航空鋁合金產業將迎來較快發展期

　　航空航天鋁材是一種超高強度變形鋁合金，目前廣泛應用於航空工業。飛機用的鋁合金和普通鋁合金相比，對強度、硬度、韌性、抗疲勞性、塑性有較高的要求。航空鋁合金具有較好的力學和加工性能，固溶處理後塑性好，熱處理強化效果好，一般在150℃以下，且具有高的強度、韌性好，是理想的航空結構材料。

資料圖：航空鋁合金（圖片來源：網際網路）

　　航空航天用鋁合金的主要特點是大型化和整體化、薄壁化和輕量化、斷面尺寸和形位公差精密化、組織性能的均勻化與優質化。根據飛機不同的使用條件和部位，航空航天用鋁合金主要為高強鋁合金、耐熱鋁合金、耐蝕鋁合金。高強鋁合金主要用於飛機機身部件、發動機艙、座椅、操縱系統等，使用最為廣泛。

 

　　航空鋁合金最大的特點是可以通過變形熱處理提高強度，另一個特點是難於焊接，鑑於鋁合金的焊接難點，因此，航空鋁合金通過熱變形製造整體結構件將會是未來的一大發展趨勢。

 

　　航空鋁合金的應用

 

　　航空鋁合金主要是可以熱處理的變形鋁合金，如2000和7000系列鋁合金。

 

　　2000系列鋁合金代表2024、2A16（LY16）、2A02（LY6）。7000系列鋁合金代表7075主要含有鋅元素，也屬於航空系列，是鋁鎂鋅銅合金，是可熱處理的合金，屬於超硬鋁合金，有良好的耐磨性，也有良好的焊接性，但耐腐蝕性較差。2024航空鋁合金應用於要求高強度與硬度（包括高溫）的場合，如飛機重型、鍛件、厚板和擠壓材料，車輪與結構元件，多級火箭第一級燃料槽與太空飛行器零件，卡車構架與懸掛系統零件。

 

　　據悉，進入空中的航天運載器，每減輕1公斤，其發射費用將節省約2萬美元，因此結構減重在航天領域可謂「克克計較」。戰鬥機重量若減輕15％，則可縮短飛機滑跑距離15％，增加航程20％，提高有效載荷30％。因此，世界各國十分重視研製和開發航空航天用輕質結構材料。

 

　　航空鋁合金憑藉密度小、強度適中、易加工成形、耐腐蝕性強，資源豐富、可回收性強等獨特的優勢，受到各方的關注，並廣泛應用於航空航天領域。

 

　　當前，飛機上的蒙皮、梁、肋、桁條、隔框和起落架都可以用鋁合金製造，太空梭的乘員艙、前機身、中機身、後機身、垂尾、襟翼、升降副翼和水平尾翼都可以用鋁合金。而飛機依用途的不同，鋁的用量也不一樣。著重於經濟效益的民用機因鋁合金價格便宜而大量採用，如波音767客機採用的鋁合金約佔機體結構重量81%。

 

　　目前，應用在航空民機的鋁合金材料主要有鋁合金鑄件、鋁合金鍛件、大斷面鋁合金擠壓型材、鋁合金厚板和鋁鋰合金等。

 

　　在我國，大飛機的製造需求，正在強勁拉動鋁合金材料尤其是航空鋁合金材料需求。C919大型客機已經獲得國內外20多家航空公司500多架的訂單，ARJ21-700也有200多架訂單。根據計劃，到2018年，ARJ21支線客機、C919大飛機所用30%以上的鋁合金材料將採用國產鋁材。而中國大飛機對鋁合金材料的需求增加了中國航空鋁合金研發和規模化產業鏈的發展。

 

　　如何實現鋁合金的整體構件

 

　　鋁合金的整體構件是指由整塊毛坯加工製成的大型構件所組成的新型結構，代替傳統的拼接結構。而模鍛件和預拉伸板材是鋁合金整體結構件毛坯材料的兩種主要形式。隨著金屬板坯製造水平的提高，平面類整體結構件、板、框、肋、梁的鋁合金零件已普遍採用預拉伸板。預拉伸板通過在專用板材拉伸機上預先給毛坯材料少量的塑性變形，改變板材內部原有應力分布狀態，減少與均勻化內部固有的應力狀態。然而在整個加工過程中，除了工件材料特性和結構特性的影響，溫度的變化、毛坯初始殘餘應力和切削過程都能對整體件的加工造成影響。

 

　　因此，在製造航空鋁合金整體構件時，利用開發的整體結構件變形預測系統，針對特定毛坯工件和加工工藝，完成工件的銑削加工變形預測；結合工件的結構特徵，分析工件變形的主要形式和原因；在加工工程中採用仿真系統，將仿真系統計算的結果數據直接調入優化模塊，通過建立相關數學模型，對現有工藝規程參數進行自動優化，實現數控加工的實時調控，完成整體構件的加工。

 

　　航空用鋁合金產業面臨的困境

 

　　就國內而言，大部分企業集中在中下遊，涉及上遊產業鋁土礦及氧化鋁生產的僅有中國鋁業公司、南山鋁業等大型企業，原鋁生產和鋁材加工上市公司較多。

 

　　在原鋁生產過程中需要的鋁土礦，全球共有283億噸，主要集中分布在幾內亞、澳大利亞、巴西，合計儲量佔全球的57%，產量分布主要集中在澳大利亞、中國和巴西，合計產量佔全球的61%。

 

　　中國鋁礦總量為7.35億噸左右，集中分布在山西、貴州、河南和廣西4省（區），約佔全國總儲量的90.9%，其餘擁有鋁土礦的15個省、自治區、直轄市的儲量合計僅佔全國總儲量的9.1%。

 

　　我國鋁土礦除了分布集中外，以大、中型礦床居多。儲量大於2000萬噸的大型礦床共有31個，其擁有的儲量佔全國總儲量的49%；儲量在2000噸~500萬噸之間的中型礦床共有83個，其擁有的儲量佔全國總儲量的37%，大、中型礦床合計佔到了86%。

 

　　面對中國鋁土礦自給程度逐漸下降，未來中國的鋁土礦依賴進口是一大趨勢，中國企業急需加大內部找礦、探礦力度，以及加快海外礦山收購步伐，以保障未來的原材料供給。而中國氧化鋁供給缺口不大，市場已經趨於飽和，在鋁土礦供給充足的前提下，完全能夠保障原鋁的生產需求。

 

　　2008年以來，受金融危機影響，中國原鋁的產能利用率下降，因而產量增長緩慢。受到2009年國家投資需求的拉動，2010年閒置產能紛紛復產，產量也大幅增長24.4%。近幾年，在節能減排的大背景下，國家對電解鋁行業實施限電限產政策，原鋁產量增速有所放緩。原鋁消耗量受經濟環境及國家政策的影響，增速呈現出與產量同樣的變化趨勢，增速趨緩。

 

　　航空鋁合金的下遊產業鏈主要是鋁合金的加工及使用。航空鋁合金主要是可熱處理強化的變形鋁合金。因此航空鋁合金的下遊加工尤為重要。

 

　　航空鋁合金加工材的下遊應用領域十分廣泛，與工業、交通運輸業、以及消費水平的提升具有密切的關係。航空用鋁合金主要是各種鍛件，軋制板材等鋁型材。航空鋁材下遊需求主要是交通運輸業，尤其是航空航天、國防領域等飛機飛彈等產品的製造。

 

　　近年來，隨著中國大飛機產業、軌道交通產業的發展，航空鋁合金下遊加工產業將迎來一個較快的發展階段，中國的航空鋁型材的消費將保持較高的增長速度。（韓碩）

 

　　轉自：中國有色金屬報
 

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