金属结构质料研发趋向何方？

时间：2016-09-29 浏览量：字号：

　　编者按：3月30、31日，由中国有色金属学会和河南科技大学配合主理的“第二届天下有色金属结构质料制备/加工及应用手艺交流会”在古都洛阳召开。为期两天的聚会交流中，近400名与会的科研职员探讨了有色金属结构质料的研究现状和手艺趋势，交流了却构质料的合金制备与质料加工以及质料的应用手艺，并分享了近年来在产、学、研、用方面的科研攻关的效果与履历。

　　现在较为普遍的看法以为，研制开发出具有高比强度、高比刚度、耐高温、耐磨损、耐侵蚀等性能的结构质料，是新一代高性能结构质料生长的主要偏向�；谏鲜雠渚�，在这次手艺交流活动中，32名专家学者凭证各自研究专长，在铝、镁、铜、钛等金属质料以及复合质料领域作了30多场精彩、深入的专业报告。为交流质料领域近年来具有立异性的科技效果和应用效果，促举行业各项新手艺、新工艺的研发、推广和应用，现将部分报告内容举行整理并摘登，以飨读者。

　　金属控制凝固与控制成形加工新工艺谢建新中国工程院院士、北京科技大学教授

　　质料的制备加工是决议其使用性能的主要因素之一，也是质料科学与工程的主要组成部分。近年来，高新手艺的生长对证料的使用性能要求越来越高，因此，实现“三高两低”的手艺途径，缩短古板生产工艺流程，简化工艺环节，开发短流程新工艺就成为质料制备加工的重点研发偏向。

此举切合节能降耗、提高生产效率的要求，有助于开发全新的制备与成形加工手艺，例如3D打��；生长先进的制备加工手艺，如智能化制备加工手艺，实现组织性能与构形的全历程准确控制，提高古板质料的使用性能，开发高附加值产品。

　　在铸造、加工和热处置惩罚全历程中，对金属的“凝固-形变-相变-组织性能-工艺”的交互作用与遗传演化，实验协同准确控制，生长加工新工艺新手艺，实现金属质料/构件的高性能化、古板加工工艺的短流程化、脆性难加工质料的可加工化是主要生长趋势。

　　我国铜资源清静问题突出，资源匮乏，可采储量约3000万吨，仅占全球的4.5％；2015年我国铜消耗量凌驾1150万吨，占全球40％以上，别的，2010年以来，我国铜资源入口依赖度高达75％以上，因此，开发铜铝复合质料将有利于降本增效，促举行业康健生长。

　　可推进以铝节铜。一是替换纯铜扁排，我国扁排年需求量约100万吨，其中电力工业40万吨，修建领域40万吨，冶金、化工、交通运输、制造等领域20万吨。90％以上可用铜包铝复合扁排替换。别的，在高新手艺领域，降本钱、减重量的需求同样格外强烈，铜包铝复合扁排用于新能源（风电、光伏）等领域，有助于降低本钱，提升战略新兴工业的竞争力；用于高铁、大飞机等现代交通领域，有利于减重，降低能耗，以空客A380客机为例，每架使用铜包铝复合扁排1吨，可减重1.2吨，效果显著；二是替换纯铜扁线等，我国的电缆、电磁扁线现在年用量约350万吨，可替换量约为100万吨。若接纳铜包铝替换纯铜，有利于大幅减轻绕组、架线、运输重量。并且大规格电缆、大型电力变压器、特种变压器绕组线都可用铜包铝替换。

　　铜铝复合质料的生长离不开先进手艺支持。双金属轧制容易爆发边部高附加拉应力，导致轧制边裂缺陷。以铜铝复合质料连铸直接复合新工艺为例，其针对铜和铝性能差别大的特点，开发了特种孔型轧制、强制润滑拉拔手艺，突破了双金属协调变形的难题；开发了铜铝复合质料轧制加工-拉拔工艺和全套装备。

　　推动我国质料先进制备与成形加工手艺的生长，生长金属质料控制凝固与控制成形的新原理与新要领，可以知足高新手艺生长与国防建设的需求；生长适合于工业应用的金属质料控制凝固与控制成形手艺原型，能够知足古板结构质料向高性能化、复合化、结构功效一体化生长的需求，有助于生长制备加工共性要害手艺，突破高性能金属质料短流程制备加工及高质量工业应用要害手艺突破。

　　绿色之镁——上海交大的实践丁文江中国工程院院士、上海交通大学质料科学与工程学院教授

镁是一种主要的金属质料，我国的镁资源富厚，而稀土是我国的优势资源。既然有资源优势，怎么把资源优势化为手艺优势，然后再把手艺优势酿成经济优势，这就是需要我们思量的。

　　我们现在做的事情主要是用稀土刷新镁，用稀土来实现镁的高强、耐热。镁与稀土团结，可以实现周全的性能优化。其比重低、比强度高、吸振降噪、电磁屏障、容易接纳。镁稀土合金具有高强、高韧、耐蚀、耐热的特征。

　　其研究效果主要包括以下四个方面：一是质料研究有所希望。探明晰镁燃烧机制和镁易侵蚀的缘故原由，找到了高校析出强化相，诠释了长周期有序结构形成的须要条件；二是工艺手艺有所突破。研发了镁稀土中心合金低本钱制造手艺、镁稀土合金熔体的纯净化手艺、镁合金砂型细密铸造手艺和超声阳极氧化外貌处置惩罚手艺及装备；三是要害主要部件应用有所拓展。创造了5种高性能镁合金，开发了多种新工艺和装备，研制了50余种镁部件，现在正在举行研制的有：武装直升机主机匣、地地导弹舱体、V6汽车发念头缸体、打飞机座椅骨架等；四是镁功效质料研究取得新生长。在能原质料方面有所突破，例如纳米核壳结构MgH2储氢质料、镁离子可充电储能质料及其系统�？山到饷净颂迥谥踩胫柿霞捌淦骷�，例如心脏支架、骨钉骨板、神经导线等，以及镁基氢致变色质料及其系统。

　　别的，在JDZM阻燃合金、JDM1高韧耐蚀合金、JDM2高强合金等质料的研究方面取得了一系列希望，并在共电解制备Mg-RE中心合金、镁稀土合金深度净化、超声阳极氧化与装备等方面实现了手艺突破。

要秉持“立异驱动生长”的理念，并团结学科生长现状剖析了生长立异转型的要害问题，把质料应用设计与中国制造2050相团结，关注制造业生长。应依托优势资源，形成绿色工业；增强基础研究，创造中国品牌；系统集成手艺，提高附加价值；组建产学同盟，增进一连生长。

　　铜铝层状复合质料半熔态轧制手艺及应用谢钦佩河南科技大学副校长

　　我国是铝工业大国，也是铜材消耗大国，可是我国铜资源匮乏，凌驾75%的铜质料需要入口，供需矛盾日益加剧/近年来，国家鼎力大举支持铜铝复合质料的生长。2016国家自然科学基金委将“有色金属质料设计、制备、加工和应用中的要害问题”；“多维、多标准、多条理结构切合质料的优化设计原理及制备要领”作为重点支持项目。

　　铜铝复合质料是信息手艺、新能源等工业升级换代的基础原质料，在信息手艺领域，能有用降低铝镀铜带来的污染，节材减重；在新能源领域，其节能环保，是散热元件、电动汽车动力电池散热板的最佳选择；在修建装饰行业，铜幕墙、铜门等复合质料可替换纯铜质料，节约质料，降低本钱。别的，以铝代铜、以铝代钛有利于优化国家资源结构，推动有色金属资源结构和工业结构调解。

　　现在，海内外复合质料研究热门主要集中在制备工艺、复合理论和团结机制研究、双金属复合质料界面研究、铜铝层装复合质料半熔态铸轧复合手艺以及推广应用保存的手艺瓶颈等方面。

　　复合质料的生长趋势主要是以下两点：一、异种金属复合质料界面结构、界面适配、界面调控机制研究�；诶┥⒗砺酆湍芰垦�，研究界面扩散与界面相变行为，建设扩散动力学模子及扩散层厚度与制备工艺变量之间的关联性关系；探讨异种金属层状复合历程中界面结构演变、界面化合物形成的热力学及动力学条件，界面化合物生长控制准则；基于界面层厚度与复合质料性能的适配性研究，建设基于差别服役性能要求的定制化界面调控机制；突破异种金属复合加工的界面适配、缺陷控制等要害手艺。

　　二、宽幅异种金属层状复合质料协同变性机制�；谑的Ｄ馐忠蘸鸵熘纸鹗粜湫卫讨卸喙亓ぞ呷却祭┥⒒�，探索异种金属变形历程中应力场、温度场、流变场漫衍、协同再结晶机制及界面结构演变机理；开展轧制工艺和热处置惩罚工艺参数与异种金属复合质料加工协同变形、再结晶及织构回复，组织、性能稳固性的关联性研究，提出协同变形与再结晶的临界条件，构建宽幅异种金属层状复合质料深加工工艺准则。

　　超轻镁锂合金在航空航天等领域的应用肖阳中铝郑州轻金属研究院轻金属质料研究所所长

镁锂合金是现在最轻的金属结构质料，它由最轻的金属锂和最轻的结构金属镁组合而成，具有超轻、高比强度，高比模量以及优异的刚性。

　　镁锂合金是最具减重潜力的金属结构质料，超轻镁锂合金的使用，将有助于实现结构减重，提高无邪性和无邪性。其具有优异的导电、导热性能，这是其它非金属轻质质料所无法相比的；具有突出的减震性能。镁锂合金具有较大的内讧系数，而内讧系数的崎岖批注质料在爆发震惊时能将更多的能量消耗于金属内部，从而抵达减震效果，提高装备的可靠性，同时可以起到降噪作用；具有优异的电磁屏障性能�？墒棺氨傅那寰残浴⒆既沸曰竦么蠓岣�，是其它质料无法替换的；具有优异的焊接性，焊接性能是质料的主要指标，焊接毗连牢靠、稳固、可靠，是永世性毗连，可减轻结构重量，简化加工与装配工序等，可接纳TlG焊、激光焊接、搅拌摩擦焊接等，手艺均已成熟；优异的机械加工及冷成型能力。通例镁合金都是热加工成型，不可冷加工，但镁锂合金是可以冷加工的，并且冷加工性能很是优异，冷轧总加工率可达90％，能够举行室温冲压成型，且制品率在90％以上。别的，镁锂合金可100％接纳，接纳的金属资源可以重新投入社会举行产品配件的生产。

　　对减重有迫切需要的领域如航空航天、武器装备、3C产品及其他民用领域关于镁锂合金的需求与日俱增。

　　在航天领域，结构减重可谓“克克盘算”，航天飞机重量每减轻1kg，发射本钱用度就可镌汰1.5万美元；在武器装备领域，战斗机重量若减轻15%，则可缩短飞机滑跑距离接触5%，增添航程20%，提高有用载荷30%；在其他民用领域，如汽车等，汽车车身每降低100kg，二氧化碳排放量可镌汰9g。

制备手艺的一直前进使超轻镁锂合金成为理想的结构减重质料。镁锂合金能为我国的火箭、导弹、卫星、空间站、军机、雷达等举行大幅度减重，解决轻质质料制约我国武器生长瓶颈问题。

新型铝镁硅锌合金助汽车车身减重张永安，闫丽珍北京有色金属研究总院

　　古板汽车每减重100kg，百公里油耗可降低0.3～0.6k，CO2排放量可镌汰5g/km。在欧洲CO2排放量中，装载古板内燃机得乘用车占到12%，2007年单车谈论排放量158.7g/km，2015年控制目的为单车130g/km。照此推算，单车平均油耗需要控制在5.6L/100km，2020年的控制目的为95g/km。

汽车轻量化切合节能减排要求，也将是未来汽车业生长的一大重点攻关项目。在汽车整体结构中，车身重量约占30%，车身的轻量化举足轻重，而车身板质料的开发尤为要害。现在，车身板材减重主要使用轻质铝合金。

　　汽车铝合金笼罩件的生长履历了2系铝合金，5系铝合金和6系铝合金，2系具有优异的焊接性能和铸造性，强度高。可是成形性较差，耐侵蚀性较差，烤漆时效响应速率慢，作为车身内外笼罩件，其应用显着受限；5系成形性高，但强度低，冲压历程易爆发“橘皮”和滑移线等外貌缺陷，烤漆历程伴有软化征象，适用于内笼罩件，但外笼罩件应用受限；6系铝合金T4态具有优异的成形性，烤漆后强度较高，冲压历程不易爆发吕德斯带，耐蚀性及焊接性优于2系铝合金，并且与现有汽车车身生产系统相匹配，因此6系铝合金被以为是汽车车身用最有远景的铝合金，也是研制难度最大的车用铝合金。

　　6000系铝合金板材及汽车笼罩件的制造需经由熔铸、扒皮、匀称化处置惩罚、热轧、批退火、冷轧、固溶处置惩罚、锯切、洗濯等流程，因此，怎样包管板材成形时具有优良的延展性和较低的强度，以及怎样确�？焖偈毙У执锞】赡芨叩那慷人绞瞧溆τ玫牧胶平俚�。

　　一种添加Zn的新型Al-Mg-Si合金切合高成形性和快速时效响应协同要求，经试验验证，锌的添加对合金固溶态和预时效态的屈服强度均无影响，提高了合金的烤漆硬化性。该新型合金体现出了优异的成形性能和烤漆硬化性。

　　金属基复合质料在轨道交通中应用远景辽阔赵鸿金江西理工大学质料科学与工程学院副院长

近年来，我国鼎力大举支持生长轨道交通，以高铁为例，轨道交通质料中涉及有色金属质料的主要部件是车体、车门、内装，别的在刹车片、受电弓、接触网等结构中有使用。

　　现在车体常用质料有：不锈钢、铝合金、高强度耐候钢、防水涂料、降噪质料，未来生长偏向是大型空心薄壁铝材、碳素纤维、复合质料；车门常用质料有：不锈钢、铝合金、玻璃钢、防水质料，未来生长质料将是泡沫铝；内装以铝合金、镁合金等轻金属，玻璃钢、PC等高分子质料，橡胶质料，减振质料，胶贴剂，未来将以中空的瓦楞铝板等复合质料，铝蜂窝板等蜂窝质料为主。

　　接触网分为刚性和柔性两种，刚性接触网主要使用Cu-Mg、Cu-Cr-Zr质料，刚性接触网与柔性接触网相比具有所需隧道净空小、维修利便、运行清静、事故率低、经济合算等优势，刚性接触网的普遍应用是以后城际轨道交通和高速铁路的生长偏向。(泉源：中国有色金属报)

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