加强高性能铝合金研究 助力航空工业发展——访国家“千人计划”专家，北京科技大学庄林忠教授

：在先进铝合金的设计及先进工艺技术等的研究方面，您的团队近几年来主要有哪些创新性成果？

庄林忠：2010年，北京科技大学筹建了“先进材料工程技术基础研究中心”，主要从事先进工业铝合金材料和工艺的研究与开发。近几年主要研究内容包括：

（1）先进铝合金的设计新概念及应用研究。国际合金传统的分类，是根据铝合金中含有的主要金属元素的不同进行分类的，可分为9个系列，即1000系列至9000系列，如航空航天用铝合金主要包括2000系列（Al-Cu-Mg系）和7000系列（Al-Zn-Mg-Cu系）铝合金。我们的研究亮点在于打破传统合金设计理念，采用计算机辅助设计，突破传统合金的分类界限，开发具有自主知识产权的新型高性能系列铝合金。

合金的设计比较灵活，可任意添加金属元素的种类和含量，通过计算机辅助设计，可计算所加元素的种类和含量是否合理，在较短时间内测试合金的设计是否达到预期的性能。既有利于提高合金的设计效率，又有助于提高合金的综合性能。

首先是航空用先进铝合金的研究：2xxx/7xxx系合金设计新概念。在此方面主要的研究方向为：在2xxx/7xxx系列合金中引入Ge/Si/Mg等元素；充分利用复相竞争形核机理；利用复相强化提高强度，改善析出形状/分布提高断裂韧性；应用于航空板材、工程板材、模具板材等新材料的开发。其次，是汽车用6xxx系铝合金的多相协同强化研究。主要包括：6xxx系列合金中添加Zn等合金元素；多相竞争形核机理加速烤漆析出硬化；多相共存，显著提高强度，改善综合性能；应用于新型汽车板材等新材料的开发。再就是船舶板及装甲板用新型5xxx系铝合金研究。具体研究为：5xxx系列合金中引入Zn/Cu；降低合金中有效含Mg量及晶界析出分布改善抗晶界应力腐蚀能力；5xxx系列合金中引入高Zn：转变非析出强化型合金为固溶强化/析出强化兼容的新合金；应用于船板、装甲板及坦克底板等新材料开发。

（2）铝合金用新型工艺基础研究。在新型工艺基础方面，主要涉及以下几方面：高强度大规格7xxx系铝合金铸造工艺数值模拟；基于应变诱导析出细化铝合金组织的原理与新工艺研究；新型超低温变形工艺及机理研究；新型异步轧制工艺开发及变形控制机理研究。

：您多年来在国外学习和从事科研工作，从多年的经历看，在您所研究的领域，国外在哪些方面领先于国内，国内还需要做出哪些努力？

庄林忠：（1）铝合金的基础理论研究方面。国内在这方面的研究较少，如合金的强化机理、热处理理论、位错理论等，研究较少且不够深入，没有形成完整的理论体系，而国外已建立了雄厚的铝合金理论基础。

（2）科研的管理方面。国外在做科研之前，首先从战略层面进行规划设计，制定企业技术路线图，建立数据库；每隔一两年会组织相关人员对技术路线图进行重新评估并对技术路线图进行必要调整，目前国内很难做到这一点。国内的企业在做科研前很少有详细的规划，科研没有延续性，研究目标和研究内容随着人员的不同而随时改变。

（3）新合金研发和标准方面。国外企业很重视技术研发，每年都会投资几百万进行新合金的开发，除不断开发新合金、改良旧合金外，对每种合金根据用途和品种不同，制定相应内控标准。而国内企业在新产品开发过程，过度关注产品的产出结果，不注重研发过程，在新合金开发方面还处于仿制阶段。

（4）生产设备方面。我国的生产设备与国外比存在两极分化现象，有些设备相当于国外20世纪70～80年代水平，加工过程中材料综合利用率低，能耗、物耗高，成本高，效益差；有些企业的设备是世界一流的进口设备，但却没有充分利用，多年来平均设备利用率较低（50%～60%），这就导致企业的成本高，折旧费高。

：我国先进材料的制备和生产水平正在逐步提高，但与国外先进材料比还有一定差距，特别是在航空航天领域，高端铝材还是我们的短板，在高端铝材研发中仍处于跟踪仿制阶段。针对这些差距，国内需要在哪些方面进行突破？

庄林忠：中国铝加工业经过60多年的发展，已成为国际公认的铝材生产大国。目前，无论是铝合金熔炼设备、轧制设备还是铝合金挤压设备以及精整设备，现代化的一流铝加工设备之数量对全球各国而言应该是最多的，但由于研发资金投入少、基础研究薄弱，现代化一流设备只能大量生产性能不高的铝材，像航空航天工业所用的高端铝材仍是我们的短板。所以，我国要缩小与国外铝业的差距，逐步实现高端铝材的自主研发和生产，满足国内在航空航天等领域对高性能铝合金的重大需求，具体可从以下几个方面着手：

一是可从战略层面引导企业技术创新和研发，但要少干预，应该充分发挥企业的自主性，实现真正基于技术本身及市场需求的研发；二是增加科研投入，增强基础理论研究，实现铝合金研究的技术储备，使科研具有延续性和可继承性，逐步增强国内的研究实力和水平；三是高性能合金的开发和发展主要应围绕提高材料的强度、塑性、韧性、耐蚀性以及疲劳性能等综合性能来开展研究，其新型合金可通过调整合金成分、采用新的加工和制造技术等途径进行开发；四是新铝合金的研发不仅考虑其合金成分，而应该将合金成分、加工工艺及其应用3者结合起来，从根本上提高合金的综合性能；五是新型铝合金的研制要实现真正的产、学、研相结合，实施以自主知识产权为基点的原创性研发工作。

庄林忠：全面提高铝合金的综合性能仍将是今后一个时期国内外科研重点关注的焦点，也是我们关注的重点领域。我们的重点研究方向包括：一是突破传统铝合金的设计理念，结合专利数据库和相图计算创新性地设计开发新型合金，显著提高合金的综合性能；二是应用计算机辅助模拟指导工艺优化。在新工艺探索研究方面，开发超低温变形工艺、形变诱导变形工艺等，提高合金的加工性能和综合使用性能；三是注重产、学、研结合，以自主知识产权为基点的原创性研究，更好地满足国家对新材料的重大需求。