先进民用铝合金材料加工技术的研究与发展

林顺岩，林 林，温庆红，程思梦，李 霜，杨仕英

（西南铝业（集团）有限责任公司，重庆401326）

0 前言

随着铝应用范围的不断扩大和用量的不断增加，全球铝加工材产能和产量处于持续增长阶段。新技术、新工艺的应用、剧烈的市场竞争和全球经济一体化进程的加快对铝加工产业的发展产生了深远的影响。

西方发达国家铝加工行业起步早，发展时间长，整体技术及装备水平高，已进入市场成熟期。随着科学技术的进步和经济的飞速发展，发达国家和地区的铝加工行业在20 世纪末已基本完成了优胜劣汰、兼并重组的整合进程，建立了包括美国铝业公司(Alcoa）、诺贝丽斯铝业（Novelis）、海德鲁铝业（Hydro）、日本神户制钢（KOBE）、俄罗斯铝业公司（Rusal）、萨帕（Sapa）和爱励（Aleris）等在内的跨国铝业公司[1，2]。这些跨国铝业公司产业链完善，在全球进行资源配置，充分利用当地资源和市场，覆盖了从采矿、冶炼、铸造、轧制或挤压直到下游应用领域的全过程，并进行全球化生产和经营。

以美铝公司为代表的国外铝加工企业拥有深厚的铝合金加工技术基础研究，在铝加工关键技术、核心技术、技术创新和成果转化应用等方面具有明显的优势；同时，国外先进企业在世界各地包括中国进行产品、制造设备等市场布局，严重挤压了国内铝加工企业的市场份额和生存空间。

我国铝加工产业的产能和产量已发展为全球第一，增长最快的领域为民用普通铝及铝合金板带箔、建筑及轨道交通用铝型材、制罐料、印刷用铝板基等，其中增量部分以民营企业为主。我国是铝加工产业大国而非强国，95%以上的铝加工原创技术、先进技术和先进材料来源于国际先进铝加工企业。我国铝加工产业的发展主要依靠成熟技术、低成本复制扩张而使产能产量规模迅速膨胀，技术能力弱，多数企业没有研发机构和研发能力，与国际先进铝加工企业相比，差距是显著的[3]。由于缺乏系统、深入的铝合金基础特性研究，大多铝加工技术是引进和跟踪研究型的，生产的铝材产品大多是跟踪仿制型的，同质化生产、竞争严重，自主创新的少，在国际市场上缺乏强有力的竞争力，导致形成了铝材产能高、利润低的市场格局。尽管目前这种格局已有较大的改观，但依然任重道远。

近年来，铝及铝合金的材料开发主要集中在两个方向：（1）开发高强度、高韧性铝合金新材料，用以满足航空航天、交通运输和军事设施等特殊领域的需求；（2）发展具有不同性能和功能的民用铝合金，用来满足不同条件和用途的新材料。铝合金的广泛应用促进了铝合金加工制备技术的发展，但是随着铝合金产品性能要求的不断提高，对铝合金加工技术也提出了新的要求。重视和强化铝合金基础特性研究和系统理论建设，进一步提高对铝合金加工特性的认识，是实现铝合金加工技术创新的必由之路[4～6]。

1 铝合金材料基础特性研究

自成体系的、深入系统的铝合金基础特性研究是铝合金加工技术创新的基础。在目前现有的铝合金加工理论的基础上，借助先进的计算机、高速高清摄像机等先进仪器设备开展铝合金熔体凝固过程的传热与传质行为、铝合金固态形变与热处理过程中析出相的演化规律、多相微结构-界面-综合性能的本构关系等铝合金基础特性研究，形成自有的、系统的铝合金加工技术基础理论体系。同时结合目前的铝合金加工设备和生产制备技术来指导和优化现行的铝合金生产加工工艺，以实现铝加工技术创新和材料创新。

（1）铝合金熔炼铸造基础特性研究。研究在不同冷却速率条件下不同种类的铝熔体凝固过程热场的分布形式和熔体凝固前沿的初始形态，探寻凝固前沿推进过程中其形态的演化规律以及对坯料内部热应力场的影响规律；研究凝固过程中溶质的再分配方式，掌握一次凝固析出相的种类、形成和长大的热力学和动力学机制以及不同种类一次凝固析出相的分布规律、凝固过程中各种缺陷的形成机制等。

（2）铝合金塑性变形基础特性研究。研究外加形变力对不同尺寸/不同种类一次凝固析出相破碎的影响机制；研究外加形变力-形变速度-形变量-形变温度分布-形变抗力-材料开裂极限-残余内应力之间的内在关系；研究形变析出相的种类、形成和长大的热力学和动力学机制等。

（3）铝合金热处理基础特性研究。研究在铝合金固溶热处理过程中不同种类一次凝固析出相/形变析出相回溶的热力学和动力学机制；在铝合金急冷淬火处理过程中，研究材料的传热机制、残余内应力变化规律；在时效热处理过程中，探寻不同种类沉淀相形成和长大的热力学和动力学机制，并掌握不同种类沉淀相的分布规律；研究不同种类/尺寸沉淀相及界面与点/线缺陷的相互作用机制、不同种类/尺寸沉淀相质点间距和晶界对线缺陷运动方式、裂纹萌生与扩展的影响规律；深入研究沉淀相种类/尺寸/分布对材料静态/动态力学性能、抗腐蚀性能影响规律、材料静态/动态力学性能与材料抗高速冲击损伤性能之间的对应关系等。

2 民用铝合金材料的研究与设想

在民用航空、交通运输、3C 电子、新能源、体育和建筑等领域，铝合金材料都获得了广泛的市场应用。激烈的市场竞争促进了民用铝合金产品的质量和性能要求的提高，因此，只有进一步挖掘铝合金潜能，研究开发先进的民用铝合金材料和加工技术，才能更好地满足市场需求。

2.1 民用航空高性能铝合金

（1）民用航空用新型高性能稀土铝合金材料工程化制备技术。针对民用航空高性能稀土铝合金，深入开展稀土元素在铝合金应用中的基础研究，揭示稀土元素在铝合金中的影响机理、热-力条件下组织演变规律及与性能关系的系统研究，形成高性能稀土铝合金成分设计及制备加工的基础理论体系；进一步开展新型高性能稀土铝合金材料工程化制备以及应用研究，形成新型高性能稀土铝合金变形材全套生产工艺与应用成套技术，具备稳定的批量生产能力，实现在民用航空飞机上的装机应用，满足民用航空飞机批生产需求。

（2）新型高强耐蚀耐热铝合金。突破高强耐热铝合金成分设计及精确控制技术、高合金含量耐热合金铸造成型控制技术、多级均匀化处理技术、含稀土Sc、Er 等的高热稳定性热强相组织及性能控制技术等关键技术，形成高合金化铸锭质量稳定性控制制备技术，研制开发出含稀土的高强耐热铝合金新型材料；开展高强耐热铝合金材料的工程化研究，为民用航空领域应用的典型构件提供技术储备。

（3）高强韧耐蚀耐损伤容限铝合金。针对民用航空飞机耐久性损伤容限和防腐蚀性能设计要求，开发700 MPa强度级高耐蚀高韧性铝合金板材是必然趋势，拟通过新型合金成分设计及优化、调控弥散相质点的多级均匀化处理、轧制过程的变形组织调控及板形控制等方面的研究，研制开发具有优异的强度-断裂韧性-耐腐蚀性能匹配的700 MPa强度级高耐蚀高韧性铝合金预拉伸中厚板，为民用航空领域应用的关键结构件提供技术储备。

（4）原位自生纳米颗粒增强高性能铝基复合材料。该材料具有高的比强度、比模量，出色的抗疲劳能力，很好的耐热性、耐腐蚀性能等，且相对制备成本较低等优点，是目前具有突破性的铝合金新材料。掌握原位自生纳米颗粒的形态、大小等控制技术，采用高频脉冲磁场和高能超声场调控技术，控制纳米颗粒的团聚和分布，优化原位自生纳米颗粒增强高性能铝基复合材料DC 铸造技术。在改善合金组织的同时，实现纳米颗粒在合金晶内和晶界的均匀分布，显著提高铝合金材料的强塑性和抗疲劳性能，实现工业化大规格铸锭及铝材产品的规模化生产及市场应用。

（5）航空铝合金高质量制备加工关键技术及应用研究。针对航空用高质量铝合金材料，深入研究合金成分、组织、性能与制备加工之间的内在关系以及强韧化机制等科学问题和精细化调控技术，确立组织调控原则和安全服役准则，构筑基础数据平台，突破大型铝合金结构材料高可靠性、高稳定性和高均质性制备关键技术瓶颈，为航空铝合金结构材料完全自主可控提供理论基础与关键技术支撑。

2.2 交通运输轻量化铝合金

（1）兼顾轻量化与安全性的车用变形铝材研发与高质量产业化生产。中国为全球最大的汽车消费市场，传统燃油车和新能源车的设计制造都会进一步提升铝材的应用量，包括全铝车身和新能源车的电池壳等，对变形铝合金材料设计研发与高质量产业化提出紧迫需求。以企业为主体，通过“研产用”紧密结合，针对全流程中的问题环节开展联合攻关，细化和量化生产制备过程中制度细节和规范参数，建立全程可追溯的生产管理制度和体系，实现车用典型变形铝材的高质量稳定化生产与应用。

（2）铝材设计与“工艺-组织-性能”关联性应用基础研究。针对汽车车身结构对6×××系铝材（板材和型材）和电池壳对3×××系铝材的应用性能要求，依托多维多尺度微观组织的定量表征技术手段，开展基于综合性能需求的合金设计与工艺研究、基于单一优异性能的合金设计与工艺研究、应用性能（成形、连接等）研究与评价，开发出汽车车身及其结构、电池壳用铝合金材料，并实现低成本高稳定性生产制备。

（3）高成型性能高强度铝合金。通过优化设计铝合金化学成分和加工工艺，研制开发出与目前汽车铝材6016 合金深冲成型性能相当的（T4P 状态）、在短时烘烤后强度与2024-T351 状态相当的高成型性能高强度铝合金材料，满足汽车轻量化用抗冲击凹陷覆盖件的性能使用要求。

（4）大规格高强度泡沫铝合金。泡沫铝兼有多孔结构和金属的特点，具有轻质、高比强度、能量吸收、减震、阻尼、吸音、散热、电磁屏蔽等多种优良性能。采用模拟仿真技术，深入、系统研究泡沫铝结构与材料性能的交互影响，优化工业化大生产的各工艺参数，在此基础上简化生产制备工艺，降低生产成本，实现高强度大规格泡沫铝合金材料在交通运输轻量化领域的市场应用。

2.3 3C电子铝材及其它铝合金

（1）稀土铝合金开发与产业化。我国具有丰富的稀土资源，铝合金产业规模全球第一。已有研究表明，一些稀土元素（RE）与铝合金结合能有效提升合金的性能，但我国目前还没有开发出稳定应用的稀土铝合金，也没有在国际上开发形成具有中国特色品牌的稀土铝合金，因此，需要持续加大力度开展相关研究与产业化进程。通过“研学用”紧密结合，进一步开展稀土元素在铝合金中的基础应用研究，深入理解稀土元素在铝合金中的影响机理，开发出几种具有应用价值的稀土铝合金并推广应用。

（2）5G高表面高强高导热铝合金。通过优化设计合金化学成分、合理调控材料组织，研究合金成分、变形加工及热处理工艺对合金强度、导热性能、阳极氧化性能的影响，实现对合金晶粒、第二相化合物的控制；通过组织调控及对阳极氧化、电解着色的工艺研究，获得膜层均匀、无色差、无黑点黑线等缺陷的阳极氧化膜，开发高表面、高导热性、高强度性能的铝合金材料，满足市场需求的5G 用手机壳体、手机中板铝合金挤压铝材和轧制板材。

（3）高效低成本的铝-空电池铝合金阳极。深入、系统地研究铝合金阳极特有的合金元素，如低熔点金属元素、变形加工及热处理工艺对铝阳极电化学活性和抗自腐蚀性能的影响，开展铝合金阳极材料活化、钝化特性基础研究，开发满足铝空气电池使用要求的铝合金阳极材料，实现铝-空电池在汽车轻量化、应急电源等方面的市场化应用。

（4）800 MPa 级超高强度铝合金。突破现有高强铝合金成分设计范围，研制开发800 MPa级新型超高强度7×××系铝合金材料。重点开展800 MPa级高强铝合金工业化成分设计与精确控制、高合金化铸锭成型与高冶金质量铸锭制备、热加工过程组织均匀性调控、精密热处理工艺控制等关键技术研究，形成高合金化铸锭批产质量稳定性控制技术，建立加工与热处理过程组织演变与组织结构精细化控制技术；完成典型件研制和模拟服役条件的应用验证，初步实现船舶用高强度结构材料的轻量化替代，并为航天、航空、交通运输等领域应用的典型结构件轻量化设计与制备提供技术储备。

（5）石油勘探用高强韧耐蚀耐热铝合金钻杆。与钢钻杆相比，铝合金钻杆具有比密度低、强度高、弯曲应力小、耐H2S 和CO2等酸性气体腐蚀等优点，且有更大的钻深能力和较强的减震能力，因此铝合金钻杆在深井、超深井和酸性气井勘探开发中具有明显的优势。研究优化高溶质状态下合金的热处理工艺来控制微观组织，以期达到MPt、GBP、PFZ 的最佳组合，使合金实现高强、高韧、耐蚀、耐热的优化匹配；研究合金变形行为，建立合金组织演变模型；了解成分、微观组织等因素与宏观性能之间的关系，建立时效硬化模型、应力腐蚀、断裂韧性模型，实现对组织的精确控制，研制生产出满足市场需求的石油勘探用高强韧耐蚀耐热铝合金钻杆。

（6）铝合金材料绿色加工技术开发与产业化。面对资源和能源短缺问题，资源的综合利用和技术的革新尤为重要。系统开展回收铝合金的应用基础研究，深入理解多种元素在铝合金中耦合作用及其对材料组织性能影响机理，建立铝合金回收再利用体系，开发低能耗、低成本、高性能的铝合金材料绿色制备加工技术，为制备出具有应用价值的低成本绿色环保铝合金和“一铝多能”提供理论与技术支撑，实现我国逐年严苛节能减排目标和铝行业产业绿色升级。

3 结束语与展望

高性能、高质量、高均匀性、低成本、低碳环保仍是民用铝合金新材料、铝加工技术发展的主要方向。一是发展先进熔铸技术，不断提高能源利用效率，减少排放，提高铸锭冶金质量、化学成分和组织的控制水平；二是集成应用当代先进技术成果，发展高精度、高效率的自动化、专业化、大型化的技术装备，提升效能，保障高质量、高均一性产品的规模化生产；三是充分发挥计算机仿真技术在新材料研发、加工过程、加工工艺和模具设计与优化等领域的应用，大幅缩短研制周期，降低研制风险，提高生产效率和降低制备成本。

目前，铝合金加工材正向多合金、大宽度、高强度及高韧性、高纯度、高精度、高稳定性、超塑性及超导性方向发展，这势必要求在技术创新研究中，从材料机理研究到过程要素控制、加工过程影响因素、合理的工艺线路参数制定、严格的质量跟踪监督等方面，做全方位、大量细致的工作，建立铝合金基础特性表征、加工工艺技术数据库和产品质量检测、评价体系，实现先进民用铝合金材料加工技术的创新发展。