Алюміній є найпоширенішим металевим елементом у земній корі. Це кольоровий метал з другим за величиною виробництвом та використанням у світі після сталі. Він має низьку щільність, приблизно 1/3 сталі. Оскільки чистий алюміній м'який і має низьку міцність, додавання невеликої кількості таких елементів, як магній, мідь, цинк, кремній та літій, до алюмінію покращує характеристики алюмінієвого сплаву. Алюмінієві сплави є найпоширенішими конструкційними матеріалами з кольорових металів у промисловості завдяки своїм чудовим механічним властивостям та стійкості до корозії. Вони широко використовуються в будівництві, аерокосмічній, автомобільній, машинобудівній, суднобудівній та хімічній промисловості.
Алюмінієві сплави мають чудові властивості в механіці та хімії:
① Механічні аспекти, що головним чином відображаються в низькій щільності, високій міцності, високому модулі пружності тощо. Алюміній має низьку щільність і легший за інші метали, лише на 1/4 легший за сталь, тому він підходить для використання в галузях з високими вимогами до легкої ваги;
② Що стосується хімічних властивостей, то оскільки алюмінієвий сплав може утворювати на своїй поверхні щільну оксидну плівку на повітрі, він може захищати себе від глибокого окислення. Таким чином, він має чудову стійкість до корозії та дуже стабільний хімічний склад.
③Алюмінієвий сплав має добру пластичність і може бути оброблений у різні профілі. Він має чудову електро- та теплопровідність. Тому він широко використовується в промисловості, поступаючись за використанням лише сталі.
Наразі в промисловості існує понад 250 алюмінієвих сплавів з різним складом. Для полегшення розрізнення відповідно до різних складів сплавів, Китай застосовує міжнародно визнаний чотиризначний метод класифікації марок, що полегшує маркування виробничого майданчика, запам'ятовування та управління розрахунками. Алюмінієві сплави, що використовуються у військовій промисловості, в основному включають алюмінієво-літієві сплави серії 2XXX (A1-Cu-Mg) та алюмінієві сплави серії 7XXX.
Ринковий попит та тенденції розвитку різних матеріалів з алюмінієвих сплавів
Алюмінієвий сплав серії 2XXX
Алюмінієві сплави серії 2XXX (A1-Cu-Mg) мають високу міцність на розрив, ударну в'язкість та втомну міцність, добру жаростійкість, оброблювані та зварювальні властивості, і широко використовуються в аерокосмічній, автомобільній та збройовій промисловості. Основні марки - 2A01, 2A02, 2A06, 2A11, 2A12 тощо. Було розроблено серію сплавів для покращення міцності, відповідності ударній в'язкості та стійкості до пошкоджень, таких як сплави 2024, 2124, 2524, 2324 тощо.
Китайські моделі обладнання розвиваються в напрямку легкої конструкції, довговічності, високої надійності та низької вартості, а також мають високі вимоги до в'язкості руйнування, стійкості до поширення тріщин та корозійної стійкості матеріалу обшивки фюзеляжу. На основі товстого листа алюмінієвого сплаву 2024-T351 зарубіжні країни розробили алюмінієві сплави 2324, 2624 та інші з високою стійкістю до пошкоджень для нижньої поверхні крила з різною міцністю, в'язкістю, стійкістю до втоми та корозії, а також досягли успіху в їх впровадженні та застосуванні. Китай розробляє алюмінієві сплави серії 2XXX з високою стійкістю до пошкоджень. У майбутньому композитне мікролегування буде важливим напрямком розвитку високоміцних алюмінієвих сплавів серії Al-Cu-Mg.
Алюмінієвий сплав серії 4XXX
Наразі евтектичні та гіпоевтектичні сплави Al-Si в основному використовуються для автомобільних поршнів у Китаї. Однак, з постійним покращенням вимог до продуктивності двигунів, важко задовольнити вимоги до продуктивності. Гіперевтектичний сплав Al-Si має низьку щільність, малий коефіцієнт лінійного розширення, вищу зносостійкість та об'ємну стабільність, і є більш ідеальним матеріалом для поршнів порівняно з евтектичними сплавами Al-Si. Поршні зі гіперевтектичних сплавів Al-Si масово виробляються за кордоном та застосовуються у вантажних та легкових автомобілях, таких як сплав A390 у Сполучених Штатах, сплави AC9A та AC8A (ZL109) у Японії, а також сплав A390 в Австралії. Однак, наразі в Китаї мало виробників, які виробляють поршні зі гіперевтектичних сплавів Al-Si, і більшість з них покладаються на імпорт. Крім того, існує великий розрив між матеріалами з алюмінієвих сплавів для автомобільних турбокомпресорів та зарубіжними країнами. Високопродуктивні матеріали з алюмінієвих сплавів для автомобільних турбокомпресорів в основному покладаються на Японію та інші країни. Тому вкрай важливо розробити ключові автомобільні алюмінієві сплави для високопродуктивних поршнів та робочих коліс турбокомпресорів.
Алюмінієві сплави серії 5XXX
Сплави Al-Mg, особливо сплави Al-Mg з високим вмістом Mg, мають високу питому міцність, добру зварюваність та корозійну стійкість, і стануть висококонкурентними матеріалами в майбутньому аерокосмічній галузі, високошвидкісних поїздах, океанах та інших галузях. Наразі пластини, профілі та зварювальні дроти зі сплавів Al-Mg для аерокосмічної галузі, поїздів, океанів та інших застосувань в основному залежать від імпорту. Ринок високоякісного зварювального дроту в основному монополізований ALCOA у Сполучених Штатах. Сплави ER5183 та ER5356 в основному залежать від імпорту, і обсяг імпорту становить близько 70% їхніх продажів. Сплави Al-Mg для кораблів в основному залежать від Росії. Звичайні злитки сплавів з високим вмістом Mg мають добре розвинені дендрити, сильну евтектичну фазову сегрегацію та погану формувальну здатність. Сучасні методи обробки все ще мають багато проблем, таких як низька продуктивність, погана видима якість, тривалий процес, нестабільна якість та низький вихід. Субшвидке затвердіння та формування можуть перешкоджати осадженню Mg, і водночас їх можна регулювати для отримання дрібних рівноосьових кристалів та наноосаджених фаз, що значно покращує експлуатаційні характеристики та однорідність матеріалу. Тому очікується, що розробка технології безперервної реологічної екструзії та прокатки з субшвидким затвердінням для високопродуктивних сплавів Al-Mg задовольнить попит на високоякісні сплави Al-Mg.
Алюмінієві сплави серії 6XXX
Алюмінієві сплави серії 6XXX є ключовими матеріалами в галузі залізничного транспорту, автомобілів, електроніки тощо. З 1980-х років розвинені країни та регіони, такі як Європа, Сполучені Штати та Японія, розробили алюмінієві сплави для автомобілів, зареєстрували такі марки, як 6009, 6016, 6010, 6111, 6022 та 6082, та сформували відносно повну систему виробництва та застосування кузовних панелей автомобілів, екструзій, поковок тощо. Індустріалізаційні дослідження та розробки кузовних панелей та поковок з алюмінієвих сплавів серії 6XXX у Китаї щойно розпочалися, і існує явний прогалина. Міністерство промисловості та інформаційних технологій Китаю запропонувало розробити такі листи з автомобільних алюмінієвих сплавів: 6016-S, 6016-IH, 6016-IBR, 6A16-S, 6A16-IBR, 6022 тощо. Типовий лист з алюмінієвого сплаву серії 6XXX має видовження A50 не менше 25%, значення r не менше 0,60, межу текучості при паркуванні 60 днів Rp0.2 не менше 140 Н/мм2 та приріст межі текучості при затвердінні фарби не менше 80 Н/мм2. У відповідь на різні потреби, розробка технології проектування, підготовки та обробки алюмінієвих сплавів серії 6XXX стала неминучою тенденцією.
Алюмінієві сплави серії 7XXX
Алюмінієві сплави серії 7XXX мають добру стійкість до корозії під напругою та є найміцнішими серед алюмінієвих сплавів. Вони визнані на міжнародному рівні як основні матеріали для авіації. Нещодавно зарубіжні країни розробили сплав 7055 (Al8Zn-2.05Mg-2.3Cu-0.16Zr), межа текучості якого у стані T77511 перевищує 620 МПа. Він використовується в літаках Boeing 777 та зменшує вагу на 635 кг. Наразі в Китаї бракує систематичного проектування сплавів, технології підготовки та обробки алюмінієвих сплавів серії 7XXX для авіації, а деякі продукти повністю залежать від імпорту. Через великомасштабні злитки алюмінієвих сплавів серії 7XXX з багатьма легуючими елементами, широкий діапазон затвердіння, високі ливарні напруження та легке окислення/розділення легуючих елементів, металургійна якість злитків низька, а продуктивність формування при кімнатній температурі низька, тому розробка нових алюмінієвих сплавів серії 7XXX має велике значення.
Алюмінієво-літієвий (Al-Li) сплав
Алюмінієво-літієвий сплав є найшвидше зростаючим легким матеріалом серед авіаційних матеріалів за останні роки. Він має характеристики низької щільності, високого модуля пружності, високої питомої жорсткості, хороших характеристик втоми та стійкості до корозії. Після заміни традиційних алюмінієвих сплавів масу можна зменшити на 10%~20%, а жорсткість — збільшити на 15%~20%. На початку 21 століття американська компанія ALCOA запустила «План ALCOA Aviation 20/20» з метою зниження вартості та ваги авіаційних алюмінієвих сплавів на 20% кожного протягом 20 років. Constellium розробила алюмінієво-літієві сплави 2050 та 2198 (Al-Cu-Li-Mg-Ag) з низькою щільністю, високою в'язкістю та високою стійкістю до пошкоджень. У Китаї незалежно розроблено дуже мало марок сплавів Al-Li, і використовується лише сплав 1420. Алюмінієво-літієвий сплав, що використовується в пасажирському літаку C919, постачається компанією Alcoa. У вітчизняному ринку можна виробляти лише обмежені марки сплавів, такі як 1420, 2195, 2197 та 2A97, причому зливки - це лише плоскі зливки розміром менше ((310~400)×1280×4000) мм та круглі зливки розміром менше φ650 мм. Плоскі зливки (2B16) товщиною понад 60 мм та шириною понад 1500 мм, а також зливки (2B16) діаметром понад 1500 мм у сфері високоякісної авіації ще не виробляються промислово. Тому дуже важливо розробити нові конструкції алюмінієво-літієвих сплавів, підготовку надвеликих злитків та технології глибокої обробки.
Жаростійкий алюмінієвий сплав
Жаростійкі алюмінієві сплави є ключовими базовими матеріалами в аерокосмічній, автомобільній, залізничній промисловості тощо, шляхом регулювання таких елементів, як Si, Fe, Ni, Ag та рідкісноземельні елементи, що робить алюмінієві сплави стійкими до окислення та повзучості за високих температур. Традиційні жаростійкі алюмінієві сплави включають: 2519, 2618, 2219, 2D70 тощо. Зі швидким розвитком аерокосмічної та автомобільної промисловості до жаростійких алюмінієвих сплавів пред'являються вищі вимоги. Нове покоління винищувачів має високу крейсерську швидкість, а робоча температура обшивки фюзеляжу перевищує 150°C. Наразі температура тривалого використання жаростійких алюмінієвих сплавів, таких як 2618 та 2D70, нижче 150°C. Вкрай важливо розробляти нові жаростійкі алюмінієві сплави.
Сплав Al-Sc з наднизьким вмістом скандію (Sc)
Сплав Al-Sc має чудові властивості, такі як висока міцність, добра пластичність та корозійна стійкість, і став новим поколінням легких матеріалів для аерокосмічної галузі, кораблів тощо після сплаву Al-Li. Міцність на розрив сплаву Al-Mg, що містить слідові кількості скандію, на 30% вища, ніж у сплаву 5083, а межа текучості більша більш ніж удвічі. Його зварюваність порівнянна зі звичайними сплавами серії 5XXX, механічні властивості зони термічного впливу та зварного шва приблизно рівні властивостям матриці, а його корозійна стійкість порівнянна зі сплавом 5083. Заміна сплавів серії 5XXX або 6XXX у виробництві аерокосмічних компонентів може досягти значного зниження ваги, а також він є чудовим матеріалом для автомобілів та залізничного транспорту. Росія є світовим лідером у розробці алюмінієвих сплавів, що містять скандій, і створила сплави Al-Mg-Sc, Al-Mg-Li-Sc, Al-Zn-MgSc, Al-Zn-Mg-Cu-Sc та Al-Cu-Mg-Sc з вмістом скандію 0,18%~0,5%. З метою сприяння застосуванню алюмінієво-скандієвих сплавів в аерокосмічній та автомобільній промисловості Міністерство промисловості та інформаційних технологій Китаю включило алюмінієві сплави, що містять скандій, до списку нових матеріалів для пріоритетного розвитку. Китай багатий на ресурси скандію та побудував виробничу лінію з екстракції високочистого оксиду скандію, що заклало основу для розробки алюмінієво-скандієвих сплавів.
Алюмінієвий сплав гарячого штампування міцністю 500 МПа для автомобілів
У Китаї все ще існує прогалина у гарячому штампуванні високоміцних алюмінієвих сплавів. Поєднання нових матеріалів та розробки нових процесів формування є ефективним засобом вирішення проблеми формування автомобільних деталей з високоміцних алюмінієвих сплавів. Зосередження уваги на сплавах серії 7XXX, активне дослідження сплавів 2XXX та розробка матеріалів з алюмінієвих сплавів класу міцності 500 МПа для гарячого штампування мають важливі перспективи для виробництва автомобільних деталей складної форми.
Композитні матеріали на основі алюмінію
Багатошарова композитна плита з алюмінію та сталі: Ефективне з'єднання між алюмінієвими та сталевими палубами стало одним з обмежень для полегшення надбудов великих суден. Перехідне з'єднання з алюмінію та сталі, яке використовується для зварювання між алюмінієвими та сталевими корпусами, пропонує рішення для заміни традиційного процесу заклепування. Honda розробила технологію з'єднання сталі та алюмінію, яка буде використовуватися в усьому світі в серійних автомобільних рамах. Наразі композитні з'єднання з алюмінію та сталі, що використовуються в Китаї, в основному імпортуються з-за кордону, а ціна їх сягає 4×10⁶ юанів/т. З майбутнім великогабаритним судном для перехідних з'єднань потрібні вищі температури зварювання, більші навантаження на підшипник та міцніші склеювальні поверхні, а також терміново потрібні високопродуктивні з'єднання з алюмінію та сталі.
Час публікації: 08 березня 2025 р.
