铝合金挤压及其新材料的研发概况与应用前景

刘静安

(西南铝业集团有限责任公司，重庆401326)

1 前言

1.1 世界挤压工业进入了一个新的发展时期

自1990年以来，全球铝工业进入了崭新的发展时期。2011年世界铝材的产量达4 500万t/a(其中挤压材2 000万t/a左右)，并以6%左右的速度递增，估计到2020年铝材的产消量可能超过7 000万t/a。目前，调整产业结构、增加产量和品种，并加速扩大在轻量化交通运输工具等方面的使用量是现代世界铝及铝加工业发展的重要特征。随着科学技术的进步和经济的发展及人民生活水平的提高，各种铝合金挤压材在建筑工程、航空航天、交通运输、现代汽车、电子电器、石化能源、机械制造等部门已广泛应用。特别是在急需轻量化的现代交通及其它领域方面，铝合金大、中型工业型材，在近年来获得了高速发展。据不完全统计，2011年全球挤压材2 000万t/a，其中，型材1 600万t/a(约占挤压材的80%以上)，大、中型工业型材300万t/a左右。铝合金挤压材以年均5%左右的速率增长，工业型材(占整个铝合金型材的70%以上)则以8%的速率增长，一大批大型的现代化综合性铝挤压材生产企业(集团)，如萨岶铝业集团和海德鲁铝业(集团)公司等相继成立。

1.2 中国铝挤压工业向现代化方向发展，掀起第三次发展高潮

中国铝工业和铝加工业正处于高速持续发展的第三次高潮中。2011年全国原铝产量逾2 000万t/a，连续10年雄踞世界榜首。铝材产量由1980年不到30万t/a，增长到2011年的2 000万t/a，超过美国，跃居全球第一，而且正以比世界年平均增长率(5%～6%)大得多(18%～22%)的速度增长。2011年，中国的铝挤压材产能达1 200万t/a，实际产量达980万t/a，大大超过美国并成为净出口国。我国铝挤压工业的发展特点如下。

(1)建成了一大批大中型现代化挤压企业，产能产量大幅度增长，大型的民营挤压企业正在崛起。1980年至21世纪初期，建成了大批以生产建筑铝材为主的挤压企业。从2003年开始，掀起了建设大中型挤压机和挤压企业结构调整浪潮，配置了一大批大中型挤压机和组建了一批世界级挤压企业，年产能和产量大幅度增加，见表1。我国目前有各种铝挤压企业900家以上，其中产能大于5万t/a的有50家以上，产能大于10万t/a的有25家左右，产能大于20万t/a的有10家左右，产能大于30万t/a的有四家。大型现代化的民营挤压企业正在崛起。

表1 2003－2011年铝挤压材年生产能力及产量统计表Table 1 statistical results of annual productivity and production of Aluminum alloy extruded-products from 2003 to 2011

(2)大型挤压机建设高潮迭起，反向挤压机引进剧增。到2011年底已投产的挤压机，吨位大于50 MN的有55台左右，在建和拟建的12台以上，到2015年，中国建成的大挤压机将有60台以上，其中225 MN 1台，150 MN 2台，125 MN 4台，100 MN 8台，80 MN级的12台。目前中国共有挤压机4 500台以上，数量居世界第一，大型挤压机台数可与美国、俄国比美。到2011年底，中国已有38台反向挤压机，其中15台是从德国SMS公司引进的现代化水平很高的设备。因此，中国是拥有世界上数量最多、水平最高、吨位最大的反向挤压机的国家。同时，大批小型的落后的挤压机正在被淘汰或改造。

(3)加大了产业和产品调整力度，加强了科技自主开发能力，拓展了应用领域，开发了大批新产品、新技术、新工艺。新合金、新状态，新品种的多种性能与用途的新型铝合金挤压材大量涌现。工业材:建筑材的比例由上世纪的18∶82提高到了2011年的近35∶65，特别是在交通运输和电子电器绿色建筑，新能源等部门，铝型材获得了广泛的应用，大中型工业结构用材的比例大幅度增加。

(4)出口量大增，已成为铝挤压材净出口国，见表1。2011年我国铝挤压材净出口量为100万t。由表1分析可知，中国已成为真正的铝业大国和初级铝挤压强国，正在向真正的铝挤压强国挺进。

2 国内外高性能铝合金挤压新材料研发水平分析与趋势

2.1 高强高韧等高性能铝合金及挤压材料的发展特点[4-5，7]

近几十年来，世界铝及铝合金挤压加工材料大致向以下两个方向发展:①发展高强高韧等高性能铝合金新材料，以满足航天航空等军事工业和一些特殊工业部门的需求;②发展一系列具有各种性能和功能的可以满足不同条件和用途的民用铝合金新材料。由于各国政府的支持、产业界和学术界的共同努力，已取得了可喜的成果，研发出了一系列新合金和新材料，使铝合金及其加工工艺达到了一个新的水平。

高性能铝合金中，最具代表性的是为适应航空航天器高机动性、高载荷、高抗压和高耐疲劳及高速与高可靠性的要求而研制的高强高韧铝合金，主要包括2×××和7×××系列IM传统熔铸铝合金，以及在此基础上发展起来的PM粉末冶金合金、SF喷射成型铝合金、铝基复合材料、超塑性铝合金等。

典型的航空航天工业用铝合金挤压材主要有无粗晶棒材、高质量无缝管材、复杂断面实心型材和异形无缝空心型材，变断面型材和管材以及大型整体壁板、大梁型材以及现代交通运输用的大、中、小特殊高性能复杂断面的空心与实心型材等，要求在不断提高强度指标的同时，具有良好的韧性、抗应力腐蚀性、抗疲劳性和断裂韧性等综合性能。目前国内外主要研究成果有:

(1)传统的Al-Cu-Mg和Al-Cu-Mg-Zn系合金的改善研究及挤压新材料的开发。

调整合金中的主要合金元素含量及各组元的比值，添加微量过渡元素及稀土元素，减少合金中的Fe，Si等杂质和氢、氧等气体含量。提高合金的纯净度，从而改变合金中各种化合物的性能和成分，采用特殊的加工工艺和热处理工艺生产不同状态的高强高性能型材、管材和棒材。

(2)采用新合金元素研发的新合金及挤压新材料[3－4，6]。

铝－锂合金(Al-Li) 铝－锂合金的特性是具有低的密度、高的弹性模量和高的强度。现在开发成熟的铝－锂合金主要是 Al-Li-Sc-Zr系和 Al-Li-Mg-Zr系合金，能够替代7×××系超高强合金的均为Al-Li-Cu-Mg-Zr系合金。最典型的合金有2090和8091等20多种。研制的目标是达到7075－T6的强度和7075－T73的抗蚀性能。1996年美国在直升机中应用的铝－锂合金已达到机体重量的20%左右，2010年以后，在大型客机上预计有20%以上的结构采用铝－锂合金制作。表2为已研制并广泛应用的高强铝－锂合金。

表2 典型的高强铝－锂合金化学成分(w/%)Table 2 composition of typical high-strength Aluminum-Lithium alloys(w/%)

铝－钪合金(Al-Sc) 钪属于稀土类金属元素，密度小，熔点高，因为它能显著提高铝合金的再结晶温度和力学性能，因而引起高度重视。近年来，俄罗斯和德国在Al-Sc合金的研究方面取得了很大进展，并研究出Al-Zn-Mg-Sc-Zr系和Al-Mg-Sc系合金。前者的特性是强度高，塑性、疲劳性能和焊接性能好，是一种新的高强、高韧性可焊铝合金。它的应用领域也主要是航空和航天，此外也可以应用在高速舰艇和高速列车上。

铝－铍合金(Al-Be) 铍也属于高熔点的稀有金属，Al－(7.0～30)%Be－(3～8)%Mg合金都处于 Al-Be-Mg三元相图的两相区，其组织由初晶铍和固溶Mg的(Al)相组成，使合金有很好的综合性能。如Al－7.0%Be－3%Mg合金的抗拉强度达到650 Mpa，伸长率大于10%，可以应用在航空工业。但由于制造工艺复杂，使其应用受到限制。

铝－稀土或铝－其它元素化合或机械混合组成的新合金材料

(3)采用新的制备技术研发新型超高强铝合金材料[1，4 －5，9]。

①目前采用PM法制造的超高强铝合金，虽然成本较高，产品尺寸小，但可以生产IM法无法生产的高综合性能合金。国外已开发的PM超高强铝合金有7090、7091和CW67合金等，它们的强度均达到了700 Mpa以上，其强度和抗SCC性能均比IM合金好，特别是CW67合金的断裂韧性最好。现在美国可生产重达650 kg的坯锭，加工出来的挤压件和模锻件已应用到飞机、导弹以及航天器具上。

②SD喷射沉积法(喷射成型法)是一种新型的快速凝固技术，其特点介于DC铸造和PM粉末冶金之间。SD法与PM法相比，生产工艺简单，成本较低，金属含氧化物少，仅是PM法1/3～1/7，制锭重量大(可达1 000 kg以上)，可批量生产，与IM法相比，最大的优点是可以制备IM法无法生产的高合金化铝合金，而且还可以生产颗粒复合材料。即使是生产普通合金，也具有铸锭晶粒极其细微、加工材综合性能好等特点。所以采用此方法开发制造具有高性能的超高强铝合金，有着非常好的发展前景。

③铝基复合材料的研究方兴未艾，各国都投入了很大力量在进行研究，它是金属基复合材料中研究得最多和最主要的复合材料。目前开发的铝基复合材料主要有 B/Al、BC/Al、SiC/Al、Al2O3/Al等。添加的纤维可分为颗粒、晶须、短纤维和长纤维，其中SiC/Al复合材料是最有发展前途的，因为它不需要用扩散层处理包覆纤维，成本低。铝基复合材料的特点是密度小、比强度和比刚度高、比弹性模量大、导电导热性好、抗腐蚀、耐高温、抗蠕变和耐疲劳等。美国制造的10 m多长的型材和管材已经用在了各种航天器上，并且已经成为铝合金、甚至铝－锂合金的重要竞争对手。此外，铝－钢、铝－钛等层压式铝基超高强复合材料在近年来也得到了发展。

(4)研究开发和应用各种先进的和特殊的变形加工与热处理新工艺，如超塑挤压、半固态挤压、等温挤压、复合挤压、反向挤压、无润滑穿孔挤压、扁挤压、变断面挤压、静液挤压等先进挤压技术和新型的形变热处理工艺等来提高合金材料的综合性能和特殊性能。如在研发大断面挤压型材和棒材时，对2024、2124、2324、2424、7175、7475及7055、7155等合金，逐步加强合金中的杂质控制，从最初牌号中Fe和Si含量0.5%下降到最新牌号的0.1%以下，大大减少了近代断裂力学理论认为的可成为裂纹源的内部缺陷数量和尺寸，改进了析出相的分布及形态，同时采用先进的工艺生产优质大铸块，用大变形进行挤压加工，淬火后进行预拉伸，充分消除内部残余应力，然后进行单级或多级人工时效，研发出在航空航天、兵器、舰船等领域得到广泛应用的适合于不同用途的 T351、T7451、T851、T651、 T7651、 T7351、 T7451、 T77、 T7751、 T79、T791等不同状态的大型挤压型材和棒材。

2.2 民用高性能铝合金及挤压材的开发[1，4，8]

铝合金密度低、比强度、比刚度高、耐腐蚀、易成形、可焊接、耐低温、导电导热性良好、无毒、无磁、可进行各种表面处理，所以铝合金加工新材料在现代化交通运输、绿色建筑、电子电器、化学化工、能源动力、包装印刷、机电轻工、家电文体等方面获得了广泛的应用，各国已相继研发出了一系列具有各种性能或功能的民用铝合金，如汽车车身板合金5354、5754、6009、6010、x6111、6016、6017、2036、2037、2038、2026 及 CP609、 GZ45、 GZ145、 GC45、 GC150、GM245、KS5030、GV10、GV15等;汽车保险杠用的7021、7029等;轨道车厢用的6005A、6N01、7005以及Al-Zn-Mg中强可焊合金等;交通运输用的CP703、7120、6013、6182、5022、5023、5083、5056、6101、6201、A4/L、A4G/L等合金;机械切削用的 6262、2011、6043等合金;导线用1370等合金;热交换器用的Al-Si-Mg-Bi合金(把它包在3003系合金上作为钎焊材料);冲压和搪瓷器皿用的4006合金以及高级PS板基和高性能易拉罐板新合金和抗核辐射、抗震、耐磨、阻燃等特殊新合金等，最近研发的6013合金，具有高的综合性能，甚至可作为2024的替代品，用于航空航天与兵器上。表3列出了部分挤压用新型铝合金的性能数据。

表3 挤压型材用新型铝合金的性能Table 3 properties of new Aluminum alloy extruded-products

高档民用建筑铝合金新材料的研发 铝合金门窗、幕墙等民用建筑型材不断淘汰中、低档产品，研发新型的高档产品。近年来，围绕6063合金研发了一系列不同用途的新合金，而且向6061、6351、6082、6005A、7005等中强合金发展，状态也由单一的“T5”向T6等方向发展，同时研制了隔热断桥型材等新品种和铝－塑、铝－木、铝－塑－木等新材料，其应用范围也由门窗、围栏等装饰材向屋顶、桁架、立柱、跳板、桥梁、模板、脚手架等承力结构件方向发展，大大加强了铝型材在建筑领域中的地位，是现代绿色建筑结构件中最理想的结构材料。

交通运输用大型特种型材铝合金新材料的研发 现代交通运输用大型铝合金特种型材的品种越来越多，对性能和质量的要求特别是轻量化的要求也越来越高，因此，需要开发不同性能要求的新型合金，目前已研发成功的新合金主要有:5022、5023、5059、5754、6005、6005A、6N01、6182、6013、6110A、7N01、7005 等，并已成功地挤压出各种用途的型材、棒材和管材，铝合金结构材是现代交通运输最理想的轻量化材料。

2.3 我国铝合金新材料与挤压新产品的研制开发方向[1，5，7]

我国从1960年至今，相继对高强高韧高性能的航空航天、兵器、舰船等军事和特殊工业部门用的新型铝合金材料以及各种性能和用途的民用铝合金新材料进行了深入系统的研究，并开发和生产出了上千种符合我国国情的各种铝合金及挤压材。但是，整体水平和自主研发能力与国际先进水平仍有很大差距，需要迎头赶上，还有许多工作要做。

(1)铝合金新材料的研发方向。

应用微合金化理论、采用电子冶金技术，调整合金元素含量和比例，添加高效微量元素，研究新型强化理论，开发新型形变热处理工艺及高效纯化、净化、细化和均匀化新技术，改造现有1×××～9×××的上千种传统铝合金，使之充分发挥潜力，并设计和发展一批新型的高强、高韧、高模、耐磨、耐蚀、耐疲劳、耐高温、耐低温、耐辐射、防火、防爆、易切削、易抛光、可表面处理、可焊接的和超轻的铝合金材料及挤压产品，以满足不断发展的国防军工、科技尖端和国民经济高速度发展的要求。

(2)研究开发各种新型铝合金热处理、形变热处理、表面处理，以获得各种具有特殊性能和特种功能的新材料。

(3)全面深入研究铝合金的成分－加工与热处理－组织与性能之间的关系，以改善各种材料的性能，拓宽其用途，使之成为各种场合的新材料。

(4)广泛研究铝合金的粉末冶金、喷射成型、复合材料、超细粉和纳米级材料等新产品。

(5)深入研究与开发各种先进的、特殊的挤压加工方法与技术，熔铸工艺与模具技术以及各种先进的热处理技术与精整矫直工艺，大批量生产高强高性能的各种规格与形状的铝合金挤压材。

3 我国铝合金挤压材的市场分析与预测[1，4-5]

目前世界铝材年产、消量以5%～6%的速度增长，而我国则超过20%，远远超过国际的增长速度。但是，我国人·年均消耗量(10.8 kg/人·年)，低于工业发达国家(美国为31 kg/人·年，日本为28 kg/人·年)。因此，在我国发展铝加工工业仍有很大空间，特别是高精度高性能精密工业结构型材以及深加工产品等出口量正在逐年上升。目前，除了少量高档建材和高档高性能精密工业材需从国外进口外，大量建筑型材已远销欧美、日本和东南亚，成了型材净出口国。归纳起来，我国在“十二五”以后的若干年内，铝合金型材市场(产、消)将向以下方面发展。

铝合金建筑型材将在调整中持续发展 根据我国国民经济发展分三步走的战略，现在我国已进入了全面建设小康社会阶段，2001～2050年期间将达到中等发展国家的水平。由于广大农村经济的发展和生活水平的提高，城市化建设步伐加快，开发区和城乡结合部的公租房、经济适用房、安置房等建设以及国民经济高速持续发展的拉动，塑料门窗缺陷的暴露和节能型新门窗产品的涌现等原因，在25～30年内，我国民用建筑铝型材仍有很大的发展空间(估计年增长率为8% ～10%，而国外已基本饱和，增长率仅为2% ～3%)，不会饱和或被其它材料所代替，而且还会大量出口，占领国际市场，呈持续发展趋势。

工业铝合金型材将在市场刺激下高速发展 我国工业铝型材的发展还远远落后于建筑铝型材，也落后于国际先进水平。据国外工业发达国家统计，铝材的前三大用户是交通运输业、建筑业、包装业，分别占铝材消费的36%、21%和20%。表4为2006(2010)年中国与北美铝合金工业挤压材消费市场的比较。交通运输业主要用工业铝型材，但目前我国工业铝型材的发展还不能满足交通运输及其他国民用经济发展的需求，这必然蕴藏一个非常有潜力的巨大市场。据发改委发布的有关信息，到2020年，我国将修建18 000 tm高速铁路和8 000 tm地下铁道或轻轨线，以及普通铁路的动车组化(200 kg/h)和运煤、矿石和化学药品等货车车辆的铝化等，每年共需大中型精密特种铝合金挤压材几十万吨。表5为2015年我国各行业对铝合金大中型挤压材的需求量(估计)。

高强高性能铝合金材料的技术开发与应用前景 铝合金是飞机和航天器轻量化的首选材料，铝材在航空航天工业中应用十分广泛。目前，铝材在民用飞机结构上的用量为70%～80%，在军用飞机结构上的用量为40%～60%。在最新型的B777客机上，铝合金也占了机体结构质量的70%以上。而表6列出了铝合金在民用飞机各部位的典型应用实例。

表4 2006(2010)年中国与北美铝合金工业挤压材消费市场的比较Table 4 Comparison of consumer market of Aluminum alloys extruded-products between China and America in 2006(2010)

表5 2015年我国各行业对铝合金大中型挤压材的需求量(估计)Table 5 demand of various industries for Aluminum alloy large and medium-size extruded-products in China in 2015(Forecast)

表6 某些民用飞机用材结构比例(w/%)Table 6 Structural proportion of materials in civil planes(w/%)

铝材在火箭与航天器上主要用于制造燃料箱、助燃剂箱。在宇航开发初期，美国采用2014合金，后来，由于自动焊接技术的开发与成熟，改用2219合金。

据波音公司预测，2008～2027年全世界对100座以上新飞机需求量为29 400架，而空客预测为24 000架，平均每年1 500架。目前，制造飞机平均用铝量比10年前已增长一倍多，平均每架飞机座位的用铝量由10年前的450 kg增长到1 t，铝材料占宽体飞机平均自重的80%。据统计，一架大飞机平均用铝约为100 t。在今后20年内，全世界每年大飞机用铝材约为50万t铝合金材料。中国航空业步入高速增长轨道，带动航空材料产业腾飞。据中国商飞公司测算，中国航空客流量将以每年7.7%速度增长，未来20年，中国总计需新增大型客机4 097架，航空材料的国产率会稳步提升，2010～2020年航空合金材料的年增长率将保持在10%以上。

4 结语

(1)世界铝挤压工业进入了一个新的发展时期，调整产业结构，增加产量和品种，并加速扩大在急需以节能降耗、减轻环境污染、提高安全舒适为目的而实施轻量化的高速运输工具及其他方面的用量是现代世界铝及铝加工工业发展的重要特征。

(2)中国铝挤压工业向现代化的方向发展，掀起了第三次发展高潮，中国已成为铝挤压大国，铝挤压材产消大国，出口大国，但还不是强国。

(3)新合金是发展新挤压材的基础，近年来利用微合金理论，不仅改善了大批传统合金，而且研发了大量新合金，并利用先进的加工工艺和热处理工艺，研发了大量的军用和民用挤压材，满足了国防现代化需要，促进了国民经济高速持续发展和人民生活水平的不断提高。

(4)铝及铝合金挤压型材是一种“永不衰败”的材料，民用建筑型材将在调整中持续发展、工业用铝合金挤压材将高速持续发展，高强高韧高性能材料将掀起新一轮发展高潮，铝及铝合金挤压材将迎来一个广阔的发展市场。

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