Алуминият е най-разпространеният метален елемент в земната кора. Той е цветният метал с втория по големина добив и употреба в света след стоманата. Има ниска плътност, около 1/3 от стоманата. Тъй като чистият алуминий е мек и има ниска якост, чрез добавяне на малко количество елементи като магнезий, мед, цинк, силиций и литий към алуминия, характеристиките на алуминиевата сплав се подобряват. Алуминиевите сплави са най-широко използваните конструкционни материали от цветни метали в промишлеността поради отличните им механични свойства и устойчивост на корозия. Те са широко използвани в строителството, аерокосмическата промишленост, автомобилостроенето, машиностроенето, корабостроенето и химическата промишленост.
Алуминиевите сплави имат отлични свойства в механиката и химията:
① Механични аспекти, отразени главно в ниска плътност, висока якост, висок модул и др. Алуминият има ниска плътност и е по-лек от другите метали, само 1/4 от стоманата, така че е подходящ за употреба в области с високи изисквания за лекота;
② По отношение на химичните свойства, тъй като алуминиевата сплав може да образува плътен оксиден филм на повърхността си във въздуха, тя може да се предпази от дълбоко окисляване. Следователно, тя има отлична устойчивост на корозия и много стабилен химичен състав.
③Алуминиевата сплав има добра пластичност и може да се обработва в различни профили. Тя има отлична електрическа и топлопроводимост. Поради това се използва широко в промишлеността и е на второ място по употреба след стоманата.
В момента в индустрията има над 250 алуминиеви сплави с различен състав. За да се улесни разграничаването според различните състави на сплавите, Китай приема международно приетия метод за четирицифрена класификация, за да улесни маркирането на производствените площадки, запаметяването и управлението на изчисленията. Алуминиевите сплави, използвани във военната промишленост, включват главно алуминиево-литиеви сплави от серия 2XXX (A1-Cu-Mg) и алуминиеви сплави от серия 7XXX.
Пазарно търсене и тенденция на развитие на различни материали от алуминиеви сплави
Алуминиева сплав серия 2XXX
Алуминиевите сплави от серия 2XXX (A1-Cu-Mg) имат висока якост на опън, жилавост и якост на умора, добра топлоустойчивост, свойства за обработка и заваряване и се използват широко в аерокосмическата, автомобилната и оръжейната промишленост. Основните марки са 2A01, 2A02, 2A06, 2A11, 2A12 и др. Разработени са серии от сплави за подобряване на якостта, съчетаването на жилавостта и устойчивостта на повреди, като например сплави 2024, 2124, 2524, 2324 и др.
Китайските модели оборудване се развиват в посока на леко тегло, дълъг живот, висока надеждност и ниска цена, като имат високи изисквания за якост на счупване, устойчивост на разпространение на пукнатини и устойчивост на корозия на материала на обшивката на фюзелажа. Въз основа на дебелата плоча от алуминиева сплав 2024-T351, чужди страни са разработили алуминиеви сплави 2324, 2624 и други с висока устойчивост на повреди за долната повърхност на крилото с различна якост, жилавост, устойчивост на умора и корозия, и са постигнали инсталация и приложение. Китай разработва алуминиеви сплави с висока устойчивост на повреди от серията 2XXX. В бъдеще композитното микролегиране ще бъде важна насока за развитие на високоякостните алуминиеви сплави от серията Al-Cu-Mg.
Алуминиева сплав серия 4XXX
В момента евтектичните и хипоевтектичните Al-Si сплави се използват главно за автомобилни бутала в Китай. С непрекъснатото подобряване на изискванията за производителност на двигателите обаче е трудно да се отговорят на изискванията за производителност. Хиперевтектичната Al-Si сплав има ниска плътност, малък коефициент на линейно разширение, по-висока износоустойчивост и обемна стабилност и е по-подходящ материал за бутала в сравнение с евтектичните Al-Si сплави. Буталата от хиперевтектични Al-Si сплави се произвеждат масово в чужбина и се прилагат в камиони и автомобили, като например сплав A390 в Съединените щати, сплави AC9A и AC8A (ZL109) в Япония и сплав A390 в Австралия. В момента обаче в Китай има малко производители, които произвеждат хиперевтектични Al-Si сплави бутала и повечето от тях разчитат на внос. Освен това има голяма разлика между материалите от алуминиеви сплави за автомобилни турбокомпресори и чуждите страни. Високопроизводителните материали от алуминиеви сплави за автомобилни турбокомпресори се основават главно на Япония и други страни. Следователно е наложително да се разработят ключови материали от алуминиеви сплави за автомобили за високопроизводителни бутала и работни колела на турбокомпресори.
Алуминиеви сплави от серия 5XXX
Al-Mg сплавите, особено Al-Mg сплавите с високо съдържание на Mg, имат висока специфична якост, добра заваряемост и устойчивост на корозия и ще се превърнат в силно конкурентни материали в бъдеще в аерокосмическата индустрия, високоскоростните влакове, океаните и други области. В момента плочите, профилите и заваръчните телчета от Al-Mg сплави за аерокосмическата индустрия, влаковете, океаните и други приложения разчитат главно на внос. Пазарът на висококачествени заваръчни телчета е основно монополизиран от ALCOA в Съединените щати. Сплавите ER5183 и ER5356 разчитат главно на внос, като обемът на вноса представлява около 70% от продажбите им. Al-Mg сплавите за кораби разчитат главно на Русия. Конвенционалните блокове от сплави с високо съдържание на Mg имат добре развити дендрити, силна евтектична фазова сегрегация и лоши характеристики на формоване. Съвременните методи на обработка все още имат много проблеми, като ниска производителност, лошо видимо качество, дълъг процес, нестабилно качество и нисък добив. Суб-бързото втвърдяване и формоване може да инхибира утаяването на Mg и същевременно да се регулира, за да се получат фини равноосни кристали и наноутаени фази, което значително подобрява производителността и еднородността на материала. Следователно, разработването на технология за суб-бързо втвърдяване, непрекъснато реологично екструдиране и валцоване за високопроизводителни Al-Mg сплави се очаква да отговори на търсенето на висококачествени Al-Mg сплави.
Алуминиеви сплави серия 6XXX
Алуминиевите сплави от серия 6XXX са ключови материали в областта на железопътния транспорт, автомобилите, електрониката и др. От 80-те години на миналия век развитите страни и региони като Европа, Съединените щати и Япония са разработили алуминиеви сплави за автомобили, регистрирали са марки като 6009, 6016, 6010, 6111, 6022 и 6082 и са формирали относително пълна система за производство и приложение на автомобилни каросерийни панели, екструдирани профили, изковки и др. Индустриализирането на каросерийните панели и изковки от алуминиеви сплави от серия 6XXX в Китай току-що е започнало и има ясна празнина. Министерството на промишлеността и информационните технологии на Китай предложи разработването на листове от алуминиеви сплави за автомобилната индустрия да бъдат: 6016-S, 6016-IH, 6016-IBR, 6A16-S, 6A16-IBR, 6022 и др. Типичният лист от алуминиева сплав от серия 6XXX има удължение A50 не по-малко от 25%, r-стойност не по-малка от 0,60, граница на провлачване при паркиране 60 d Rp0.2 не по-малка от 140 N/mm2 и увеличение на границата на провлачване при втвърдяване на боята не по-малко от 80 N/mm2. В отговор на различните нужди, разработването на технологии за проектиране, подготовка и обработка на алуминиеви сплави от серия 6XXX се превърна в неизбежна тенденция.
Алуминиеви сплави серия 7XXX
Алуминиевите сплави от серия 7XXX имат добра устойчивост на корозия под напрежение и са най-здравата серия сред алуминиевите сплави. Те са международно признати като материали за авиацията. Наскоро чужди страни разработиха сплав 7055 (Al8Zn-2.05Mg-2.3Cu-0.16Zr), чиято граница на провлачване надвишава 620 MPa в състояние T77511. Тя се използва в самолети Boeing 777 и намалява теглото с 635 kg. В момента в Китай липсва систематично проектиране на сплави, технология за подготовка и обработка на алуминиеви сплави от серия 7XXX за авиацията, а някои продукти са изцяло зависими от внос. Поради големите блокове от алуминиеви сплави от серия 7XXX с много легиращи елементи, широк диапазон на втвърдяване, голямо напрежение при леене и лесно окисление/сегрегация на легиращите елементи, металургичното качество на блоковете е лошо, а производителността при формоване при стайна температура е ниска, което прави разработването на нови алуминиеви сплави от серия 7XXX от голямо значение.
Алуминиево-литиева (Al-Li) сплав
Алуминиево-литиевата сплав е най-бързо развиващият се лек материал в авиационните материали през последните години. Тя се характеризира с ниска плътност, висок модул на еластичност, висока специфична твърдост, добри характеристики на умора и устойчивост на корозия. След замяна на конвенционалните алуминиеви сплави, масата може да бъде намалена с 10%~20%, а твърдостта може да бъде увеличена с 15%~20%. В началото на 21-ви век американската компания ALCOA стартира „ALCOA Aviation 20/20 Plan“ с цел намаляване на цената и теглото на авиационните алуминиеви сплави с 20% всяка в рамките на 20 години. Constellium е разработила алуминиево-литиеви сплави 2050 и 2198 (Al-Cu-Li-Mg-Ag) с ниска плътност, висока якост и висока устойчивост на повреди. В Китай има много малко видове Al-Li сплави, независимо разработени, и се използва само сплав 1420. Алуминиево-литиевата сплав, използвана в пътническия самолет C919, се доставя от Alcoa. В страната могат да се произвеждат само ограничени марки сплави като 1420, 2195, 2197 и 2A97, като блоковете са само плоски блокове под ((310~400)×1280×4000) мм и кръгли блокове под φ650 мм. Плоски блокове (2B16) с дебелина над 60 мм и ширина над 1500 мм, както и блокове (2B16) с диаметър над 1500 мм, използвани в областта на високотехнологичната авиация, все още не се произвеждат промишлено. Следователно е от голямо значение да се разработят нови конструкции на алуминиево-литиеви сплави, подготовка на ултраголеми блокове и технология за дълбока обработка.
Термоустойчива алуминиева сплав
Термоустойчивите алуминиеви сплави са ключови основни материали в областта на аерокосмическата индустрия, автомобилите, железопътния транспорт и др., като се регулират елементи като Si, Fe, Ni, Ag и редкоземни елементи, за да се направят алуминиевите сплави устойчиви на окисляване и пълзене при високи температури. Традиционните термоустойчиви алуминиеви сплави включват: 2519, 2618, 2219, 2D70 и др. С бързото развитие на аерокосмическата и автомобилната промишленост, към термоустойчивите алуминиеви сплави се поставят по-високи изисквания. Новото поколение изтребители има висока крейсерска скорост, а работната температура на обшивката на фюзелажа е над 150°C. В момента температурата на дългосрочна употреба на термоустойчиви алуминиеви сплави като 2618 и 2D70 е под 150°C. Наложително е да се разработят нови термоустойчиви алуминиеви сплави.
Al-Sc сплав с ултраниско съдържание на скандий (Sc)
Сплавта Al-Sc има отлични свойства като висока якост, добра пластичност и устойчивост на корозия и се е превърнала в ново поколение леки материали за аерокосмическа индустрия, кораби и др. след сплавта Al-Li. Якостта на опън на сплавта Al-Mg, съдържаща следи от скандий, е с 30% по-висока от тази на сплав 5083, а границата на провлачване е повече от два пъти. Заваряемостта ѝ е сравнима с тази на конвенционалните сплави от серия 5XXX, механичните свойства на зоната на термично въздействие и заваръчния шев са приблизително равни на тези на матрицата, а устойчивостта ѝ на корозия е сравнима с тази на сплав 5083. Замяната на сплави от серия 5XXX или 6XXX при производството на аерокосмически компоненти може да постигне значителни ефекти на намаляване на теглото, а също така е превъзходен материал за автомобили и железопътни превозни средства. Русия е начело в света в разработването на алуминиеви сплави, съдържащи скандий, и е създала сплави Al-Mg-Sc, Al-Mg-Li-Sc, Al-Zn-MgSc, Al-Zn-Mg-Cu-Sc и Al-Cu-Mg-Sc със съдържание на скандий от 0,18% до 0,5%. За да насърчи приложението на алуминиево-скандиеви сплави в аерокосмическата и автомобилната промишленост, Министерството на промишлеността и информационните технологии на Китай е включило алуминиевите сплави, съдържащи скандий, в списъка с нови материали за приоритетно развитие. Китай е богат на скандиеви ресурси и е изградил производствена линия за извличане на високочист скандиев оксид, полагайки основите за разработването на алуминиево-скандиеви сплави.
Алуминиева сплав за горещо щамповане с клас 500 MPa за автомобили
В Китай все още има празнини в горещото щамповане на високоякостни алуминиеви сплави. Комбинацията от нови материали и разработването на нови процеси на формоване е ефективно средство за решаване на проблема с формоването на автомобилни части от високоякостни алуминиеви сплави. Фокусирането върху сплави от серия 7XXX, активното проучване на сплави 2XXX и разработването на алуминиеви сплави с клас 500 MPa за горещо щамповане предлагат важни перспективи за производството на автомобилни части със сложна форма.
Композитни материали на алуминиева основа
Многослойна композитна плоча от алуминий и стомана: Ефективната връзка между алуминиевите и стоманените палуби се е превърнала в едно от ограниченията за олекотяване на надстройките на големи кораби. Преходната композитна връзка от алуминий и стомана, използвана за заваряване между алуминиеви и стоманени корпуси, предлага решение, което замества традиционния процес на занитване. Honda е разработила технология за свързване на стомана и алуминий, която ще се използва в световен мащаб в масово произвежданите рамки на автомобили. В момента композитните съединения от алуминий и стомана, използвани в Китай, се внасят главно от чужбина, като цената им достига 4×10⁶ CNY/т. С бъдещите големи кораби се изискват по-високи температури на заваряване, по-голямо натоварване на лагерите и по-здрави свързващи интерфейси за преходните съединения, а високоефективните съединения от алуминий и стомана са спешно необходими.
Време на публикуване: 08 март 2025 г.
