高强铝合金的发展及其材料的制备加工技术.docx

高强铝合金的发展及其材料的制备加工技术摘要：国内外高强铝合金发展的理论基础及其材料的制备加工技术.针对大规格 高性能铝合金材料的成分设计、熔炼、均匀化、固溶、淬火、预拉伸以及时效各 工序的相关技术的研究热点和发展进行了介绍和讨论.并对我国该类铝合金及其发 展和应用提出了建议.关键词：高强铝合金；铝合金结构材料；铝合金设计；铝加工高强铝合金具有密度低、强度高、热加工性能好等优点，是航空航天领域的 主要结构材料.现代航空航天工业的发展，对高强铝合金的强度和综合性能提出了 更高的要求.一、 超高强铝合金的研究现状目前，对超高强铝合金的研究主要集中在两个方面：一方面是以合金化的手 段开发新型合金即通过研究微量元素在铝合金中的作用，优化微量元素的添加 量和添加工艺研制高性能铝合金，其典型代表是Al-Li合金；另一方面是以工艺手 段对现有的铝合金进行改良，理论和实践都证明这种改良是有效的1. 铝合全熔体净化技术研究事实表明：铝熔体的净化对于提高铝合金的性 能，特别是断裂韧性十分有利铝熔体的净化可分为炉内净化和炉外净化两种方 式炉内净化根据其净化机理可分为吸附净化和非吸附净化（真空处理）两大类 炉外净化可分为除气、过滤和联合处理等方式。

目前，经先进的净 化处理后，熔体中的氢含量可低于01ml 100gAl，氧含量低于6ppm，钠含量低 于2ppm，非金属夹杂物＜5^m2. 铝合全的强韧化技术从理论上说，用工艺手段提高金属的强度有两条途 径，第一条是完全消除金属内部的位错和其它缺陷，使它的强度接近其理论强度（己经证明完整晶体屈服强度的理论值比实测值高出千倍以上）但目前这样做 还相当困难另一条就是在晶体中引入大量的缺陷，以阻碍位错的运动（己经证 明金属的塑性变形是位错的运动造成的）提高金属的强度例如采用固溶强化、 细晶强化、第二相强化（沉淀强化、弥散强化）和应变强化等值得注意的是有 效地综合利用这些强化手段，也可以从另一方面接近于金属的理论强度，例如在 铁和钛中可以达到理论强度的38%而且这些数字只代表目前的技术水平，进一 步发展还可能提高.金属强化的目的就是要接近或达到其理论强度二、 高强铝合金材料的研究热点与发展趋势一代材料一代装备，现代铝合金材料正朝着高综合性能、低密度、大规格、 高均匀性和材料/结构一体化方向发展，为航空航天、交通运输和高端装备的高性 能制造提供支撑.大规格高综合性能铝合金材料是现代航空、航天、交通运输轻量 化发展的基础材料，也是高强铝合金材料科学与工程研究的热点。

1. 高综合性能铝合金材料成分与组织模式的设计与制备随着相图与第一性 原理等材料计算软件（如Thermo-Calc， NAMD，Materials Studio等）的推广使用， 加上现代微结构与性能测试技术的进步，为研究主合金成分元素总量及其配比以 及微合金化元素的作用规律提供了方便.在理论计算结果指导下开展铝合金主成分 与微合金化成分的创新设计，将淘汰传统"炒菜式〃的合金设计方法不断完善铝 合金微结构-性能理论与表征方法，发展特征微结构-综合性能关联新原理与表征 方法，以探求材料高强度、高韧性、高模量、高耐腐蚀、高抗疲劳、高耐损伤、 高耐热等性能的特征微结构模式已成为铝合金研究的方向将铸造、塑性加工及 热处理过程中微观组织与内应力演化仿真模拟、成形有限元模拟与装备适应以及 性能评价系统相结合，有力地促进了多尺度微结构精细调控新原理与新技术的发 展.总之，将理论计算、模拟和实验相结合，新牌号合金的研发、性能的提升与应 用所需时间可大大缩短，效率大幅提高.2. 大规格/厚截面铝合金材料的均质制备合金组织的非均匀性短板效应是大 规格/厚截面材料设计与制备的难点和关键.高强铝合金材料尺寸规格大、合金元 素含量高，组织与性能的宏/细观不均匀性往往显著.凝固、加工、热处理中流场、温度场和应力场的不均匀作用，往往会造成大规格铸锭成分的宏观不均匀性 及非平衡结晶相和杂质相等组织的细观不均匀性；厚截面材料形变与再结晶组织 的宏/细观不均匀性；热处理组织与残余应力的宏/细观不均匀性.为研究合金成分 与组织引发的材料本征特性和制备环境引发的多场分布不均匀两方面作用规律与 机理，近些年来，研发了宏/细观组织均匀化的熔铸、塑性加工、热处理等关键制 备技术。

1）高合金化大铸锭的高洁净化熔炼与均质铸造大规格/厚截面高性 能铝材首先需要能稳定地生产出高品质大铸锭航空工业所需超高强度铝合金由 于合金化程度高，结晶范围宽，氧化、吸气严重，易含气夹杂，成分宏/微观分布 均匀性难以控制，并且铸造时极易开裂，成品率低宽型厚截面、大扁锭及大直 径高合金化均质无裂纹铸锭的熔炼、铸造技术一直是世界铝加工界设法要解决的 热点问题2）大规格坯锭的均匀流变塑性加工我国已先后建设了大规格材 料加工的大型装备，并不断研发了一些大规格合金材料的塑性加工技术针对 600~850 mm 开口度、4000 mm 宽以上的轧机，10000~12000 t 预拉伸机，12500 t 挤压机，40000~80000 t的锻压机，不仅要保证板材、型材、锻件的几何尺寸精度 和表面质量，而且还要使塑性变形深入、均匀，控制材料的动态回复与动态再结 晶并得到预期的微观组织和性能因此，将产学研用结合，针对不同合金和规格 的产品，开展了铝合金超厚板和中厚板的锻轧、角轧、非对称轧制，型材等温挤 压，模锻件等温锻造等塑性加工技术的研究.铝合金厚板高向性能低是国际铝加工 界一直设法要解决的难题.非对称内剪切轧制是一条值得研究的技术途径.德国科 布伦茨铝合金材料加工厂研发的蛇形轧制技术，不同于平辊轧制与传统的非对称 轧制，能使厚板内外层同时经受剪切变形，消除厚板中间层因变形不能深入而留 下的组织，可大幅提高厚板高向组织与性能的均匀性。

此外，经蛇形轧制产生的 剪切组织和织构组态，将会引起板材强韧性、耐蚀性、抗疲劳、耐损伤及成形加 工性能的一系列变化，该技术正在研发中3）大规格/厚截面材料组织性能均 匀性的热处理调控该类铝合金材料热处理主要也包括均匀化、固溶淬火及时效. 均匀化处理不仅需要溶解沿厚向差别大的非平衡结晶相，而且需要调控Cr，Mn， Ti和Zr等微合金化元素的高熔点弥散相的均匀析出，以获得最佳的控制再结晶的 组织固溶处理要高温溶解已析出的溶质原子，消除过剩相或加工过程中产生的第二相.因此，研发了分（多）级均匀化与固溶技术研究 发现，7xxx系铝合金铸锭均匀化处理的冷却速率不仅影响其变形行为和固溶处理 后的再结晶分数3. 材料/构件成形/成性一体化制备加工采用大规格铝合金材料制造整体构件， 可以实现减重增效，材料利用率大幅度提高，材料与构件制造技术的融合趋势十 分明显.整体大构件的制造过程十分复杂，容易使材料消耗大，其性能在制造过程 中损失大，因此，发展了材料/构件成形/成性一体化制备技术，如框梁主承力结 构件局部选择性增强、整体壁板构件蠕变时效成形、超塑性成形与固态扩散连接、 激光焊接、搅动摩擦焊接等大规格构件制造技术。

在对国际上的高强铝合金材料的发展和知识产权情况深入分析的前提下，应 明确目标，集中力量抢占未来发展的若干基础和应用研究的制高点.我们深信，不 久的将来我国不仅是普通铝合金材料生产的大国，而且也是高端高强铝合金材料 研发与生产的强国参考文献：[1] 吴康.超高强度铝合金强韧化的发展过程及方向】J] .2017[2] 李瑞.微量锆对7055型铝合金淬火敏感性的影响】J].（稀有金属材 料与工程），2017，36（4）： 607-611.。