2022年铝合金行业发展历程回顾.docx

2022年铝合金行业发展历程回顾1 .乘风而起的人们1.1 铝的规模化生产古代中国人就已经用明矶净水了,古代希腊和罗马人也 用明矶作染料和收殓剂西方人把明矶叫做alum,拉丁文的 意思是“苦涩的盐”,跟硫酸镁的“泻盐”区分开有人将碱加入 明矶溶液,得到了白色的沉淀,并在燃烧后的到了白色的粉末, 但当时没有人说得清楚这些粉末和明矶的关系1754年,炼 金术士马格拉夫发现这种白色的粉末性质和石灰完全不同, 在与硫酸溶解后,蒸发掉水分,就得到了明矶的晶体,因此他 推断白色粉末是其中的组分,将这种白色粉末命名为矶土, 并视其为自己的独门绝技;随后1789年化学家拉瓦锡和德莫乌将矶土作为化学元素, 排进了他们的元素名单中,但是随后德莫乌自己否定了这ー 结论,他认为这种化学元素或许不是矶士本身,而是其中的组 分几十年后,化学家戴维也是受到了德莫乌的启发,从电解 碱中寻找新的元素,在他成功的用电流分解了钠钾镁钙之后, 他把目光投向了矶土、石英、错石以及绿柱石,经过仔细的 研究,他确定这几种物质中有他想要的答案:“我是多么幸运, 现在已经有十足的证据证明,这中间存在我希望的找到的金 属元素,我将其命名为:硅、铝、错、镀。

然而出乎戴维意 料的是,事实上他得到的只不过是铁铝合金,并不是纯净的 铝直到1825年丹麦科学家奥斯特将钾溶解在水银里没让得 到的钾汞齐与无水氯化铝反应,从而得到了一团新的金属,这 就是纯净的铝就这样,一直隐藏在各类化合物中的金属铝, 终于以这样的方式与人类见面了尽管铝在实验室被人们了解,但距离它大规模生产还有 很多的问题,其中最为突出的矛盾就是铝过高的制造成本 尽管法国化学家德维尔尝试用钠替代钾来还原氯化铝,但成本 依然是普通人无法承担的事实上,直到19世纪80年代, 铝的价格都非常昂贵在1855年的巴黎博览会上,铝作为ー 种高贵的金属被与王冠上的宝石一同展出,标签上注明“来自 黏土的白银”在当时,ー盎司(30g)铝和普通工人一天的 エ资差不多铝在实验室制备的方法主要存在两个问题,第 一,还原铝的化合物是钾和钠,都是很贵的金属,本身也容易 受潮,不易保存,第二,当时电カ刚刚使用,电解铝需要达 到2300度的高温,能耗很高,因此制造成本居高不下;好在很快人们发现通过加入冰晶石可以有效降低电解铝 的熔点,同时西门子的发电机又大幅的降低了电カ成本 1886年美国的霍尔和法国的埃鲁分别独立的发明了制铝的新 エ艺,这种方法被成为“霍尔ー埃鲁法”,该エ业化一直沿用至 今。

值得一提的是,霍尔和埃鲁不仅在毫无交流的情况下独 自发明了铝エ业化生产的方法,还是同年出生同年去世的缘分, 不由让人感慨造化弄人随着铝的大规模工业化生产,铝价 也逐渐随着各类应用普及开来而降低,不像刚出现时那样贵 如黄金,从而为铝在航空领域的大显身手提供了充分条件1.2 齐柏林飞艇在美国内战时期( 1861-1865),费迪南德・齐柏林伯爵作 为军事观察员,在美国考察当他第一次在葛底斯堡战役中 体验到氢气球这种高空监视战场的交通工具,这种新奇的体验 给他留下了深刻的印象他决定自己做一种比载人气球更好的 飞行器退役后的齐柏林决定改进当时德军装备的热气球, 制造ー种可以完成长途运输、空中侦察、空中作战等多种用途 的大型飞行器在体验了多种方案之后,他将希望寄托在飞艇 的身上事实上,齐柏林伯爵并不是飞艇的发明者,在此之 前,德国已经有十多位发明家投入到飞艇的研发过程中,但他 们的飞艇却有着非常明显的缺点,那就是操控的不稳定性和本 身的脆弱性,本质上仍然是氢气球,也就是早期的软式飞艇;要解决飞艇结构强度的问题,同时又不能增加太多的重 量,齐柏林伯爵将目光投在了当时方兴未艾的新材料——铝 上在齐柏林飞艇出现之前,欧洲大部分的飞艇都是软式飞艇, 一般是ー个由胶棉和亚麻布制作的大型气囊。

而齐柏林飞艇 则完全不同,通过铝制骨架和十几个充满氢气的气囊,齐柏 林飞艇得以兼顾重量和强度1900年,齐柏林的LZ-1号,终 于试飞成功,此后的所有齐柏林飞艇都在此基础上加以改进 飞艇从而ー举成为一战初期德国军队最有力的武器1.3 飞行者一号几乎在同一时间,另外一种在当时被人怀疑的新型飞行 器,也登上了历史舞台1903年12月17日,在美国北卡莱 纳州的一个晴朗的冬天上午,莱特兄弟坐上了那架后来被称为 “飞行者1号”的飞行器上当时受邀见证的只有五人,试飞 成功后,莱特兄弟发电报告诉家人这一好消息,他们的二哥 洛林当即拿着电报去找当时代顿市的日报编辑，没想到编辑根 本没当真,后来有人将这件事告诉了美国陆军部,他们也对 此不以为然,事实上,在莱特兄弟之前,就已经有许多航空 界的先驱,探索过什么样的飞行器更适合飞行了莱特兄弟并 不是类似爱迪生那样的专业发明家,他们本来是自行车商, 至少在发明创新这块,他们显得有些业余当时没有人相信 两个普通的自行车商,仅仅使用了 1000美元,就搞定了那些 大名鼎鼎的人前前后后花费数万美金都没有结果的事情;那么,是什么原因使他们能够造出世界上第一款飞机的 呢?奥秘就在于,当时的人们造飞机的主要思路是先造好飞 机,然后想如何能够驾驶它,而莱特兄弟的思路则截然不同, 他们决定先学会驾驶飞机然后制造飞机。

原来,之前的发明 家都没有亲自去高空体会飞翔的感觉,仅凭借自己的经验和 空想来设计飞机,而飞机造好之后就想着如何去适应飞机的飞 行,从来没有想过自己先尝试ー下飞行的感觉,寻找突破口 而莱特兄弟则完全不同,没有经验的他们首先制造了一架滑 翔机,然后在北卡莱罗纳州的基蒂霍克试飞,经过多次实验, 他们终于意识到平衡性和轻量化对于飞机升空至关重要;由于当时发动机马力不足,两人重新设计了飞机的发动 机,同样面临发动机过重的问题无独有偶,得益于铝的エ 业化生产,使用铝制曲柄发动机在成本相差不多的情况下重量 减轻了一半于是,莱特兄弟采用铝制造的曲柄发动机就被 安装在飞行者一号身上在1903年12月17日,莱特兄弟改 写了航空历史,奥威尔第一次实现了人类历史上真正意义上的 飞行,持续12秒,随后威尔伯将这个记录提升至59秒新 的材料加新的构思,让人类从此进入了航空时代2 .硝烟下的熠熠生辉在20世纪初的黄金年代里,铝被制成了各种新奇的民用 品,包括珠宝、日用品、眼镜、光学仪器和餐具中,铝装点了 20世纪初繁荣的欧洲,1900年的巴黎万国博览会,就展出了 许多用铝制成的珠宝和先进的光学仪器但是流连于美丽的珠宝和精密的仪器之间的人们怎么也想不到,欧洲大陆即将 笼罩在战争的硝烟之中。

2.1 ー战初出茅庐随着第一次世界大战的打响,世界航空エ业迎来了重要 发展机遇除去早期德军使用过少部分飞艇以外,ー战的大 部分制空权是由飞机主导的早期的飞机,大多都是木制的, 因为其轻巧灵便,制作材料用时相对较短,对于发动机的需 求也不用很高,当时一台汽车的直列四缸发动机就足以驱动 ー架木制的飞机了但随后人们很快就发现了木制飞机最大的 问题,那就是木制飞机的机翼很怕下雨——因为下雨导致木 头重量变重,从而无法起飞,因此需要为飞机储备足够多的 机库,而战争中来回变动的防线使得修建大型机库无从谈起, 紧张的作战形式由不得飞机在常年下雨的欧洲大陆上间歇性 罢エ因此当时的有识之士就提出要寻找材料制作防水的飞 机;由此,轻质铝飞机的概念被大家提出,但当时的铝受限 于较软的材质无法担此大任随后,德国科学家威尔姆通过 在铝中掺杂少量的铜和镁,提出了铝合金的时效硬化现象,并 制造出人类的第一块硬铝硬铝的出现使得轻质飞机得以使 用铝合金的蒙皮,从而大大拓展了铝合金在飞机上的应用;于是一战结束后,世界各国纷纷开始探索新型材料,美 国铝业作为当时铝制品的生产公司,也参与了这次对于新材 料的探索中当时的飞机设计对于材料的要求是静强度髙,目 的是减轻结构重量的同时,降低载重和航程对于发动机的要 求。

20世纪20到30年代,美国铝业发明了第一款エ业航空 铝合金研制的2017-T4合金,1924年德国人将其应用于 Junker F13飞机,飞机使用的是!70马カ的奔驰DlHa直列六 缸发动机SOHC,这也是世界上第一架全金属覆盖的商用飞 机;此外,除了对于航空用铝的探索以外,ー战期间德国等 国家出现了钢材短缺,不得不使用铝作为备选方案,铝在军 用水壶、头盔、防毒面具等领域也有许多的应用1909年, 美国陆军步兵装备委员会引进了一套完整的野战装具系统， 这就是M1910装具系统,其中包括了一个设计容量为1夸脱 （946毫升）的铝制水壶,并备有铝制水杯和帆布水壶套ー 次世界大战期间,美国陆军军需部接管了单兵装备的生产, 其中包括水壶1918年美国军需部与生产商签署了水壶的生 产合同,这些水壶表面进行了磨砂处理,以减少反光一战期 间总共生产了 1000万到1100万只铝制M-1910水壶,由于该 时期生产的水壶数量太多,因此从ー战结束到20世纪40年代 几乎都没有生产新的水壶了;航空工业和铝制军用品的需求井喷带来的铝的供不应求, 铝价也出现了大幅上涨,在1914年第一次世界大战爆发后价 格到达顶点,随后在1916年后随着战争中各国对铝矿资源的 管制而逐步回落。

这ー时期的铝矿主要产地是英国、法国等国 的殖民地,因此当时的战争双方都不得不从海外殖民地中运 输铝土矿到本国;ー战是人类社会上第一次大规模机械化战争战争中的 潜艇、坦克、战车、飞机都是消耗的各种金属材料,因此战 争开始之后各国就迅速封锁了对方的矿产开釆、冶炼和加工的 来源,试图通过饥饿封锁来削弱对方例如1917年至1918 年,德国就通过潜艇破坏英国到其殖民地的海上供应链以及 美国的海运支援这些举措使得英国被打了个措手不及,相关 的钢铁、铜以及各种合金的供应受到很大影响于是英国同 样对德国也采取了相似的措施,包括贸易管制等措施,成功 切断了德国与其原材料长期供应国玻利维亚的贸易往来这迫 使德国加强了对铝制品的原料回收,甚至铝制的罐头盒、钟、 琴等都被用于回收用于军事在ー战结束后,各国都加强了 对于铝料回收和铝材代替传统金属制品的研究,这进一步加深 了铝制品的渗透率2.2 铝合金研究的黄金年代随着第一次世界大战结束,对铝合金的研究迎来了黄金 时期1925年福特公司宣布进军航空业,设计师亨利福特设 计了一个使用三引擎,全金属波纹铝的飞机4-AT当时的航 空界对于新材料的渴求非常旺盛,稍微ー点的进步和强化都 令人激动。

波纹铝表面有助于节省重量和阻カ,在当时是现 成的材料,这ー大胆的设计迅速风靡了航空界;波纹铝在低速阶段具有表面粗糙的优点,这为飞机提供 了足够的升カ但是随着飞机发动机技术的进步,飞机的速 度也逐渐增加,波纹铝重量过髙和阻カ过大的缺陷也暴露出来 于是人们继续在此基础上为飞机寻找“光滑的皮肤”,以减少 因为飞机时速提高带来的边界层转援问题由于边界层转振, 飞机原先的气动布局和升カ将发生变化,从而影响性能;为此,1933年美国铝业集团发明了 2024合金,这成为了 目前较为常用的ー种合金,2024铝合金给飞机结构和性能带 来了巨大变化,同时也为2xxx系合金奠定了基础2024-T3 被用于世界上第一种成功的商业飞机DC-3的主体结构材料 （全机重量的90%以上）,ー共生产了 10564架,成为铝合 金发展史上重要的里程碑2024铝合金具有较高的塑性、疲 劳寿命、断裂韧性和抗疲劳裂纹扩展性能,因此主要用于机 身、机翼、抗剪肋板和腹板等高强度结构件上虽然有抗蚀性较差、材质仍然较软的问题,但是这些缺点可以通过人工时 效等方式弥补飞机上的铝合金应用中央f（含:/汽安定面I水平安定面:7050.T74 7I5O-T65I 71触16”机身桁条： 机身蒙皮：机身隔枢:715O-T765II 2024・T3sl 7050-047050-。