当代铝合金挤压新材料的发展特点及市场分析

文 / 西南铝业（集团）有限责任公司 刘静安

近年来，世界铝及铝合金加工材料大致向以下两个方向发展：一是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；二是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。

一、国内外高性能铝合金挤压新材料发展水平分析与发展趋势

1.高强高韧等高性能铝合金及挤压材料的发展特点

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。主要的新合金有：2×××系的 2124、2224、2324、2048、2419、Д16Ч、1161、1163 等 和 7××× 系 的 7149、7249、7175、7475、7075、7150、7055、7155、7010、7068、7090、7091、7064、7812、CW67、B93пч、B950ч、B96ц-1、B96ц-3、01975、01970等。

（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的 T351、T7451、T851、T651、T7651、T7351、T7451、T77、T775、T791等不同状态的高强高性能型材、管材和棒材。

（2）采用新合金元素开发的新合金及挤压新材料

① 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。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。

② 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，因此备受青睐。近年来，俄罗斯和德国在Al-Sc合金的研究方面取得很大进展，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。它主要应用于航空和航天领域，此外，也可以应用在高速舰艇和高速列车上。

③ 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，使合金具有很好的综合性能。如Al-7.0%Be-3%Mg合金的抗拉强度达到650Mpa，伸长率大于10%，可以应用在航空工业。但由于制造工序复杂，因此其应用受到限制。

（3）采用新的制备技术研发新型超高强铝合金材料

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，其强度均达到700Mpa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。目前，美国可生产重达650kg的坯锭，加工出来的挤压件和模锻件已应用于飞机、导弹，以及航天器具。

SD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法的1/3～1/7，制锭重量大（可达1000kg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。因此采用此方法来开发制造具有高性能的超高强铝合金，有着广阔的发展前景。

铝基复合材料的研究方兴未艾，它是金属基复合材料中研究得最多和最主要的复合材料，各国都投入很大力量来研究。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。美国用其制造的10m多长的型材和管材已用于各种航天器上，并且已成为铝合金，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发展。

（4）研究开发和应用各种先进的、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、7055和 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含量的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来生产优质大铸块，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、兵器和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和 T79等不同状态的大型挤压型材和棒材。

2.民用高性能铝合金及挤压材的开发

除了航空航天工业外，汽车、火车、电力和精密机械等部门也迫切需要轻量化和高性能材料，P/M铝合金和铝基复合材料为这些领域的发展创造了条件。铝合金作为节能材料和功能材料越来越引起人们的重视，因此发展了一大批具有各种特殊性能和功能、能满足不同用途的新型材料。

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、民用建筑、电子电力、化学化工、能源动力、包装印刷、机电轻工和家电文体等方面得到广泛的应用，各国已相继研发出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，以及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。

铝合金门窗、幕墙等民用建筑型材是不断淘汰中、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、围栏等装件向屋顶、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。

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。

3.我国铝合金新材料与挤压新产品的研制开发方向

我国从1960年开始至今，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百种符合我国国情的各种铝合金及挤压材，基本上跟上了世界研究开发的步伐，有许多研究成果达到了国际先进水平，也基本上满足了国防军工和国民经济建设和人民生活的需要。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

用最新技术改善传统铝合金并研发一批新型铝合金材料。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，以适应不同用途、各种性能、功能的需要，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。

二、铝合金挤压材的市场分析与预测

目前世界铝年产、消量逾5000万吨，并以每年5%～6%的速度增长。2012年，我国铝产量达2000万吨左右，年耗铝量超过2200万吨，年均增长率达20%以上。2012年，全球铝加工材产、消量达4800万吨（其中挤压材1950万吨以上），年增长率4%左右。我国铝材年产消量2000万吨左右，（其中挤压材1050万吨以上），年增长率20%以上，远远超过国际的增长速度。但是，由于我国基础差，底子薄，人口多，铝加工材的人·年均消耗量（10.8Kg/人·年），低于工业发达国家（美国为31Kg/人·年，日本为28Kg/人·年）。因此，在我国发展铝加工工业仍有很大空间，特别是高精度铝板、带材、节能型高档民用建筑型材和高档高性能精密工业结构型材，以及深加工产品等仍是我国“十二五”及以后相当长一段时间内应优先发展的产品。统计资料表明，中国已成为世界上最大的铝合金挤压材生产国。比如，2012年，我国的总产量占世界挤压材总产量的1/3以上，每年仍以18%左右的速率增长。同时，2012年，我国出口铝型材达100万吨以上，出口量正逐年上升，成为一个真正的铝型材出口大国。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。

简言之，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。

1.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。2009年我国住宅建设面积25亿m2，仅门窗生产规模就达65亿m2左右。2050年前我国将新建250亿～300亿m2住宅，仅门窗就约需700亿m2。年消耗铝合金建材600万吨以上，这还不包括其它建筑铝型材及上海、长三角、珠三角、京津、成渝、长湘株等大城区和各级开发区的建设以及大地震等自然灾害重建所带来的巨大需求。

伴随着城市化建设步伐的加快；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估计年增长率为8%～10%，而国外已基本饱和，增长率仅为2%～3%。

2.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%，尤其是交通运输业为了减轻交通运输工具的重量，实现交通运输业高速化、轻量化和现代化，满足现代交通工具高速、安全、节能、环保的车辆、船舶和集装箱的需要，导致铝材在交通运输业中的应用比例具有逐年扩大之趋势。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18000公里高速铁路和8000公里地下铁道或轻轨线，以及普通铁路的动车组化（(200kg/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。

此外，由于世界制造业的中心转向中国，大大促进了我国飞机、交通运输、汽车、集装箱、机械制造、电子电器、石油化工、能源等工业部门的发展和出口量的逐年增加，工业用铝型材的消耗会大大增加。如三个大飞机项目的启动及大型航母的制造等大型工程的实施，需要大量的高质量精密铝合金型材、管材和和棒材。预计在近20年内我国大中型特种铝合金挤压材将以年均18%的速度增长，因此发展空间很大。

3.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，铝合金也占机体结构质量的70%以上。

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座以上新飞机的需求量为29400架，而空客预测为24000架，平均每年1500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450千克增长到1吨，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吨。在今后20年内，全世界每年大飞机用铝材约为50万吨铝合金材料。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4097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。在全球范围内，为了减少能源消耗和环境污染，铝材成了交通运输工具轻量化的首选材料，交通运输业也成了铝材的最大用户（约占30%左右），其中高强高韧铝合金材料主要用作承力结构部件，如高速列车、地铁和轻轨列车、动车组列车及豪华大巴和船舶舰艇用材以及新能源、机电制造、热传输用材等，今后20年年均将需要300万吨以上，中国需求量可能超过50%。随着绿色建筑业的向前推进，以铝合金绿色建筑结构材料替代传统的钢结构材料，以绿色的铝合金模板、脚手架替代传统的建筑施工机械已成为必然的发展趋势。