先進民用鋁合金材料加工技術的研究與發展

林順巖，林 林，溫慶紅，程思夢，李 霜，楊仕英

（西南鋁業（集團）有限責任公司，重慶401326）

0 前言

隨著鋁應用范圍的不斷擴大和用量的不斷增加，全球鋁加工材產能和產量處于持續增長階段。新技術、新工藝的應用、劇烈的市場競爭和全球經濟一體化進程的加快對鋁加工產業的發展產生了深遠的影響。

西方發達國家鋁加工行業起步早，發展時間長，整體技術及裝備水平高，已進入市場成熟期。隨著科學技術的進步和經濟的飛速發展，發達國家和地區的鋁加工行業在20 世紀末已基本完成了優勝劣汰、兼并重組的整合進程，建立了包括美國鋁業公司(Alcoa）、諾貝麗斯鋁業（Novelis）、海德魯鋁業（Hydro）、日本神戶制鋼（KOBE）、俄羅斯鋁業公司（Rusal）、薩帕（Sapa）和愛勵（Aleris）等在內的跨國鋁業公司[1，2]。這些跨國鋁業公司產業鏈完善，在全球進行資源配置，充分利用當地資源和市場，覆蓋了從采礦、冶煉、鑄造、軋制或擠壓直到下游應用領域的全過程，并進行全球化生產和經營。

以美鋁公司為代表的國外鋁加工企業擁有深厚的鋁合金加工技術基礎研究，在鋁加工關鍵技術、核心技術、技術創新和成果轉化應用等方面具有明顯的優勢；同時，國外先進企業在世界各地包括中國進行產品、制造設備等市場布局，嚴重擠壓了國內鋁加工企業的市場份額和生存空間。

我國鋁加工產業的產能和產量已發展為全球第一，增長最快的領域為民用普通鋁及鋁合金板帶箔、建筑及軌道交通用鋁型材、制罐料、印刷用鋁板基等，其中增量部分以民營企業為主。我國是鋁加工產業大國而非強國，95%以上的鋁加工原創技術、先進技術和先進材料來源于國際先進鋁加工企業。我國鋁加工產業的發展主要依靠成熟技術、低成本復制擴張而使產能產量規模迅速膨脹，技術能力弱，多數企業沒有研發機構和研發能力，與國際先進鋁加工企業相比，差距是顯著的[3]。由于缺乏系統、深入的鋁合金基礎特性研究，大多鋁加工技術是引進和跟蹤研究型的，生產的鋁材產品大多是跟蹤仿制型的，同質化生產、競爭嚴重，自主創新的少，在國際市場上缺乏強有力的競爭力，導致形成了鋁材產能高、利潤低的市場格局。盡管目前這種格局已有較大的改觀，但依然任重道遠。

近年來，鋁及鋁合金的材料開發主要集中在兩個方向：（1）開發高強度、高韌性鋁合金新材料，用以滿足航空航天、交通運輸和軍事設施等特殊領域的需求；（2）發展具有不同性能和功能的民用鋁合金，用來滿足不同條件和用途的新材料。鋁合金的廣泛應用促進了鋁合金加工制備技術的發展，但是隨著鋁合金產品性能要求的不斷提高，對鋁合金加工技術也提出了新的要求。重視和強化鋁合金基礎特性研究和系統理論建設，進一步提高對鋁合金加工特性的認識，是實現鋁合金加工技術創新的必由之路[4～6]。

1 鋁合金材料基礎特性研究

自成體系的、深入系統的鋁合金基礎特性研究是鋁合金加工技術創新的基礎。在目前現有的鋁合金加工理論的基礎上，借助先進的計算機、高速高清攝像機等先進儀器設備開展鋁合金熔體凝固過程的傳熱與傳質行為、鋁合金固態形變與熱處理過程中析出相的演化規律、多相微結構-界面-綜合性能的本構關系等鋁合金基礎特性研究，形成自有的、系統的鋁合金加工技術基礎理論體系。同時結合目前的鋁合金加工設備和生產制備技術來指導和優化現行的鋁合金生產加工工藝，以實現鋁加工技術創新和材料創新。

（1）鋁合金熔煉鑄造基礎特性研究。研究在不同冷卻速率條件下不同種類的鋁熔體凝固過程熱場的分布形式和熔體凝固前沿的初始形態，探尋凝固前沿推進過程中其形態的演化規律以及對坯料內部熱應力場的影響規律；研究凝固過程中溶質的再分配方式，掌握一次凝固析出相的種類、形成和長大的熱力學和動力學機制以及不同種類一次凝固析出相的分布規律、凝固過程中各種缺陷的形成機制等。

（2）鋁合金塑性變形基礎特性研究。研究外加形變力對不同尺寸/不同種類一次凝固析出相破碎的影響機制；研究外加形變力-形變速度-形變量-形變溫度分布-形變抗力-材料開裂極限-殘余內應力之間的內在關系；研究形變析出相的種類、形成和長大的熱力學和動力學機制等。

（3）鋁合金熱處理基礎特性研究。研究在鋁合金固溶熱處理過程中不同種類一次凝固析出相/形變析出相回溶的熱力學和動力學機制；在鋁合金急冷淬火處理過程中，研究材料的傳熱機制、殘余內應力變化規律；在時效熱處理過程中，探尋不同種類沉淀相形成和長大的熱力學和動力學機制，并掌握不同種類沉淀相的分布規律；研究不同種類/尺寸沉淀相及界面與點/線缺陷的相互作用機制、不同種類/尺寸沉淀相質點間距和晶界對線缺陷運動方式、裂紋萌生與擴展的影響規律；深入研究沉淀相種類/尺寸/分布對材料靜態/動態力學性能、抗腐蝕性能影響規律、材料靜態/動態力學性能與材料抗高速沖擊損傷性能之間的對應關系等。

2 民用鋁合金材料的研究與設想

在民用航空、交通運輸、3C 電子、新能源、體育和建筑等領域，鋁合金材料都獲得了廣泛的市場應用。激烈的市場競爭促進了民用鋁合金產品的質量和性能要求的提高，因此，只有進一步挖掘鋁合金潛能，研究開發先進的民用鋁合金材料和加工技術，才能更好地滿足市場需求。

2.1 民用航空高性能鋁合金

（1）民用航空用新型高性能稀土鋁合金材料工程化制備技術。針對民用航空高性能稀土鋁合金，深入開展稀土元素在鋁合金應用中的基礎研究，揭示稀土元素在鋁合金中的影響機理、熱-力條件下組織演變規律及與性能關系的系統研究，形成高性能稀土鋁合金成分設計及制備加工的基礎理論體系；進一步開展新型高性能稀土鋁合金材料工程化制備以及應用研究，形成新型高性能稀土鋁合金變形材全套生產工藝與應用成套技術，具備穩定的批量生產能力，實現在民用航空飛機上的裝機應用，滿足民用航空飛機批生產需求。

（2）新型高強耐蝕耐熱鋁合金。突破高強耐熱鋁合金成分設計及精確控制技術、高合金含量耐熱合金鑄造成型控制技術、多級均勻化處理技術、含稀土Sc、Er 等的高熱穩定性熱強相組織及性能控制技術等關鍵技術，形成高合金化鑄錠質量穩定性控制制備技術，研制開發出含稀土的高強耐熱鋁合金新型材料；開展高強耐熱鋁合金材料的工程化研究，為民用航空領域應用的典型構件提供技術儲備。

（3）高強韌耐蝕耐損傷容限鋁合金。針對民用航空飛機耐久性損傷容限和防腐蝕性能設計要求，開發700 MPa強度級高耐蝕高韌性鋁合金板材是必然趨勢，擬通過新型合金成分設計及優化、調控彌散相質點的多級均勻化處理、軋制過程的變形組織調控及板形控制等方面的研究，研制開發具有優異的強度-斷裂韌性-耐腐蝕性能匹配的700 MPa強度級高耐蝕高韌性鋁合金預拉伸中厚板，為民用航空領域應用的關鍵結構件提供技術儲備。

（4）原位自生納米顆粒增強高性能鋁基復合材料。該材料具有高的比強度、比模量，出色的抗疲勞能力，很好的耐熱性、耐腐蝕性能等，且相對制備成本較低等優點，是目前具有突破性的鋁合金新材料。掌握原位自生納米顆粒的形態、大小等控制技術，采用高頻脈沖磁場和高能超聲場調控技術，控制納米顆粒的團聚和分布，優化原位自生納米顆粒增強高性能鋁基復合材料DC 鑄造技術。在改善合金組織的同時，實現納米顆粒在合金晶內和晶界的均勻分布，顯著提高鋁合金材料的強塑性和抗疲勞性能，實現工業化大規格鑄錠及鋁材產品的規模化生產及市場應用。

（5）航空鋁合金高質量制備加工關鍵技術及應用研究。針對航空用高質量鋁合金材料，深入研究合金成分、組織、性能與制備加工之間的內在關系以及強韌化機制等科學問題和精細化調控技術，確立組織調控原則和安全服役準則，構筑基礎數據平臺，突破大型鋁合金結構材料高可靠性、高穩定性和高均質性制備關鍵技術瓶頸，為航空鋁合金結構材料完全自主可控提供理論基礎與關鍵技術支撐。

2.2 交通運輸輕量化鋁合金

（1）兼顧輕量化與安全性的車用變形鋁材研發與高質量產業化生產。中國為全球最大的汽車消費市場，傳統燃油車和新能源車的設計制造都會進一步提升鋁材的應用量，包括全鋁車身和新能源車的電池殼等，對變形鋁合金材料設計研發與高質量產業化提出緊迫需求。以企業為主體，通過“研產用”緊密結合，針對全流程中的問題環節開展聯合攻關，細化和量化生產制備過程中制度細節和規范參數，建立全程可追溯的生產管理制度和體系，實現車用典型變形鋁材的高質量穩定化生產與應用。

（2）鋁材設計與“工藝-組織-性能”關聯性應用基礎研究。針對汽車車身結構對6×××系鋁材（板材和型材）和電池殼對3×××系鋁材的應用性能要求，依托多維多尺度微觀組織的定量表征技術手段，開展基于綜合性能需求的合金設計與工藝研究、基于單一優異性能的合金設計與工藝研究、應用性能（成形、連接等）研究與評價，開發出汽車車身及其結構、電池殼用鋁合金材料，并實現低成本高穩定性生產制備。

（3）高成型性能高強度鋁合金。通過優化設計鋁合金化學成分和加工工藝，研制開發出與目前汽車鋁材6016 合金深沖成型性能相當的（T4P 狀態）、在短時烘烤后強度與2024-T351 狀態相當的高成型性能高強度鋁合金材料，滿足汽車輕量化用抗沖擊凹陷覆蓋件的性能使用要求。

（4）大規格高強度泡沫鋁合金。泡沫鋁兼有多孔結構和金屬的特點，具有輕質、高比強度、能量吸收、減震、阻尼、吸音、散熱、電磁屏蔽等多種優良性能。采用模擬仿真技術，深入、系統研究泡沫鋁結構與材料性能的交互影響，優化工業化大生產的各工藝參數，在此基礎上簡化生產制備工藝，降低生產成本，實現高強度大規格泡沫鋁合金材料在交通運輸輕量化領域的市場應用。

2.3 3C電子鋁材及其它鋁合金

（1）稀土鋁合金開發與產業化。我國具有豐富的稀土資源，鋁合金產業規模全球第一。已有研究表明，一些稀土元素（RE）與鋁合金結合能有效提升合金的性能，但我國目前還沒有開發出穩定應用的稀土鋁合金，也沒有在國際上開發形成具有中國特色品牌的稀土鋁合金，因此，需要持續加大力度開展相關研究與產業化進程。通過“研學用”緊密結合，進一步開展稀土元素在鋁合金中的基礎應用研究，深入理解稀土元素在鋁合金中的影響機理，開發出幾種具有應用價值的稀土鋁合金并推廣應用。

（2）5G高表面高強高導熱鋁合金。通過優化設計合金化學成分、合理調控材料組織，研究合金成分、變形加工及熱處理工藝對合金強度、導熱性能、陽極氧化性能的影響，實現對合金晶粒、第二相化合物的控制；通過組織調控及對陽極氧化、電解著色的工藝研究，獲得膜層均勻、無色差、無黑點黑線等缺陷的陽極氧化膜，開發高表面、高導熱性、高強度性能的鋁合金材料，滿足市場需求的5G 用手機殼體、手機中板鋁合金擠壓鋁材和軋制板材。

（3）高效低成本的鋁-空電池鋁合金陽極。深入、系統地研究鋁合金陽極特有的合金元素，如低熔點金屬元素、變形加工及熱處理工藝對鋁陽極電化學活性和抗自腐蝕性能的影響，開展鋁合金陽極材料活化、鈍化特性基礎研究，開發滿足鋁空氣電池使用要求的鋁合金陽極材料，實現鋁-空電池在汽車輕量化、應急電源等方面的市場化應用。

（4）800 MPa 級超高強度鋁合金。突破現有高強鋁合金成分設計范圍，研制開發800 MPa級新型超高強度7×××系鋁合金材料。重點開展800 MPa級高強鋁合金工業化成分設計與精確控制、高合金化鑄錠成型與高冶金質量鑄錠制備、熱加工過程組織均勻性調控、精密熱處理工藝控制等關鍵技術研究，形成高合金化鑄錠批產質量穩定性控制技術，建立加工與熱處理過程組織演變與組織結構精細化控制技術；完成典型件研制和模擬服役條件的應用驗證，初步實現船舶用高強度結構材料的輕量化替代，并為航天、航空、交通運輸等領域應用的典型結構件輕量化設計與制備提供技術儲備。

（5）石油勘探用高強韌耐蝕耐熱鋁合金鉆桿。與鋼鉆桿相比，鋁合金鉆桿具有比密度低、強度高、彎曲應力小、耐H2S 和CO2等酸性氣體腐蝕等優點，且有更大的鉆深能力和較強的減震能力，因此鋁合金鉆桿在深井、超深井和酸性氣井勘探開發中具有明顯的優勢。研究優化高溶質狀態下合金的熱處理工藝來控制微觀組織，以期達到MPt、GBP、PFZ 的最佳組合，使合金實現高強、高韌、耐蝕、耐熱的優化匹配；研究合金變形行為，建立合金組織演變模型；了解成分、微觀組織等因素與宏觀性能之間的關系，建立時效硬化模型、應力腐蝕、斷裂韌性模型，實現對組織的精確控制，研制生產出滿足市場需求的石油勘探用高強韌耐蝕耐熱鋁合金鉆桿。

（6）鋁合金材料綠色加工技術開發與產業化。面對資源和能源短缺問題，資源的綜合利用和技術的革新尤為重要。系統開展回收鋁合金的應用基礎研究，深入理解多種元素在鋁合金中耦合作用及其對材料組織性能影響機理，建立鋁合金回收再利用體系，開發低能耗、低成本、高性能的鋁合金材料綠色制備加工技術，為制備出具有應用價值的低成本綠色環保鋁合金和“一鋁多能”提供理論與技術支撐，實現我國逐年嚴苛節能減排目標和鋁行業產業綠色升級。

3 結束語與展望

高性能、高質量、高均勻性、低成本、低碳環保仍是民用鋁合金新材料、鋁加工技術發展的主要方向。一是發展先進熔鑄技術，不斷提高能源利用效率，減少排放，提高鑄錠冶金質量、化學成分和組織的控制水平；二是集成應用當代先進技術成果，發展高精度、高效率的自動化、專業化、大型化的技術裝備，提升效能，保障高質量、高均一性產品的規模化生產；三是充分發揮計算機仿真技術在新材料研發、加工過程、加工工藝和模具設計與優化等領域的應用，大幅縮短研制周期，降低研制風險，提高生產效率和降低制備成本。

目前，鋁合金加工材正向多合金、大寬度、高強度及高韌性、高純度、高精度、高穩定性、超塑性及超導性方向發展，這勢必要求在技術創新研究中，從材料機理研究到過程要素控制、加工過程影響因素、合理的工藝線路參數制定、嚴格的質量跟蹤監督等方面，做全方位、大量細致的工作，建立鋁合金基礎特性表征、加工工藝技術數據庫和產品質量檢測、評價體系，實現先進民用鋁合金材料加工技術的創新發展。