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國內外高 端鋁合金材料發展及研究現狀

來源:鋁高 端制造      發布日期: 2023年07月27日
信息摘要:近日,俄羅斯國立研究型技術大學研制出一種低成本、可耐400℃高溫的鋁合金,相較于其他類似合金可承受范圍高出100℃至150℃,預計將大大減少鐵路運輸、航空和其他設備的重量和碳足跡。而我國在碳中和和輕量化背景下,也在積極探索“以鋁代鋼”的發展模式,推動鋁合金行業的發展。

近日,俄羅斯國立研究型技術大學研制出一種低成本、可耐400℃高溫的鋁合金,相較于其他類似合金可承受范圍高出100℃至150℃,預計將大大減少鐵路運輸、航空和其他設備的重量和碳足跡。而我國在碳中和和輕量化背景下,也在積極探索“以鋁代鋼”的發展模式,推動鋁合金行業的發展。

鋁合金行業市場規模

由于鋁合金耐高溫、可循環利用、低成本等優點,近年來日益受到各個領域的廣泛應用。2017年鋁合金行業市場規模為2011.18億元,2020年增長至2765.53億元。預計2021年鋁合金行業市場規模將達到2997.55億元,2022年將進一步達到3318.34億元。

近年來,我國鋁合金產量持續增長。2021年9月中國鋁合金產量為93.5萬噸,同比增長3%;2021年1-9月中國鋁合金累計產量為835.4萬噸,累計增長19.2%;2015-2020年中國鋁合金產量逐年遞增,2020年達到。

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,工業發達我國鋁合金材料開發與應用的歷史時間長,基礎好,研究積累,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 [2] 在 2018 年開發了 HHS360 合金,抗拉強度比 6082 合金提高了 10.8%,達到 360 N/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 400 N/mm2 ,屈服強度不小于370 N/mm2 ,伸長率為 8%,主要應用于汽車制造。美國的肯聯鋁業公司 [2] 開發了 HSA6 系列合金,其中 HSA6-T6 合金擠壓型材的屈服強度為 370 N/mm2 ,而抗拉強度為 400 N/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良成形和卷邊性能的 AC-170PX 鋁合金 [3],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,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 [4],主要有:美國的 5086、5456 合金,日本的 5083 合金,英國的 N8(5083)合金,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 [4],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 12~82 mm)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-LiMg-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 [1],2019 年鋁材產量達到 5.252×107 t,居世界。我國自主研發了 LC4、 LC9、LY12、2A12、2A16、7A04、7B04、7A50、 7B50 等系列鋁合金 [6,7],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水平。在《變形鋁及鋁合金化學成分》(GB/T 3190—2020)中,近 10 年我國共增加了 29 個國產鋁合金牌號。其中北京工業大學在國際上掌握了含鉺彌散強化鋁合金的制備和加工技術,研發的含鉺 5E83 鋁合金冷軋板、5E06 鋁合金熱軋板、熱擠壓壁板等 5 個合金牌號列入我國標準 [8],在國防及汽車等領域獲得重要應用,部分品種替代了進口產品。

針對高性能鋁合金型材的擠壓成形工藝與裝備,中車聯合高校開發出了鋁合金精煉、凈化、錠坯均勻化等技術,研制出了大型擠壓模具和設備,使鋁合金型材的開發周期縮短了 25%,成本降低 15%,成品率提高到 62%。東北大學和大連交通大學分別開發了液態金屬、半固態金屬與固態金屬的連續擠壓短流程加工技術,實現了產業化,在該技術領域達到國際或水平。山東南山鋁業股份有限公司順利進入波音公司的全球供應商名錄。中國忠旺控股有限公司先后收購了德國烏納鋁業股份有限公司和以澳大利亞為生產基地的全鋁游艇制造商 Silver Yachts Ltd. 的控股權。中鋁東北輕合金有限責任公司、西南鋁業(集團)有限責任公司、西北鋁業有限責任公司提供的由關鍵鋁合金材料制造的大批武器亮相、點兵沙場。此外,東北大學、上海交通大學、中鋁材料應用研究院有限公司、吉林大學等在高強高導變形鋁合金、汽車用鋁合金和鑄造鋁合金方面達到國際或水平。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。

(三)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,追趕發達我國難度較大,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、發展重要。

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,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我國仍有明顯差距。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。

以上就是常熟國強和茂管材有限公司為你總結的國內外高 端鋁合金材料發展及研究現狀,如果還有什么相關知識不明白的,可以咨詢我們,本文轉載于“鋁高 端制造”

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