鋁合金材料發(fā)展現(xiàn)狀、趨勢(shì)及展望
2020年11月16日 10:35 33668次瀏覽 來源： 中國工程科學(xué) 分類： 鋁相關(guān)資訊
來源：中國工程科學(xué)
2020年 第22卷 第5期
作者：管仁國，婁花芬，黃暉，梁霄鵬，肖翔，李慧中，李芳，王建軍，運(yùn)新兵，曾黎濱
摘要：
本文綜合分析了鋁合金材料在航空航天、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，論述了我國鋁合金材料的產(chǎn)業(yè)規(guī)模和技術(shù)水平。針對(duì)我國在一些關(guān)鍵鋁合金材料方面存在的短板，以及在高性能鋁合金開發(fā)、加工工藝與智能控制等原創(chuàng)技術(shù)方面的不足，系統(tǒng)梳理了目前我國在鋁合金材料方面存在的主要問題。針對(duì)汽車、船舶、空天等領(lǐng)域的發(fā)展態(tài)勢(shì)，分析了鋁合金材料的市場(chǎng)需求。針對(duì)我國鋁合金材料的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀，提出以下發(fā)展對(duì)策和建議：加強(qiáng)研發(fā)體系建設(shè)，完善發(fā)展環(huán)境；優(yōu)化結(jié)構(gòu)，促進(jìn)提質(zhì)增效和協(xié)同發(fā)展；加強(qiáng)配套政策支持；推進(jìn)人才隊(duì)伍建設(shè)；推廣智能制造和“互聯(lián)網(wǎng)+”；加強(qiáng)國際合作，尤其是“一帶一路”國際合作。為解決鋁合金材料“卡脖子”問題，及鋁合金材料向高端化、綠色化方向發(fā)展提供重要參考。
關(guān)鍵詞：
鋁合金材料；汽車工業(yè)；
船舶工業(yè)；空天領(lǐng)域
一、前言
我國是鋁合金材料生產(chǎn)和消費(fèi)大國，鋁合金材料在交通、海洋、空天等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用，尤其在汽車、飛機(jī)、航天、艦船等領(lǐng)域的一些輕量化關(guān)鍵部件上，鋁合金材料具有不可替代性。而國內(nèi)絕大部分鋁合金材料屬于中低端產(chǎn)品，生產(chǎn)能耗高、效率低、成本高、附加值低，惡性競(jìng)爭(zhēng)的情況難以得到改變，且部分高端產(chǎn)品仍需從國外高價(jià)購買，這無疑阻礙了我國制造業(yè)升級(jí)的步伐。我國雖在通信、高鐵等領(lǐng)域具有顯著優(yōu)勢(shì)，但隨著國際形勢(shì)錯(cuò)綜復(fù)雜地變化，關(guān)鍵材料領(lǐng)域被卡脖子的風(fēng)險(xiǎn)日漸突出，自主創(chuàng)新迫在眉睫。在新的產(chǎn)業(yè)形勢(shì)下，發(fā)展高端鋁合金材料綠色化、智能化的制備與加工技術(shù)對(duì)支撐我國關(guān)鍵制造業(yè)的可持續(xù)優(yōu)質(zhì)發(fā)展具有重大戰(zhàn)略意義。本文主要介紹了國內(nèi)外鋁合金材料發(fā)展及研究現(xiàn)狀，分析常用鋁合金系的市場(chǎng)需求，總結(jié)目前我國在此領(lǐng)域遇到的問題以及未來發(fā)展目標(biāo)，并給出相應(yīng)的發(fā)展對(duì)策，以促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的升級(jí)和進(jìn)步。
二、國內(nèi)外鋁合金材料發(fā)展及研究現(xiàn)狀
（一）國外鋁合金材料發(fā)展及研究現(xiàn)狀
總體來看，工業(yè)發(fā)達(dá)國家鋁合金材料開發(fā)與應(yīng)用的歷史時(shí)間長，基礎(chǔ)好，研究積累雄厚，鋁合金材料體系系統(tǒng)性強(qiáng)，產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平較高。尤其是美國、俄羅斯等工業(yè)強(qiáng)國較早開展了鋁合金材料的研發(fā)工作，申請(qǐng)了大量的鋁合金牌號(hào)，廣泛應(yīng)用于汽車、船舶、空天等領(lǐng)域，現(xiàn)已形成了一定程度的專利霸權(quán)。
在汽車領(lǐng)域，鋁合金是實(shí)現(xiàn)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(nèi)公司相繼開發(fā)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(yè)公司（ALCOA）開發(fā)了X5085-O、5182-O等鋁合金，用于車身內(nèi)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(yè)公司在2018年開發(fā)了HHS360合金，抗拉強(qiáng)度比6082合金提高了10.8%，達(dá)到360N/mm2，伸長率達(dá)到10%；之后，該公司又在此基礎(chǔ)上開發(fā)了HHS400合金，抗壓強(qiáng)度達(dá)到400N/mm2，屈服強(qiáng)度≥370N/mm2，伸長率為8%，主要應(yīng)用于汽車制造。美國的肯聯(lián)鋁業(yè)公司開發(fā)了HSA6系列合金，其中HSA6-T6合金擠壓型材的最低屈服強(qiáng)度為370N/mm2，而最低抗拉強(qiáng)度為400N/mm2，與采用傳統(tǒng)鋁合金材料制造的全鋁汽車質(zhì)量相比，可減重30%以上。目前，國外先進(jìn)鋁加工企業(yè)致力于開發(fā)低成本的汽車板。印度的諾貝麗斯鋁業(yè)公司已經(jīng)推出AdvanzTM系列合金Ac5754R，進(jìn)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(fā)了具有優(yōu)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(fā)了新一代汽車板生產(chǎn)設(shè)備與工藝“Micro-Mill”技術(shù)，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(lǐng)域，應(yīng)用最多的為6082鋁合金，在前后防撞梁上較多企業(yè)嘗試使用6XXX系或7XXX系擠壓型材來制備。在船舶領(lǐng)域，鋁合金在船舶上的應(yīng)用逐漸擴(kuò)大。國外發(fā)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(lián)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(qiáng)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(lián)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(lǐng)域?qū)︿X合金材料的使用仍然以5083合金以及其改進(jìn)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(xué)性能的綜合優(yōu)勢(shì)。
在空天領(lǐng)域，現(xiàn)代空天用鋁材朝著高綜合性能、低密度、大規(guī)格、高均勻性和功構(gòu)一體化方向發(fā)展。針對(duì)2XXX系鋁合金，美國鋁業(yè)公司和法國鋁業(yè)公司開發(fā)了具有高強(qiáng)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(yè)公司、法國鋁業(yè)公司以及德國愛勵(lì)鋁業(yè)公司開發(fā)了具有低淬火敏感性的高強(qiáng)韌鋁合金：7085、7140、7081。在超高強(qiáng)鋁合金方面，法國鋁業(yè)公司開發(fā)了7056-T79/T76合金，已用于A380飛機(jī)翼壁板等。在Al-Li合金方面，俄羅斯開發(fā)了1460合金，美國開發(fā)了Weldlite系列合金和2097、2197、2195鋁鋰合金。美國肯聯(lián)鋁業(yè)公司開發(fā)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(lián)鋁業(yè)公司為Al-Cu-Li系合金注冊(cè)了Airware商標(biāo)。目前空天領(lǐng)域?qū)︿X合金材料的需求主要集中在高強(qiáng)度的2XXX和7XXX系合金，以及密度較低的鋁鋰合金。
（二）國內(nèi)鋁合金材料發(fā)展及研究現(xiàn)狀
“十三五”以來，我國鋁材生產(chǎn)能力和技術(shù)水平取得了巨大進(jìn)步，2019年鋁材產(chǎn)量達(dá)到5.252×107t，居世界首位。我國自主研發(fā)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(shù)體系。近年來，我國自行研制的新型高強(qiáng)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(dá)到國際先進(jìn)水平。在《變形鋁及鋁合金化學(xué)成分》（GB/T3190—2020）中，近10年我國共增加了29個(gè)國產(chǎn)鋁合金牌號(hào)。其中北京工業(yè)大學(xué)在國際上率先掌握了含鉺彌散強(qiáng)化鋁合金的制備和加工技術(shù)，研發(fā)的含鉺5E83鋁合金冷軋板、5E06鋁合金熱軋板、熱擠壓壁板等5個(gè)合金牌號(hào)列入國家標(biāo)準(zhǔn)，在國防及汽車等領(lǐng)域獲得重要應(yīng)用，部分品種替代了進(jìn)口產(chǎn)品。
針對(duì)高性能鋁合金型材的擠壓成形工藝與裝備，中車聯(lián)合高校開發(fā)出了鋁合金精煉、凈化、錠坯均勻化等技術(shù)，研制出了大型擠壓模具和設(shè)備，使鋁合金型材的開發(fā)周期縮短了25%，成本降低15%，成品率提高到62%。東北大學(xué)和大連交通大學(xué)分別開發(fā)了液態(tài)金屬、半固態(tài)金屬與固態(tài)金屬的連續(xù)擠壓短流程加工技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，在該技術(shù)領(lǐng)域達(dá)到國際先進(jìn)或水平。山東南山鋁業(yè)股份有限公司順利進(jìn)入波音公司的全球供應(yīng)商名錄。中國忠旺控股有限公司先后收購了德國烏納鋁業(yè)股份有限公司和以澳大利亞為生產(chǎn)基地的全鋁超級(jí)游艇制造商SilverYachtsLtd.的控股權(quán)。中鋁東北輕合金有限責(zé)任公司、西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司、西北鋁業(yè)有限責(zé)任公司提供的由關(guān)鍵鋁合金材料制造的大批先進(jìn)武器亮相、點(diǎn)兵沙場(chǎng)。此外，東北大學(xué)、上海交通大學(xué)、中鋁材料應(yīng)用研究院有限公司、吉林大學(xué)等在高強(qiáng)高導(dǎo)變形鋁合金、汽車用鋁合金和鑄造鋁合金方面達(dá)到國際先進(jìn)或水平。目前，具有我國知識(shí)產(chǎn)權(quán)的部分鋁合金材料已經(jīng)應(yīng)用于汽車、船舶、空天等領(lǐng)域。
在汽車領(lǐng)域，我國的鋁合金汽車板已初具規(guī)?；a(chǎn)能力，但成熟產(chǎn)品僅限6016與5182牌號(hào)，其他牌號(hào)仍未具備批量供貨能力。近年來，中國鋁業(yè)集團(tuán)有限公司在汽車輕量化領(lǐng)域取得了一定的成果，開發(fā)了汽車用6016、6014、5182、5754合金，并在吉利汽車、海馬汽車制造中實(shí)現(xiàn)小批量應(yīng)用。
在船舶領(lǐng)域，我國近些年來開發(fā)的可以商業(yè)化應(yīng)用的船用鋁合金板材/型材為5083、6061、6082鋁合金，隨著國家深藍(lán)戰(zhàn)略的實(shí)施，中國已開始建造自己的郵輪、“海上牧場(chǎng)”、鉆井平臺(tái)、發(fā)電站、直升機(jī)平臺(tái)，招商局集團(tuán)有限公司的第一艘極地號(hào)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(huán)境的鋁合金材料開發(fā)仍存在大量空白，尚需多領(lǐng)域、多學(xué)科交叉合作。
在空天領(lǐng)域，中國鋁業(yè)集團(tuán)有限公司下屬的鋁加工企業(yè)、北京航空材料研究院、有研科技集團(tuán)有限公司和中南大學(xué)等開發(fā)了超高強(qiáng)鋁合金、高純高損傷容限鋁合金、鋁鋰合金和稀土鋁合金等，并以此為基礎(chǔ)開發(fā)了2124-T351、2024-T851、2024HDT板材，7050/2124超寬超厚板，7B50-T7751厚板，7A55-T7751厚板，2A97鋁鋰合金薄板及型材，2297鋁鋰合金厚板等產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了多種產(chǎn)品的國產(chǎn)化。開發(fā)出高強(qiáng)高韌低淬火敏感性7A85鍛件，實(shí)現(xiàn)批量應(yīng)用，填補(bǔ)了國內(nèi)空白。西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司研制出的10m整體環(huán)件，連續(xù)刷新了鋁合金整體環(huán)件的世界記錄。
三、我國鋁合金材料領(lǐng)域存在的問題
值得注意的是，雖然我國鋁合金材料在產(chǎn)業(yè)規(guī)模與技術(shù)水平上成績斐然，但是我國現(xiàn)代工業(yè)體系建設(shè)起步晚、底子薄，追趕發(fā)達(dá)國家難度較大，相當(dāng)部分關(guān)鍵基礎(chǔ)材料、核心零部件仍不能自給。我國在未來較長一段時(shí)期內(nèi)都是關(guān)鍵基礎(chǔ)材料的需求大國，對(duì)此類材料數(shù)量和種類的需求將持續(xù)增加。而高端材料在產(chǎn)業(yè)體系中所占比例不高，原始創(chuàng)新偏少、基礎(chǔ)共性關(guān)鍵技術(shù)和精深加工技術(shù)研發(fā)不足。美國鋁業(yè)公司有3萬項(xiàng)專利，與之相對(duì)的是中國企業(yè)原創(chuàng)性專利少，幾百個(gè)常用牌號(hào)，中國自己研發(fā)的卻很少，同時(shí)產(chǎn)品質(zhì)量的一致性、均勻性、穩(wěn)定性不高。大飛機(jī)用預(yù)拉伸厚板和蒙皮板、乘用車面板等質(zhì)量穩(wěn)定性有待提高，部分高端鋁板帶箔材等仍依賴進(jìn)口。此外，我國鋁合金材料產(chǎn)業(yè)粗放式發(fā)展的問題嚴(yán)重，產(chǎn)業(yè)規(guī)模增長雖快，但研制少，“產(chǎn)學(xué)研”一體化的技術(shù)創(chuàng)新力量薄弱，高校與企業(yè)之間無法發(fā)揮協(xié)同創(chuàng)新優(yōu)勢(shì)。所以，逐步推進(jìn)相關(guān)研究和產(chǎn)業(yè)向高質(zhì)量、高創(chuàng)新、高效率發(fā)展十分重要。
在汽車領(lǐng)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(shí)產(chǎn)權(quán)的汽車用鋁合金，高端汽車用鋁未實(shí)現(xiàn)系列化，難以滿足汽車公司的個(gè)性化需求；②汽車板應(yīng)用技術(shù)研發(fā)平臺(tái)建設(shè)不足，在先進(jìn)成形、異種材料連接、低成本與環(huán)保的零部件制造與表面處理方面都需加強(qiáng)研究；③需加強(qiáng)鋁合金型材在新能源汽車上的應(yīng)用，建立相應(yīng)技術(shù)創(chuàng)新平臺(tái)，開發(fā)車身結(jié)構(gòu)、電驅(qū)系統(tǒng)、電池托盤、副車架、表面處理等相關(guān)產(chǎn)品。
在船舶領(lǐng)域，我國船舶用鋁合金仍存在兩方面的技術(shù)瓶頸：一是船舶用鋁合金的開發(fā)種類偏少，合金綜合性能、質(zhì)量穩(wěn)定性低于國外同牌號(hào)板材；二是鋁合金材料的船舶應(yīng)用技術(shù)，主要體現(xiàn)在焊接技術(shù)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(fā)展。
在空天領(lǐng)域，我國在空天鋁合金的研發(fā)和應(yīng)用方面與發(fā)達(dá)國家仍有明顯差距。我國對(duì)新合金的開發(fā)處于仿制階段，研制的合金品種較少；對(duì)合金化基礎(chǔ)理論研究較少。我國航空材料產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性、成本與進(jìn)口材料還存在一定差距。
四、各系鋁合金材料的市場(chǎng)需求及發(fā)展趨勢(shì)
鋁合金的市場(chǎng)需求往往決定了鋁合金制品的種類、產(chǎn)量及性能特征。由于鋁合金種類繁多，國內(nèi)外發(fā)展過程及現(xiàn)狀也不盡相同，且一部分鋁合金會(huì)交叉應(yīng)用于汽車、船舶及航空航天領(lǐng)域，所以該部分以鋁合金系來進(jìn)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(qiáng)度、韌性和疲勞強(qiáng)度，良好的耐熱、加工及焊接性能，被廣泛應(yīng)用于空天、汽車及兵器工業(yè)等領(lǐng)域。主要牌號(hào)有2A01、2A02、2A06、2A11、2A12等。針對(duì)提高強(qiáng)度、強(qiáng)韌性匹配、耐損傷容限性能相繼開發(fā)了一系列合金，如2024、2124、2524、2324合金等。我國裝備型號(hào)向輕量化、長壽命、高可靠、低成本方向發(fā)展，對(duì)機(jī)身蒙皮材料的斷裂韌性、抗裂紋擴(kuò)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(chǔ)上，已開發(fā)出了具有不同強(qiáng)度、韌性、疲勞、耐腐蝕性能匹配的2324、2624等機(jī)翼下翼面用高損傷容限鋁合金，并?