, и срочно требуются высокопроизводительные соединения из алюминия и стали.
Время публикации: 08-03-2025
