L'alumini és l'element metàl·lic més abundant a l'escorça terrestre. És el metall no ferrós amb la segona producció i ús més gran del món després de l'acer. Té una baixa densitat, aproximadament 1/3 de l'acer. Com que l'alumini pur és tou i té poca resistència, per tant, afegint una petita quantitat d'elements com magnesi, coure, zinc, silici i liti a l'alumini, el rendiment de l'aliatge d'alumini és millor. Els aliatges d'alumini són els materials estructurals metàl·lics no ferrós més utilitzats a la indústria a causa de les seves excel·lents propietats mecàniques i resistència a la corrosió. S'han utilitzat àmpliament en la construcció, l'aeroespacial, l'automoció, la fabricació de maquinària, la construcció naval i la indústria química.
Els aliatges d'alumini tenen excel·lents propietats en mecànica i química:
① Aspectes mecànics, principalment reflectits en baixa densitat, alta resistència, alt mòdul, etc. L'alumini té una baixa densitat i és més lleuger que altres metalls, només 1/4 de l'acer, per la qual cosa és adequat per al seu ús en camps amb alts requisits de lleugeresa;
② Pel que fa a les propietats químiques, com que l'aliatge d'alumini pot formar una densa pel·lícula d'òxid a la seva superfície a l'aire, es pot protegir de l'oxidació profunda. Per tant, té una excel·lent resistència a la corrosió i una composició química molt estable.
③L'aliatge d'alumini té bona plasticitat i es pot processar en diversos perfils. Té una excel·lent conductivitat elèctrica i tèrmica. Per tant, s'utilitza àmpliament a la indústria i el seu ús només és superat per l'acer.
Actualment, hi ha més de 250 aliatges d'alumini amb diferents composicions a la indústria. Per tal de facilitar la distinció, segons les diferents composicions d'aliatge, la Xina adopta el mètode de classificació de graus de quatre dígits acceptat internacionalment per facilitar el marcatge del lloc de producció, la memòria i la gestió de càlculs. Els aliatges d'alumini utilitzats a la indústria militar inclouen principalment aliatges d'alumini-liti, sèrie 2XXX (A1-Cu-Mg) i aliatges d'alumini sèrie 7XXX.
Demanda del mercat i tendència de desenvolupament de diversos materials d'aliatge d'alumini
Aliatge d'alumini de la sèrie 2XXX
Els aliatges d'alumini de la sèrie 2XXX (A1-Cu-Mg) tenen una alta resistència a la tracció, tenacitat i resistència a la fatiga, bona resistència a la calor, propietats de processament i soldadura, i s'utilitzen àmpliament en les indústries aeroespacial, automobilística i d'armament. Els principals graus són 2A01, 2A02, 2A06, 2A11, 2A12, etc. S'ha desenvolupat una sèrie d'aliatges per millorar la resistència, l'adaptació de la tenacitat i la tolerància al dany, com ara els aliatges 2024, 2124, 2524, 2324, etc.
Els models d'equipament de la Xina s'estan desenvolupant en la direcció de la lleugeresa, la llarga vida útil, l'alta fiabilitat i el baix cost, i tenen alts requisits pel que fa a la resistència a la fractura, la resistència a la propagació de fissures i la resistència a la corrosió del material de la pell del fuselatge. Basant-se en la placa gruixuda d'aliatge d'alumini 2024-T351, països estrangers han desenvolupat aliatges d'alumini d'alta tolerància a danys 2324, 2624 i altres per a la superfície inferior de l'ala amb diferent resistència, tenacitat, fatiga i resistència a la corrosió, i han aconseguit la instal·lació i l'aplicació. La Xina està desenvolupant aliatges d'alumini de la sèrie 2XXX d'alta tolerància a danys. En el futur, la microaliatge composta serà una direcció de desenvolupament important per als aliatges d'alumini d'alta resistència de la sèrie Al-Cu-Mg.
Aliatge d'alumini de la sèrie 4XXX
Actualment, els aliatges eutèctics i hipoeutèctics d'Al-Si s'utilitzen principalment per a pistons d'automòbils a la Xina. Tanmateix, amb la millora contínua dels requisits de rendiment del motor, és difícil complir els requisits de rendiment. L'aliatge hipereutèctic d'Al-Si té baixa densitat, un coeficient d'expansió lineal petit, una major resistència al desgast i estabilitat de volum, i és un material de pistó més ideal en comparació amb els aliatges eutèctics d'Al-Si. Els pistons d'aliatge hipereutèctic d'Al-Si s'han produït en massa a l'estranger i s'han aplicat a camions i cotxes, com ara l'aliatge A390 als Estats Units, els aliatges AC9A i AC8A (ZL109) al Japó i l'aliatge A390 a Austràlia. Tanmateix, actualment hi ha pocs fabricants a la Xina que produeixin pistons d'aliatge hipereutèctic d'Al-Si, i la majoria depenen de les importacions. A més, hi ha una gran diferència entre els materials d'aliatge d'alumini per a turbocompressors d'automòbils i els països estrangers. Els materials d'aliatge d'alumini d'alt rendiment per a turbocompressors d'automòbils depenen principalment del Japó i altres països. Per tant, és imprescindible desenvolupar materials clau d'aliatge d'alumini per a automòbils per a pistons d'alt rendiment i impulsors de turbocompressors.
Aliatges d'alumini de la sèrie 5XXX
Els aliatges d'Al-Mg, especialment els aliatges d'Al-Mg amb un alt contingut de Mg, tenen una alta resistència específica, bona soldabilitat i resistència a la corrosió, i es convertiran en materials altament competitius en el futur sector aeroespacial, trens d'alta velocitat, oceans i altres camps. Actualment, les plaques, perfils i cables de soldadura d'aliatge d'Al-Mg per a la indústria aeroespacial, trens, oceans i altres aplicacions depenen principalment de les importacions. El mercat de cables de soldadura d'alta gamma està bàsicament monopolitzat per ALCOA als Estats Units. Els aliatges ER5183 i ER5356 depenen principalment de les importacions, i el volum d'importació representa aproximadament el 70% de les seves vendes. Els aliatges d'Al-Mg per a vaixells depenen principalment de Rússia. Els lingots convencionals d'aliatges amb alt contingut de Mg tenen dendrites ben desenvolupades, una segregació de fase eutèctica severa i un rendiment de conformació deficient. Els mètodes de processament actuals encara presenten molts problemes, com ara baix rendiment, mala qualitat aparent, procés llarg, qualitat inestable i baix rendiment. La solidificació i conformació subràpida poden inhibir la precipitació de Mg i, alhora, es poden regular per obtenir cristalls equiaxials fins i fases nanoprecipitades, millorant considerablement el rendiment i la uniformitat del material. Per tant, s'espera que el desenvolupament de la tecnologia d'extrusió i laminació reològica contínua de solidificació subràpida per a aliatges d'Al-Mg d'alt rendiment satisfaci la demanda d'aliatges d'Al-Mg d'alta qualitat.
Aliatges d'alumini de la sèrie 6XXX
Els materials d'aliatge d'alumini de la sèrie 6XXX són materials clau en els camps del transport ferroviari, l'automòbil, l'electrònica, etc. Des de la dècada de 1980, països i regions desenvolupades com Europa, els Estats Units i el Japó han desenvolupat aliatges d'alumini per a automòbils, graus registrats com ara 6009, 6016, 6010, 6111, 6022 i 6082, i han format un sistema de producció i aplicació relativament complet per a panells de carrosseria d'automòbils, extrusions, forjades, etc. La investigació i el desenvolupament d'industrialització de panells de carrosseria i forjades d'aliatge d'alumini de la sèrie 6XXX a la Xina tot just ha començat, i hi ha una clara bretxa. El Ministeri d'Indústria i Tecnologia de la Informació de la Xina ha proposat que les làmines d'aliatge d'alumini per a automoció que es desenvoluparan siguin: 6016-S, 6016-IH, 6016-IBR, 6A16-S, 6A16-IBR, 6022, etc. La làmina d'aliatge d'alumini típica de la sèrie 6XXX té un allargament A50 no inferior al 25%, un valor r no inferior a 0,60, un límit elàstic d'aparcament a 60 d Rp0.2 no inferior a 140 N/mm2 i un increment del límit elàstic d'enduriment de la pintura no inferior a 80 N/mm2. En resposta a les diferents necessitats, el desenvolupament de la tecnologia de disseny, preparació i processament dels aliatges d'alumini de la sèrie 6XXX s'ha convertit en una tendència inevitable de desenvolupament.
Aliatges d'alumini de la sèrie 7XXX
Els aliatges d'alumini de la sèrie 7XXX tenen una bona resistència a la corrosió sota tensió i són la sèrie més forta entre els aliatges d'alumini. Són reconeguts internacionalment com a materials bàsics de l'aviació. Recentment, països estrangers han desenvolupat l'aliatge 7055 (Al8Zn-2.05Mg-2.3Cu-0.16Zr), la tensió elàstica del qual supera els 620 MPa en l'estat T77511. S'utilitza en avions Boeing 777 i redueix el pes en 635 kg. Actualment, la Xina no disposa de tecnologia sistemàtica de disseny, preparació i processament d'aliatges per als aliatges d'alumini de la sèrie 7XXX per a l'aviació, i alguns productes depenen completament de les importacions. A causa dels lingots a gran escala dels aliatges d'alumini de la sèrie 7XXX amb molts elements d'aliatge, l'ampli rang de solidificació, la gran tensió de fosa i la fàcil oxidació/segregació dels elements d'aliatge, la qualitat metal·lúrgica dels lingots és deficient i el rendiment de conformació a temperatura ambient és baix, per la qual cosa és de gran importància desenvolupar nous aliatges d'alumini de la sèrie 7XXX.
Aliatge d'alumini-liti (Al-Li)
L'aliatge d'alumini-liti és el material lleuger de més ràpid creixement en materials d'aviació en els darrers anys. Té les característiques de baixa densitat, alt mòdul elàstic, alta rigidesa específica, bon rendiment a la fatiga i resistència a la corrosió. Després de substituir els aliatges d'alumini convencionals, la massa es pot reduir en un 10%~20% i la rigidesa es pot augmentar en un 15%~20%. A principis del segle XXI, l'empresa americana ALCOA va llançar el "Pla ALCOA Aviation 20/20", amb l'objectiu de reduir el cost i el pes dels aliatges d'alumini d'aviació en un 20% cadascun en 20 anys. Constellium ha desenvolupat els aliatges d'alumini-liti 2050 i 2198 (Al-Cu-Li-Mg-Ag) amb baixa densitat, alta tenacitat i alta tolerància a danys. Hi ha molt pocs graus d'aliatge d'Al-Li desenvolupats independentment a la Xina, i només s'ha utilitzat l'aliatge 1420. L'aliatge d'alumini-liti utilitzat en l'avió de passatgers C919 és proporcionat per Alcoa. A nivell nacional, només es poden produir graus d'aliatge limitats com ara 1420, 2195, 2197 i 2A97, i els lingots són només lingots plans per sota de ((310~400)×1280×4000) mm i lingots rodons per sota de φ650 mm. Els lingots plans (2B16) amb un gruix superior a 60 mm i una amplada superior a 1500 mm, i els lingots (2B16) amb un diàmetre superior a 1500 mm en el camp de les aplicacions d'aviació d'alta gamma encara no s'han produït industrialment. Per tant, és de gran importància desenvolupar nous dissenys d'aliatges d'alumini-liti, preparació de lingots ultra grans i tecnologia de processament profund.
Aliatge d'alumini resistent a la calor
Els aliatges d'alumini resistents a la calor són materials bàsics clau en els camps de l'aeroespacial, l'automòbil, el transport ferroviari, etc., mitjançant la regulació d'elements com Si, Fe, Ni, Ag i terres rares per fer que els aliatges d'alumini siguin resistents a l'oxidació i a la fluència a altes temperatures. Els aliatges d'alumini resistents a la calor tradicionals inclouen: 2519, 2618, 2219, 2D70, etc. Amb el ràpid desenvolupament de les indústries aeroespacial i automobilística, s'imposen requisits més alts als aliatges d'alumini resistents a la calor. La nova generació de caça té una alta velocitat de creuer i la temperatura de funcionament de la pell del fuselatge és superior a 150 °C. Actualment, la temperatura d'ús a llarg termini dels aliatges d'alumini resistents a la calor com el 2618 i el 2D70 és inferior a 150 °C. És imprescindible desenvolupar nous aliatges d'alumini resistents a la calor.
Aliatge Al-Sc amb un contingut ultrabaix d'escandi (Sc)
L'aliatge Al-Sc té propietats excel·lents com ara alta resistència, bona plasticitat i resistència a la corrosió, i s'ha convertit en una nova generació de materials lleugers per a la indústria aeroespacial, els vaixells, etc. després de l'aliatge Al-Li. La resistència a la tracció de l'aliatge Al-Mg que conté traces d'escandi és un 30% superior a la de l'aliatge 5083, i el límit elàstic és més que doble. La seva soldabilitat és comparable a la dels aliatges convencionals de la sèrie 5XXX, les propietats mecàniques de la zona afectada per la calor i la soldadura són aproximadament iguals a les de la matriu, i la seva resistència a la corrosió és comparable a la de l'aliatge 5083. La substitució dels aliatges de la sèrie 5XXX o 6XXX en la fabricació de components aeroespacials pot aconseguir efectes significatius de reducció de pes, i també és un material superior per a automòbils i vehicles ferroviaris. Rússia està a l'avantguarda mundial en el desenvolupament d'aliatges d'alumini que contenen escandi i ha format aliatges Al-Mg-Sc, Al-Mg-Li-Sc, Al-Zn-MgSc, Al-Zn-Mg-Cu-Sc i Al-Cu-Mg-Sc amb un contingut d'escandi del 0,18% al 0,5%. Per tal de promoure l'aplicació d'aliatges d'alumini-escandi en la indústria aeroespacial i l'automòbil, el Ministeri d'Indústria i Tecnologia de la Informació de la Xina ha inclòs els aliatges d'alumini que contenen escandi com un dels nous materials per al desenvolupament prioritari. La Xina és rica en recursos d'escandi i ha construït una línia de producció d'extracció d'òxid d'escandi d'alta puresa, establint les bases per al desenvolupament d'aliatges d'alumini-escandi.
Aliatge d'alumini d'estampació en calent de grau 500 MPa per a automòbils
Encara hi ha un buit en els materials d'aliatge d'alumini d'alta resistència per a l'estampació en calent a la Xina. La combinació de nous materials i el desenvolupament de nous processos de conformació és un mitjà eficaç per resoldre el problema de la conformació de peces d'automòbils d'aliatge d'alumini d'alta resistència. Centrar-se en els aliatges de la sèrie 7XXX, explorar activament els aliatges 2XXX i desenvolupar materials d'aliatge d'alumini de grau 500 MPa per a l'estampació en calent tenen importants perspectives per a la fabricació de peces d'automòbils de formes complexes.
Materials compostos basats en alumini
Placa composta multicapa d'alumini-acer: La connexió efectiva entre les cobertes d'alumini i acer s'ha convertit en una de les limitacions per a l'alleugeriment de les superestructures de grans vaixells. La junta de transició composta d'alumini-acer utilitzada per a la soldadura entre els bucs d'alumini i acer proporciona una solució per substituir el procés tradicional de reblat. Honda ha desenvolupat una tecnologia d'unió d'acer i alumini que s'utilitzarà globalment en xassís de cotxes produïts en massa. Actualment, les unions compostes d'alumini-acer utilitzades a la Xina s'importen principalment de l'estranger, amb un preu de fins a 4 × 10 5 CNY/t. Amb els futurs vaixells a gran escala, es requereixen temperatures de soldadura més altes, una major tensió de suport i interfícies d'unió més fortes per a les unions de transició, i es necessiten urgentment unions d'alumini-acer d'alt rendiment.
Data de publicació: 08-03-2025
