當代鋁合金擠壓新材料的發(fā)展特點及市場分析

文 / 西南鋁業(yè)（集團）有限責任公司 劉靜安

近年來，世界鋁及鋁合金加工材料大致向以下兩個方向發(fā)展：一是發(fā)展高強高韌等高性能鋁合金新材料，以滿足航天航空等軍事工業(yè)和一些特殊工業(yè)部門的需求；二是發(fā)展一系列具有各種性能和功能的、可以滿足不同條件和用途的民用鋁合金新材料。由于各國政府的支持、產(chǎn)業(yè)界和學術(shù)界的共同努力，已取得了可喜的成果，研發(fā)出一系列新合金和新材料，使鋁合金及其加工工藝達到了一個新的水平。

一、國內(nèi)外高性能鋁合金擠壓新材料發(fā)展水平分析與發(fā)展趨勢

1.高強高韌等高性能鋁合金及擠壓材料的發(fā)展特點

高性能鋁合金 中，最具代表性的是為適應(yīng)航空航天器高機動性、高載荷、高抗壓和高耐疲勞及高速與高可靠性的要求而研制的高強高韌鋁合金，主要包括2×××和7×××系列IM傳統(tǒng)熔鑄鋁合金，以及在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的PM粉末冶金合金、SF噴射成型鋁合金、鋁基復(fù)合材料、超塑性鋁合金等。主要的新合金有：2×××系的 2124、2224、2324、2048、2419、Д16Ч、1161、1163 等 和 7××× 系 的 7149、7249、7175、7475、7075、7150、7055、7155、7010、7068、7090、7091、7064、7812、CW67、B93пч、B950ч、B96ц-1、B96ц-3、01975、01970等。

（1）傳統(tǒng)的Al-Cu-Mg和Al-Cu-Mg-Zn系合金的改善研究及擠壓新材料的開發(fā)

調(diào)整合金中的主要合金元素含量及各組元的比值，添加微量過渡元素及稀土元素，減少合金中的Fe、Si等雜質(zhì)和氫、氧等氣體含量。提高合金的純凈度，從而改變合金中各種化合物的性能和成分，采用特殊的加工工藝和熱處理工藝生產(chǎn)的 T351、T7451、T851、T651、T7651、T7351、T7451、T77、T775、T791等不同狀態(tài)的高強高性能型材、管材和棒材。

（2）采用新合金元素開發(fā)的新合金及擠壓新材料

① 鋁-鋰合金（Al-Li）

鋁-鋰合金的特性是具有低的密度、高的彈性模量和高的強度。現(xiàn)在開發(fā)成熟的鋁-鋰合金主要是Al-Li-Sc-Zr系和Al-Li-Mg-Zr系合金，能夠替代7×××系超高強合金的均為Al-Li-Cu-Mg-Zr系合金。最典型的合金有2090和8091等。研制的目標是達到7075-T6的強度和7075-T73的抗蝕性能。1996年美國在直升機中應(yīng)用的鋁-鋰合金已達到機體重量的20%左右，2010年以后，在大型客機上，預(yù)計有20%以上的結(jié)構(gòu)采用鋁-鋰合金制作。

② 鋁-鈧合金（Al-Sc）

鈧屬于稀土類金屬元素，密度小、熔點高，因為它能顯著提高鋁合金的再結(jié)晶溫度和力學性能，因此備受青睞。近年來，俄羅斯和德國在Al-Sc合金的研究方面取得很大進展，并研究出Al-Zn-Mg-Sc-Zr系和Al-Mg-Sc系合金。前者的特性是強度高，塑性、疲勞性能和焊接性能好，是一種新的高強、高韌性可焊鋁合金。它主要應(yīng)用于航空和航天領(lǐng)域，此外，也可以應(yīng)用在高速艦艇和高速列車上。

③ 鋁-鈹合金（Al-Be）

鈹也屬于高熔點的稀有金屬，Al-（7.0～30）%Be-（3～8）%Mg合金都處于Al-Be-Mg三元相圖的兩相區(qū)，其組織由初晶鈹和固溶Mg的（Al）相組成，使合金具有很好的綜合性能。如Al-7.0%Be-3%Mg合金的抗拉強度達到650Mpa，伸長率大于10%，可以應(yīng)用在航空工業(yè)。但由于制造工序復(fù)雜，因此其應(yīng)用受到限制。

（3）采用新的制備技術(shù)研發(fā)新型超高強鋁合金材料

目前，采用PM法制造的超高強鋁合金，雖然成本較高、產(chǎn)品尺寸小，但可生產(chǎn)IM法無法生產(chǎn)的高綜合性能合金。國外已開發(fā)的PM超高強鋁合金有7090、7091和CW67合金等，其強度均達到700Mpa以上；其強度和抗SCC性能均比IM合金好，特別是CW67合金的斷裂韌性最好。目前，美國可生產(chǎn)重達650kg的坯錠，加工出來的擠壓件和模鍛件已應(yīng)用于飛機、導彈，以及航天器具。

SD噴射沉積法（噴射成型法）是一種新型的快速凝固技術(shù)，其特點介于DC鑄造和PM粉末冶金之間。SD法與PM法相比，生產(chǎn)工藝簡單、成本較低、金屬含氧化物少，僅是PM法的1/3～1/7，制錠重量大（可達1000kg以上），可批量生產(chǎn)，與IM法相比，最大的優(yōu)點是可以制備IM法無法生產(chǎn)的高合金化鋁合金，而且還可以生產(chǎn)顆粒復(fù)合材料。即使是生產(chǎn)普通合金，也具有鑄錠晶粒極其細微、加工材綜合性能好等特點。因此采用此方法來開發(fā)制造具有高性能的超高強鋁合金，有著廣闊的發(fā)展前景。

鋁基復(fù)合材料的研究方興未艾，它是金屬基復(fù)合材料中研究得最多和最主要的復(fù)合材料，各國都投入很大力量來研究。目前開發(fā)的鋁基復(fù)合材料主要有：B/Al、BC/Al、SiC/Al、Al2O3/Al等。添加的纖維可分為顆粒、晶須、短纖維和長纖維，其中SiC/Al復(fù)合材料是最有發(fā)展前途的，因為它不需要用擴散層處理包覆纖維，成本低。鋁基復(fù)合材料的特點是密度小、比強度和比剛度高、比彈性模量大、導電導熱性好、抗腐蝕、耐高溫、抗蠕變和耐疲勞等。美國用其制造的10m多長的型材和管材已用于各種航天器上，并且已成為鋁合金，甚至鋁-鋰合金的重要競爭對手。此外，鋁-鋼、鋁-鈦等層壓式鋁基超高強復(fù)合材料在近年來也得到發(fā)展。

（4）研究開發(fā)和應(yīng)用各種先進的、特殊的變形加工與熱處理新工藝，如超塑擠壓、半固態(tài)擠壓、等溫擠壓、復(fù)合擠壓、反向擠壓、無潤滑穿孔擠壓、扁擠壓、變斷面擠壓、靜液擠壓等先進擠壓技術(shù)和新型的形變熱處理工藝等來提高合金材料的綜合性能和特殊性能。如在研發(fā)大斷面擠壓型材和棒材時，對2024、2124、2324、2424、7175、7475、7055和 7155等合金，逐步加強合金中的雜質(zhì)控制，從最初牌號中Fe和Si含量的0.5%下降到最新牌號的0.1%以下，大大減少了近代斷裂力學理論認為的、可成為裂紋源的內(nèi)部缺陷數(shù)量和尺寸，改進了析出相的分布及形態(tài)，同時采用先進的工藝來生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)大鑄塊，用大變形進行擠壓加工，淬火后進行預(yù)拉伸，充分消除內(nèi)部殘余應(yīng)力，然后進行單級或多級人工時效，研發(fā)出在航空航天、兵器和艦船等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用的、適合于不同用途的 T351、T7451、T851、T651、T7651、T7351、T7451、T77、T7751和 T79等不同狀態(tài)的大型擠壓型材和棒材。

2.民用高性能鋁合金及擠壓材的開發(fā)

除了航空航天工業(yè)外，汽車、火車、電力和精密機械等部門也迫切需要輕量化和高性能材料，P/M鋁合金和鋁基復(fù)合材料為這些領(lǐng)域的發(fā)展創(chuàng)造了條件。鋁合金作為節(jié)能材料和功能材料越來越引起人們的重視，因此發(fā)展了一大批具有各種特殊性能和功能、能滿足不同用途的新型材料。

鋁合金密度低、比強度、比剛度高、耐腐蝕、易成形、可焊接、耐低溫、導電導熱性良好、無毒、無磁，可進行各種表面處理，所以鋁合金加工新材料在現(xiàn)代化交通運輸、民用建筑、電子電力、化學化工、能源動力、包裝印刷、機電輕工和家電文體等方面得到廣泛的應(yīng)用，各國已相繼研發(fā)出一系列具有各種性能或功能的民用鋁合金，如汽車車身板合金 5354、5754、6009、6010、x6111、6016、6017、2036、2037、2038、2026，以及CP609、GZ45、GZ145、GC45、GC150、GM245、KS5030、GV10、GV15等；汽車保險杠用的7021、7029等；軌道車廂用的 6005A、6N01、7005以及 Al-Zn-Mg中強可焊合金等；交通運輸用的CP703、7120、6013、6182、5022、5023、5083、5056、6101、6201、A4/L、A4G/L等合金；機械切削用的 6262、2011、6043等合金；導線用1370等合金；熱交換器用的Al-Si-Mg-Bi合金（把它包在3003系合金上作為釬焊材料）；沖壓和搪瓷器皿用的4006合金以及高級PS板基和高性能易拉罐板新合金和抗核輻射、抗震、耐磨等特殊新合金等，最近研發(fā)的6013合金，具有高的綜合性能，甚至可作為2024的替代品，用于航空航天與兵器上。

鋁合金門窗、幕墻等民用建筑型材是不斷淘汰中、低檔產(chǎn)品，研發(fā)新型的高檔產(chǎn)品。近年來，圍繞6063合金研發(fā)了一系列不同用途的新合金，而且向6061、6351、6082、6005A、7005等中強合金發(fā)展，狀態(tài)也由單一的“T5”向T6等方向發(fā)展，同時研制了隔熱斷橋型材等新品種和鋁-塑、鋁-木、鋁-塑-木等新材料，其應(yīng)用范圍也由門窗、圍欄等裝件向屋頂、桁架、立柱、跳板、橋梁、模板、腳手架等承力結(jié)構(gòu)件方向發(fā)展，大大加強了鋁型材在建筑領(lǐng)域中的地位。

現(xiàn)代交通運輸用大型鋁合金特種型材的品種越來越多，對性能和質(zhì)量的要求也越來越高，因此，需要開發(fā)不同性能要求的新型合金，目前已研發(fā)成功的新合金主要有：5022、5023、5059、5754、6005、6005A、6N01、6182、6013、6110A、7N01、7005等，并已成功地擠壓出各種用途的型材、棒材和管材。

3.我國鋁合金新材料與擠壓新產(chǎn)品的研制開發(fā)方向

我國從1960年開始至今，相繼對高強高韌高性能的航空航天、兵器、艦船等軍事和特殊工業(yè)部門用的新型鋁合金材料以及各種性能和用途的民用鋁合金新材料進行了深入系統(tǒng)的研究，并開發(fā)和生產(chǎn)出了上百種符合我國國情的各種鋁合金及擠壓材，基本上跟上了世界研究開發(fā)的步伐，有許多研究成果達到了國際先進水平，也基本上滿足了國防軍工和國民經(jīng)濟建設(shè)和人民生活的需要。但是，整體水平和自主研發(fā)能力與國際先進水平仍有很大差距，需要迎頭趕上，還有許多工作要做。

（1）鋁合金新材料的研發(fā)方向

用最新技術(shù)改善傳統(tǒng)鋁合金并研發(fā)一批新型鋁合金材料。應(yīng)用微合金化理論、采用電子冶金技術(shù)，調(diào)整合金元素含量和比例，添加高效微量元素，研究新型強化理論，開發(fā)新型形變熱處理工藝及高效純化、凈化、細化和均勻化新技術(shù)，改造現(xiàn)有1×××～9×××的上千種傳統(tǒng)鋁合金，使之充分發(fā)揮潛力，并設(shè)計和發(fā)展一批新型的高強、高韌、高模、耐磨、耐蝕、耐疲勞、耐高溫、耐低溫、耐輻射、防火、防爆、易切削、易拋光、可表面處理、可焊接的和超輕的鋁合金材料及擠壓產(chǎn)品，以適應(yīng)不同用途、各種性能、功能的需要，滿足不斷發(fā)展的國防軍工、科技尖端和國民經(jīng)濟高速度發(fā)展的要求。

（2）研究開發(fā)各種新型鋁合金熱處理、形變熱處理、表面處理，以獲得各種具有特殊性能和特種功能的新材料。

（3）全面深入研究鋁合金的成分–加工與熱處理 – 組織與性能之間的關(guān)系，以改善各種材料的性能，拓寬其用途，使之成為各種場合的新材料。

（4）廣泛研究鋁合金的粉末冶金、噴射成型、復(fù)合材料、超細粉和納米級材料等新產(chǎn)品。

（5）深入研究與開發(fā)各種先進的、特殊的擠壓加工方法與技術(shù)，熔鑄工藝與模具技術(shù)以及各種先進的熱處理技術(shù)與精整矯直工藝，大批量生產(chǎn)高強高性能的各種規(guī)格與形狀的鋁合金擠壓材。

二、鋁合金擠壓材的市場分析與預(yù)測

目前世界鋁年產(chǎn)、消量逾5000萬噸，并以每年5%～6%的速度增長。2012年，我國鋁產(chǎn)量達2000萬噸左右，年耗鋁量超過2200萬噸，年均增長率達20%以上。2012年，全球鋁加工材產(chǎn)、消量達4800萬噸（其中擠壓材1950萬噸以上），年增長率4%左右。我國鋁材年產(chǎn)消量2000萬噸左右，（其中擠壓材1050萬噸以上），年增長率20%以上，遠遠超過國際的增長速度。但是，由于我國基礎(chǔ)差，底子薄，人口多，鋁加工材的人·年均消耗量（10.8Kg/人·年），低于工業(yè)發(fā)達國家（美國為31Kg/人·年，日本為28Kg/人·年）。因此，在我國發(fā)展鋁加工工業(yè)仍有很大空間，特別是高精度鋁板、帶材、節(jié)能型高檔民用建筑型材和高檔高性能精密工業(yè)結(jié)構(gòu)型材，以及深加工產(chǎn)品等仍是我國“十二五”及以后相當長一段時間內(nèi)應(yīng)優(yōu)先發(fā)展的產(chǎn)品。統(tǒng)計資料表明，中國已成為世界上最大的鋁合金擠壓材生產(chǎn)國。比如，2012年，我國的總產(chǎn)量占世界擠壓材總產(chǎn)量的1/3以上，每年仍以18%左右的速率增長。同時，2012年，我國出口鋁型材達100萬噸以上，出口量正逐年上升，成為一個真正的鋁型材出口大國。目前，除了少量高檔建材和高檔高性能精密工業(yè)材需從國外進口外，大量建筑型材已遠銷歐美、日本和東南亞，成了型材凈出口國。

簡言之，我國在“十二五”以后的若干年內(nèi)，鋁合金型材市場（產(chǎn)、消）將向以下方面發(fā)展。

1.鋁合金建筑型材將在調(diào)整中持續(xù)發(fā)展

根據(jù)我國國民經(jīng)濟發(fā)展分三步走的戰(zhàn)略，現(xiàn)在我國已進入了全面建設(shè)小康社會階段，2001～2050年期間將達到中等發(fā)展國家的水平。2009年我國住宅建設(shè)面積25億m2，僅門窗生產(chǎn)規(guī)模就達65億m2左右。2050年前我國將新建250億～300億m2住宅，僅門窗就約需700億m2。年消耗鋁合金建材600萬噸以上，這還不包括其它建筑鋁型材及上海、長三角、珠三角、京津、成渝、長湘株等大城區(qū)和各級開發(fā)區(qū)的建設(shè)以及大地震等自然災(zāi)害重建所帶來的巨大需求。

伴隨著城市化建設(shè)步伐的加快；開發(fā)區(qū)和城鄉(xiāng)結(jié)合部的公租房、經(jīng)濟適用房、安置房等建設(shè)以及國民經(jīng)濟高速持續(xù)發(fā)展的拉動；塑料門窗缺陷的暴露和節(jié)能型新門窗產(chǎn)品的涌現(xiàn)等原因，在25～30年內(nèi)，我國民用建筑鋁型材估計年增長率為8%～10%，而國外已基本飽和，增長率僅為2%～3%。

2.工業(yè)鋁合金型材將在市場刺激下高速發(fā)展

我國工業(yè)鋁型材的發(fā)展還遠遠落后于建筑鋁型材，也落后于國際先進水平。據(jù)國外工業(yè)發(fā)達國家統(tǒng)計，鋁材的前三大用戶是交通運輸業(yè)、建筑業(yè)、包裝業(yè)，分別占鋁材消費的36%、21%和20%，尤其是交通運輸業(yè)為了減輕交通運輸工具的重量，實現(xiàn)交通運輸業(yè)高速化、輕量化和現(xiàn)代化，滿足現(xiàn)代交通工具高速、安全、節(jié)能、環(huán)保的車輛、船舶和集裝箱的需要，導致鋁材在交通運輸業(yè)中的應(yīng)用比例具有逐年擴大之趨勢。交通運輸業(yè)主要用工業(yè)鋁型材，但目前我國工業(yè)鋁型材的發(fā)展還不能滿足交通運輸及其他國民用經(jīng)濟發(fā)展的需求，這必然蘊藏一個非常有潛力的巨大市場。據(jù)發(fā)改委發(fā)布的有關(guān)信息，到2020年，我國將修建18000公里高速鐵路和8000公里地下鐵道或輕軌線，以及普通鐵路的動車組化（(200kg/h）和運煤、礦石和化學藥品等貨車車輛的鋁化等，每年共需大中型精密特種鋁合金擠壓材幾十萬噸。

此外，由于世界制造業(yè)的中心轉(zhuǎn)向中國，大大促進了我國飛機、交通運輸、汽車、集裝箱、機械制造、電子電器、石油化工、能源等工業(yè)部門的發(fā)展和出口量的逐年增加，工業(yè)用鋁型材的消耗會大大增加。如三個大飛機項目的啟動及大型航母的制造等大型工程的實施，需要大量的高質(zhì)量精密鋁合金型材、管材和和棒材。預(yù)計在近20年內(nèi)我國大中型特種鋁合金擠壓材將以年均18%的速度增長，因此發(fā)展空間很大。

3.高強高性能鋁合金材料的技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用前景

鋁合金是飛機和航天器輕量化的首選材料，鋁材在航空航天工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛。目前，鋁材在民用飛機結(jié)構(gòu)上的用量為70%～80%，在軍用飛機結(jié)構(gòu)上的用量為40%～60%。在最新型的B777客機上，鋁合金也占機體結(jié)構(gòu)質(zhì)量的70%以上。

鋁材在火箭與航天器上主要用于制造燃料箱、助燃劑箱。在宇航開發(fā)初期，美國采用2014合金，后來，由于自動焊接技術(shù)的開發(fā)與成熟，改用2219合金。

據(jù)波音公司預(yù)測，2008～2027年，全世界對100座以上新飛機的需求量為29400架，而空客預(yù)測為24000架，平均每年1500架。目前，制造飛機平均用鋁量比10年前已增長一倍多，平均每架飛機座位的用鋁量由10年前的450千克增長到1噸，鋁材料占寬體飛機平均自重的80%。據(jù)統(tǒng)計，一架大飛機平均用鋁約為100噸。在今后20年內(nèi)，全世界每年大飛機用鋁材約為50萬噸鋁合金材料。中國航空業(yè)步入高速增長軌道，帶動航空材料產(chǎn)業(yè)騰飛。據(jù)中國商飛公司測算，中國航空客流量將以每年7.7%速度增長，未來20年，中國總計需新增大型客機4097架，航空材料的國產(chǎn)率會穩(wěn)步提升，2010～2020年，航空合金材料的年增長率將保持在10%以上。在全球范圍內(nèi)，為了減少能源消耗和環(huán)境污染，鋁材成了交通運輸工具輕量化的首選材料，交通運輸業(yè)也成了鋁材的最大用戶（約占30%左右），其中高強高韌鋁合金材料主要用作承力結(jié)構(gòu)部件，如高速列車、地鐵和輕軌列車、動車組列車及豪華大巴和船舶艦艇用材以及新能源、機電制造、熱傳輸用材等，今后20年年均將需要300萬噸以上，中國需求量可能超過50%。隨著綠色建筑業(yè)的向前推進，以鋁合金綠色建筑結(jié)構(gòu)材料替代傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)材料，以綠色的鋁合金模板、腳手架替代傳統(tǒng)的建筑施工機械已成為必然的發(fā)展趨勢。