Алюминий – самый распространённый металл в земной коре. Это второй по объёму производства и использования в мире после стали цветной металл. Он имеет низкую плотность, составляющую около 1/3 плотности стали. Поскольку чистый алюминий мягок и имеет низкую прочность, добавление к алюминию небольшого количества таких элементов, как магний, медь, цинк, кремний и литий, улучшает эксплуатационные характеристики алюминиевых сплавов. Алюминиевые сплавы являются наиболее широко используемыми конструкционными материалами из цветных металлов в промышленности благодаря своим превосходным механическим свойствам 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 Что касается химических свойств, алюминиевый сплав способен образовывать на поверхности плотную оксидную пленку на воздухе, защищая себя от глубокого окисления. Поэтому он обладает превосходной коррозионной стойкостью и очень стабильным химическим составом.
③Алюминиевый сплав обладает хорошей пластичностью и может быть переработан в различные профили. Он обладает превосходной электро- и теплопроводностью. Поэтому он широко используется в промышленности, уступая по применению только стали.
В настоящее время в промышленности используется более 250 алюминиевых сплавов с различным составом. Для упрощения классификации в Китае принята международная четырёхзначная классификация по составу сплавов, что упрощает маркировку производственных площадей, управление памятью и расчётами. В военной промышленности используются в основном алюминиево-литиевые сплавы серий 2XXX (A1-Cu-Mg) и 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 разрыв, вязкостью и усталостной прочностью, хорошей жаростойкостью, хорошей обрабатываемостью и свариваемостью и широко применяются в аэрокосмической, автомобильной и оборонной промышленности. Основные марки: 2A01, 2A02, 2A06, 2A11, 2A12 и др. Разработан ряд сплавов с повышенной прочностью, вязкости и стойкостью к повреждениям, например, сплавы 2024, 2124, 2524, 2324 и др.
Модели оборудования в Китае развиваются в направлении легкости, долговечности, высокой надежности и низкой стоимости, и предъявляют высокие требования к вязкости разрушения, стойкости к распространению трещин и коррозионной стойкости материала обшивки фюзеляжа. На основе толстолистового 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 их установки и применения. Китай разрабатывает алюминиевые сплавы серии 2XXX с высокой устойчивостью к повреждениям. В будущем композиционное микролегирование станет важным направлением развития высокопрочных алюминиевых сплавов серии Al-Cu-Mg.
Алюминиевый сплав серии 4XXX
В настоящее время в Китае для автомобильных поршней в основном используются эвтектические и доэвтектические сплавы Al-Si. Однако с постоянным повышением требований к производительности двигателей, удовлетворить эти требования становится все труднее. Гиперевтектический 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. Поршни из гиперевтектического сплава 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 поршни из гиперевтектического 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 поставляются из Японии и других стран. 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 весьма конкурентоспособными 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 применений в основном зависят от импорта. Рынок высококачественной сварочной проволоки в Соединенных Штатах в основном монополизирован ALCOA. 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 ликвацию и плохую производительность формовки. Существующие методы обработки по-прежнему имеют много проблем, таких как низкая производительность, плохое внешнее качество, длительный процесс, нестабильное качество и низкий выход годного. Сверхбыстрая кристаллизация и формовка могут препятствовать выделению магния, одновременно регулируя процесс для получения мелких равноосных кристаллов и нанофаз, что значительно улучшает эксплуатационные характеристики и однородность материала. Поэтому ожидается, что разработка технологии непрерывной реологической экструзии и прокатки сверхбыстрой кристаллизации для высокопроизводительных сплавов Al-Mg удовлетворит спрос на высококачественные сплавы Al-Mg.
Алюминиевые сплавы серии 6XXX
Алюминиевые сплавы 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 панелей кузова автомобиля, профилей, поковок и т. д. Исследования и разработки в области 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 виды автомобильных алюминиевых сплавов: 6016-S, 6016-IH, 6016-IBR, 6A16-S, 6A16-IBR, 6022 и т. д. Типичный лист из алюминиевого сплава серии 6XXX имеет относительное удлинение A50 не менее 25%, значение r не менее 0,60, предел текучести при парковке 60 дней Rp0.2 не менее 140 Н/мм2 и прирост предела текучести после затвердевания 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 самыми прочными из алюминиевых сплавов. Они признаны на международном уровне в качестве основных материалов в 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 приготовления и обработки алюминиевых сплавов серии 7XXX для авиации, и некоторые продукты полностью зависят от импорта. Из-за крупных слитков алюминиевых сплавов серии 7XXX с большим количеством легирующих элементов, широкого интервала кристаллизации, больших литейных напряжений и легкого окисления/сегрегации легирующих элементов металлургическое качество слитков и низкие характеристики формовки при комнатной температуре имеют большое значение.
Алюминиево-литиевый (Al-Li) сплав
Алюминиево-литиевый сплав является самым быстрорастущим легким материалом в авиационных материалах в 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 снижена 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 вязкостью и высокой устойчивостью к повреждениям. В Китае очень мало независимо разработанных марок алюминиево-литиевых сплавов, и только сплав 1420 был использован. Алюминиево-литиевый сплав, используемый в пассажирском самолете C919, поставляется Alcoa. В стране производятся лишь ограниченное количество сплавов, таких как 1420, 2195, 2197 и 2А97, а слитки имеют форму плоских слитков размером менее ((310~400)×1280×4000) мм и круглых слитков диаметром менее φ650 мм. Плоские слитки (2Б16) толщиной более 60 мм и шириной более 1500 мм, а также слитки (2Б16) диаметром более 1500 мм для высокотехнологичных авиационных применений до сих пор не производятся в промышленных масштабах. Поэтому разработка новых конструкций алюминиево-литиевых сплавов, технологий изготовления сверхбольших слитков и глубокой переработки имеет большое значение.
Жаропрочный алюминиевый сплав
Жаропрочные алюминиевые сплавы являются ключевыми базовыми материалами в областях аэрокосмической, автомобильной, железнодорожной промышленности и т. д., поскольку регулируют такие элементы, как Si, Fe, Ni, Ag и редкоземельные элементы, чтобы сделать алюминиевые сплавы стойкими 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 предъявляются более высокие требования к жаропрочным алюминиевым сплавам. 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 растяжение сплава Al-Mg, содержащего следовые количества скандия, на 30% выше, чем у сплава 5083, а предел текучести более чем вдвое. Его свариваемость сравнима с таковой у обычных сплавов серии 5XXX, механические свойства зоны термического влияния и сварного шва примерно равны свойствам матрицы, а его коррозионная стойкость сравнима со сплавом 5083. Замена сплавов серий 5XXX или 6XXX при производстве компонентов аэрокосмической промышленности может добиться значительного снижения веса, и это также превосходный материал для автомобилей и железнодорожного транспорта. Россия занимает лидирующие позиции в мире по разработке алюминиевых сплавов, содержащих скандий, и разработала 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 до сих пор существует пробел в области горячей штамповки высокопрочных алюминиевых сплавов. Сочетание новых материалов и разработки новых процессов формовки является эффективным способом решения проблемы штамповки высокопрочных автомобильных деталей из алюминиевых сплавов. Сосредоточение внимания на сплавах серии 7XXX, активное изучение сплавов серии 2XXX и разработка алюминиевых сплавов класса прочности 500 МПа для горячей штамповки открывают широкие перспективы для производства автомобильных деталей сложной формы.
Композитные материалы на основе алюминия
Многослойная композитная пластина из алюминия и стали: Эффективное соединение алюминиевых и стальных палуб стало одним из ограничений для облегчения надстроек крупных судов. Переходное соединение из алюминиевого и стального композита, используемое для сварки между алюминиевыми и стальными корпусами, представляет собой решение, заменяющее традиционный процесс клепки. Компания 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, их цена достигает 4×105 юаней/т. С появлением крупногабаритных судов в будущем для переходных соединений потребуются более высокие температуры сварки, большее напряжение смятия и более прочные интерфейсы склеивания, а также срочно требуются высокопроизводительные соединения из алюминия и стали.
Время публикации: 08 марта 2025 г.
