铝合金挤压及其新材料的研发概况与应用前景

刘静安

（西南铝业（集团）有限责任公司，重庆 401326）

铝合金挤压及其新材料的研发概况与应用前景

刘静安

（西南铝业（集团）有限责任公司，重庆 401326）

摘要：从高强高韧高性能铝合金及挤压材料、民用高性能铝合金及挤压材料、铝合金新材料与挤压新产品三个方面讨论了国内外高性能铝合金挤压新材料研发水平与趋势。通过微合金化理论，利用先进的加工工艺和热处理工艺，改善传统合金性能，研发出用于轻量化高速交通运输工具、航空航天、兵器军工等领域需要的军用和民用新型铝合金挤压材的方法，从而满足经济建设和国防现代化的需要。最后对我国铝合金挤压材的市场进行了简要分析，并预测了应用前景。

关键词：挤压材；高强高韧性铝合金；民用铝合金；新材料研发；市场与应用

1 铝合金挤压工业现状

据不完全统计，2013年全球年产挤压材2200万吨，其中，型材1800万吨（约占挤压材的80%以上），大、中型工业型材300万吨左右。铝合金挤压材以年均5%左右的速率增长，工业型材（占整个铝合金型材的70%以上）则以8%的速率增长，一大批大型的现代化综合性铝挤压材生产企业（集团），如萨帕铝业集团和海德鲁铝业（集团）公司等相继成立。

中国铝工业和铝加工业正处于高速持续发展的第三次高潮中。2013年，中国的铝挤压材年产能达1300万吨，实际产量达1100万吨，大大超过美国并成为净出口国。我国铝挤压工业的发展特点如下。

（1）建成了一大批大中型现代化挤压企业，产能产量大幅度增长，大型的民营挤压企业正在崛起。我国目前有各种铝挤压企业900家以上，其中年产能大于5万吨的有50家以上，大于10万吨的有25家左右，大于20万吨的有10家左右，年产能大于30万吨的有四家。大型现代化的民营挤压企业正在崛起。

（2）大型挤压机建设高潮迭起，反向挤压机引进剧增。到2013年底已投产的挤压机，吨位大于50MN的有76台左右，在建和拟建的12台以上，到2015年，中国建成的大挤压机将有80台以上，其中225MN 1台，150MN 2台，125MN 5台，100MN 8台，80MN级的 16台。到2013年底，中国已有40台反向挤压机，是拥有世界上数量最多、水平最高、吨位最大的反向挤压机的国家。同时，大批小型的落后的挤压机正在被淘汰或改造。

（3）加大了产业和产品调整力度，加强了科技自主开发能力，拓展了应用领域，开发了大批新产品、新技术、新工艺。工业材与建筑材的比例由上世纪的18:82提高到了2013年的近35:65，特别是在交通运输和电子电器绿色建筑、新能源等部门，铝型材获得了广泛的应用，大中型工业结构用材的比例大幅增加。

（4）出口量大增，已成为铝挤压材净出口国。

2 国内外高性能铝合金挤压新材料研发水平分析与趋势

近几十年来，世界铝及铝合金挤压加工材料大致向以下两个方向发展：①发展高强高韧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；②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，研发出了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。

2.1 高强高韧高性能铝合金及挤压材料的发展特点[4、5～7]

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。

典型的航空航天工业用铝合金挤压材主要有无粗晶棒材、高质量无缝管材、复杂断面实心型材和异形无缝空心型材、变断面型材和管材以及大型整体壁板、大梁材以及现代交通运输用的大、中、殊高能复杂断面的空心与实心型材等，要求在不断提高强度指标的同时，具有良好的韧性、抗应力腐蚀性、抗疲劳性和断裂韧性等综合性能。目前国内外主要研究成果有：

2.1.1 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不同状态的高强高性能型材、管材和棒材。

2.1.2 采用新合金元素研发的新合金及挤压材料

（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20多种。研制的目标是达到7075-T6的强度和7075-T73的抗蚀性能。表1为已研制并广泛应用的高强铝-锂合金。

表1 典型的高强铝-锂合金化学成分 （质量分数/%）

（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，因而引起高度重视。近年来，俄罗斯和德国在Al-Sc合金的研究方面取得了很大进展，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。它的应用领域也主要是航空和航天，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）：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。但由于制造工艺复杂，使其应用受到限制。

（4）铝-稀土或铝-其它元素化合或机械混合组成的新合金材料

2.1.3 采用新的制备技术研发新型超高强铝合金材料[1、4、5、9]

（1）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，但可以生产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，它们的强度均达到了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。现在美国可生产重达650kg的坯锭，加工出来的挤压件和模锻件已应用到飞机、导弹以及航天器具上。

（2）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。所以采用此方法制造高性能的超高强铝合金，有着非常好的发展前景。

（3）铝基复合材料的研究方兴未艾，各国都投入了很大力量在进行研究，它是金属基复合材料中研究得最多和最主要的复合材料。目前开发的铝基复合材料主要有B/Al、BC/Al、SiC/Al、A12O3/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。美国制造的10m多长的型材和管材已经用在了各种航天器上，并且已经成为铝合金、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了发展。

（4）研究开发和应用各种先进的和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及7055、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、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、T79、T791等不同状态的大型挤压型材和棒材。

2.2 民用高性能铝合金及挤压材的开发[1、4、8]

各国相继研发出了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及CP609、GZ45、GZ145、GC45、FC150、FM245、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、阻燃等特殊新合金等，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。表2列出了部分挤压用新型铝合金的性能数据。

表2 挤压型材用新型铝合金的性能

（1）高档民用建筑铝合金新材料的研发：铝合金门窗、幕墙等民用建筑型材不断淘汰中、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、围栏等装饰材向屋顶、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，是现代绿色建筑结构件中最理想的结构材料。

（2）交通运输用大型特种型材铝合金新材料的研发：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特别是轻量化的要求也越来越高，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，铝合金结构材是现代交通运输最理想的轻量化材料。

2.3 我国铝合金新材料与挤压新产品的研制开发方向[1、5、7]

我国从1960年至今，相继对高强高韧高性能的航空航天、兵器、舰船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材料进行了深入系统的研究，并开发和生产出了上千种符合我国国情的各种铝合金及挤压材。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）铝合金材料的研发方向。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以及高效纯化、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、可焊接的超轻的铝合金材料及挤压产品，以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。

3 我国铝合金挤压材的市场分析与预测

目前世界铝材年产、消量以5%～6%的速度增长，而我国则超过20%，远远超过国际的增长速度。但是，我国人·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，特别是高精度高性能精密工业结构型材以及深加工产品等出口量正在逐年增加。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。归纳起来，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。由于广大农村经济的发展生活水平的提高，城市化建设步伐加快，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仍有很大的发展空间（估计年增长率为8%～10%，而国外已基本饱和，增长率仅为2%～3%），不会饱和或被其它材料所代替，而且还会大量出口，占领国际市场，呈持续发展趋势。

（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%。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20000公里高速铁路和10000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、矿石化学药货车车辆的铝化等，每年共需大中型精密特种铝合金挤压材几十万吨，见表3。

（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，铝合金也占了机体结构质量的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。

表3 2020年我国各行业对铝合金大中型挤压材的需求量（估计）

据波音公司预测，2008～2027年全世界对100座以上新飞机需求量为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450kg增长到1t，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100t。在今后20年内，全世界每年大飞机用铝材约为500kt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。

4 结束语

（1）世界铝挤压工业进入了一个新的发展时期，调整产业结构，增加产量和品种，并加速扩大在急需以节能降耗、减轻环境污染、提高安全舒适为目的而实施轻量化的高速运输工具及其他方面的用量是现代世界铝及铝加工工业发展的重要特征。

（2）中国铝挤压工业向现代化的方向发展，掀起了第三次发展高潮，中国已成为铝挤压大国，铝挤压材产消大国，出口大国，但还不是强国。

（3）新合金是发展新挤压材的基础，近年来利用微合金理论，不仅改善了大批传统合金，而且研发了大量新合金，并利用先进的加工工艺和热处理工艺研发了大量的军用和民用挤压材，满足了国防现代化需要，促进了国民经济高速持续发展和人民生活水平的不断提高。

（4）铝及铝合金挤压型材是一种“永不衰败”的材料，民用建筑型材将在调整中持续发展、工业用铝合金挤压材将高速持续发展，高强高韧高性能材料将掀起新一轮发展高潮，铝及铝合金挤压材将迎来一个广阔的发展市场。

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（编辑：余东梅）

中国铝工业发展后势预测

预测1：未来20年铝的发展仍处在重要战略机遇期。这是因为中国经济的发展是中国铝工业发展的坚实基础；其次，铝的市场空间依然宽广而持久。

预测2：西进趋缓。电解铝的西进在充满诱惑的同时也充满隐忧。事实也证明，西部地区电解铝新生产线形成的速度以及投产后的效益远低于预期。如果电力体制改革得到实质性推进，真正实现市场对电力资源配置起决定性作用，电价“破冰”是早晚的事，这样一来，西部地区电价优势可能会进一步削弱。

预测3：东退加速

预测4：外移风生水起。向海外转移产能，这是国际上治理产能过剩的一种通行做法。这种做法在“十三五”时期和之后会风生水起，成为中国铝工业发展一道新的风景线。

国内首条石灰石烧结法粉煤灰提取氧化铝生产线投产

近日，由内蒙古蒙西高新技术集团有限公司自主研发的粉煤灰提取氧化铝工业生产线项目建成投产。该生产线为全国首条采用石灰石烧结法从粉煤灰提取氧化铝的工业化生产线。

该项目主要利用电厂产生的高铝粉煤灰（氧化铝含量大于40%）与石灰石按比例搭配粉磨后进行煅烧，煅烧后的熟料采用碱溶法碳分后制得高硅氢氧化铝、经管道化溶出后通过拜耳法生产出一级砂状氧化铝，碳分母液采用串联法提取出金属镓。提取氧化铝过程中产生的废渣—赤泥（硅钙渣），全部用于联产水泥熟料，由此形成了低排放、低污染、低成本的循环产业链。

中图分类号：TG376

文献标识码：A

文章编号：1005-4898（2014）06-0012-07

doi:10.3969/j.issn.1005-4898.2014.06.03

作者简介：刘静安（1941-），男，湖南涟源人，大学本科，教授级高工。

收稿日期：2014-07-01

Research & Development and Application for Aluminum Alloy Extrusion and Its New Material

LIU Jing-an
（Southwest Aluminum （Group） Co.,Ltd., Chongqing 401326, China）

Abstract:Development situation of extrusion industry was introduced in the paper. Production and consumption of rapid development of artichtecture profile were expounded. High property and high accuracy of aluminum alloy material should be developed by adjusting industry structure in the new era. Internal and external high-property aluminum extruding material were researched.

Keywords:extruding material; high-strength & high toughness aluminum alloy; civil aluminum alloy; research and development of new material; market and application