铝合金的应用领域及发展方向

铝合金的主要应用领域及其发展方向一，铝合金简介以铝为基的合金总称。主要合金元素有铜、硅、镁、锌、锰，次要合金元素有镍、铁、钛、铬、锂等。铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。铝合金密度低，但强度比较高，接近或超过优质钢，塑性好，可加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性和抗蚀性，工业上广泛使用，使用量仅次于钢。二，铝合金的分类铝合金按照其性质和应用的不同可划分为普通铝合金，超高强度铝合金，耐热铝合金，铝基复合材料。其应用的领域各有侧重，涵盖了铝合金的所有应用领域。三，铝合金的应用1，典型用途1050食品、化学和酿造工业用挤压盘管，各种软管，烟花粉1060要求抗蚀性与成形性均高的场合，但对强度要求不高，化工设备是其典型用途1100用于加工需要有良好的成形性和高的抗蚀性但不要求有高强度的零件部件，例如化工产品、食品工业装置与贮存容器、薄板加工件、深拉或旋压凹形器皿、焊接零部件、热交换器、印刷板、铭牌、反光器具1145包装及绝热铝箔，热交换器1199电解电容器箔，光学反光沉积膜1350电线、导电绞线、汇流排、变压器带材2011螺钉及要求有良好切削性能的机械加工产品2014应用于要求高强度与硬度（包括高温）的场合。飞机重型、锻件、厚板和挤压材料，车轮与结构元件，多级火箭第一级燃料槽与航天器零件，卡车构架与悬挂系统零件2017是第一个获得工业应用的2XXX系合金，目前的应用范围较窄，主要为铆钉、通用机械零件、结构与运输工具结构件，螺旋桨与配件2024飞机结构、铆钉、导弹构件、卡车轮毂、螺旋桨元件及其他种种结构件2036汽车车身钣金件2048航空航天器结构件与兵器结构零件2124航空航天器结构件2218飞机发动机和柴油发动机活塞，飞机发动机汽缸头，喷气发动机叶轮和压缩机环2219航天火箭焊接氧化剂槽，超音速飞机蒙皮与结构零件，工作温度为-270~300℃。焊接性好，断裂韧性高，T8状态有很高的抗应力腐蚀开裂能力2319焊拉2219合金的焊条和填充焊料2618模锻件与自由锻件。活塞和航空发动机零件2A01工作温度小于等于100℃的结构铆钉2A02工作温度200~300℃的涡轮喷气发动机的轴向压气机叶片2A06工作温度150~250℃的飞机结构及工作温度125~250℃的航空器结构铆钉2A10强度比2A01合金的高，用于制造工作温度小于等于100℃的航空器结构铆钉2A11飞机的中等强度的结构件、螺旋桨叶片、交通运输工具与建筑结构件。航空器的中等强度的螺栓与铆钉2A12航空器蒙皮、隔框、翼肋、翼梁、铆钉等，建筑与交通运输工具结构件2A14形状复杂的自由锻件与模锻件2A16工作温度250~300℃的航天航空器零件，在室温及高温下工作的焊接容器与气密座舱2A17工作温度225~250℃的航空器零件2A50形状复杂的中等强度零件2A60航空器发动机压气机轮、导风轮、风扇、叶轮等2A70飞机蒙皮，航空器发动机活塞、导风轮、轮盘等2A80航空发动机压气机叶片、叶轮、活塞、涨圈及其他工作温度高的零件2A90航空发动机活塞3003用于加工需要有良好的成形性能、高的抗蚀性可焊性好的零件部件，或既要求有这些性能又需要有比1XXX系合金强度高的工作，如厨具、食物和化工产品处理与贮存装置，运输液体产品的槽、罐，以薄板加工的各种压力容器与管道3004全铝易拉罐罐身，要求有比3003合金更高强度的零部件，化工产品生产与贮存装置，薄板加工件，建筑加工件，建筑工具，各种灯具零部件3105房间隔断、档板、活动房板、檐槽和落水管，薄板成形加工件，瓶盖、瓶塞等3A21飞机油箱、油路导管、铆钉线材等；建筑材料与食品等工业装备等5005与3003合金相似，具有中等强度与良好的抗蚀性。用作导体、炊具、仪表板、壳与建筑装饰件。阳极氧化膜比3003合金上的氧化膜更加明亮，并与6063合金的色调协调一致5050薄板可作为致冷机与冰箱的内衬板，汽车气管、油管与农业灌溉管；也可加工厚板、管材、棒材、异形材和线材等5052此合金有良好的成形加工性能、抗蚀性、可烛性、疲劳强度与中等的静态强度，用于制造飞机油箱、油管，以及交通车辆、船舶的钣金件，仪表、街灯支架与铆钉、五金制品等5056镁合金与电缆护套铆钉、拉链、钉子等；包铝的线材广泛用于加工农业捕虫器罩，以及需要有高抗蚀性的其他场合5083用于需要有高的抗蚀性、良好的可焊性和中等强度的场合，诸如舰艇、汽车和飞机板焊接件；需严格防火的压力容器、致冷装置、电视塔、钻探设备、交通运输设备、导弹元件、装甲等5086用于需要有高的抗蚀性、良好的可焊性和中等强度的场合，例如舰艇、汽车、飞机、低温设备、电视塔、钻井装置、运输设备、导弹零部件与甲板等5154焊接结构、贮槽、压力容器、船舶结构与海上设施、运输槽罐厚板、7055T77板材的应用研究。开发快速凝固/粉末冶金(RS/PM)制备工艺，发展RS/PM铝合金。20世纪80年代，美国Alcoa公司采用传统RS/PM制备方法，研制出PM/7090等。1992年，日本住友轻金属公司采用真空平流制粉、后续真空压实烧结工艺，在实验室制备出σ达700MPa以上的超高强铝合金。但是，由于传统RS/PM工艺难以制备大尺寸材料，生产成本高，且合金中锌含量很高，导致粉末烧结困难，因此，采用传统RS/PM工艺生产的超高强铝合金并未得到实际应用。20世纪90年代初期，随着以喷射成形技术为代表的新一代RS/PM工艺走向规模化、实用化，使RS/PM工艺生产实用超高强铝合金材料变为现实。利用喷射成形技术制备的材料，除保持了晶粒细小、组织均匀、能够抑制偏析等优点外，由于从合金熔炼到坯件近终成形可一次完成，减少了材料在制备过程中被氧化的可能，缩短了制备流程，降低了成本，且易于制备大尺寸块状材料。到90年代末，美国、英国、日本等工业发达国家利用喷射成形技术开发出了含锌量在8%以上(最高达14%)，抗拉强度σ为760～810MPa，延伸率δ为8%～13%的新一代超高强铝合金，用于制造交通运输领域的结构件及其他高应力结构件。国内超高强铝合金的研究开发起步较晚，20世纪80年代初，东北轻合金加工厂和北京航空材料研究所开始研制Al-Zn-Mg-Cu系高强高韧铝合金。目前，在普通7XXX系铝合金的生产和应用方面已进入实用化阶段，产品主要包括7075和7050等合金。20世纪90年代中期，北京航空材料研究所采用常规PM/7091、CW67等合金，其强度与IM/7075T6的相当。近来，我国又开发出强度更高的7A60合金。“九五”期间，北京有色金属研究总院和东北轻合金加工厂开展了仿高锌含量的喷射成形超高强铝合金的研制开发工作，他们分别采用喷射沉积和半连续铸造工艺，制成了各种尺寸的（模）锻件、挤压材，合金的屈服强度已分别达到750～780MPa和630～650MPa，延伸率则分别达到8%～10%和4%～7%，接近国外20世纪低频电磁半连续铸造高合金化超高强铝合金的研究。目前已开发出低频电磁半连续铸造技术，该技术不仅可以得到国外高频、中频或工频电磁铸造时所获得的晶粒细化、表面质量改进和抑制开裂的效果，更重要的是可以使溶质元素的固溶度大大提高，为高合金化超高强铝合金的制备创造了基本条件。2.高强度铝合金的导线应用在国际上，铝镁硅型的高强度铝合金导线已被使用七十余年的历史，由于它具有的优点和对其生产工艺的不断改进，使它更具有实际使用价值。在欧洲，以法国为代表，在输电线路上大量采用，占线路总长的绝大部分，日本采用铝合金的输电线路在50%以上；美国和加拿大也有很大的比例；即使东南亚发展中的国家，像印度、印度尼西亚、菲律宾等也都采用铝合金用于导线输电线路。如果把铝合金绞线与钢芯铝绞线作比较的话，在相同的单位重量下，铝合金导体有直流电阻小、载流量大、拉力大、拉力单重比大等优点；在具有相同载流量条件下比较，铝合金导线有重量轻、拉力大、拉力单重比更大等优点。兼之铝合金导线为单一材料的导线，易安装施工。它所具有的优点表现在线路建设中可加大档距，减少杆塔数目，或降低杆高度，总之它能降低工程造价，因此受到电力部门的欢迎。铝合金的另一个发展方向是高强度耐热铝合金，高强度导电铝合金。当前世界电力工业发展，一方面是发达国家多数已把国内甚至跨国电网进行互联，当然需通过大熔炼远距离输电来完成。这些线路采用新型材料，减少电能损耗，延长线路使用寿命。另一方面，发展中国家，像东亚、东南亚和南美地区的国家，大规模的电网建设方兴未艾，大规模的大容量远距离送电代表着目前的现状。大容量远距离输电，架空导线仍以采用大截面的钢芯铝绞线为主，但为了减少电能损耗，改善导线的弧垂特性，降低线路造价，铝合金导线开始走上舞台。在欧洲，以法国为例，其输电线路的导线绝大多数采用高强度铝合金导线，它不仅改善线路质量，延长导线使用寿命，同时还降低了线路造价。在美国铝合金导线也被作为重要品种来使用。在日本，不但为了要输送大容量的电能，而且由于土地限制，将在原有线路上架设新型导线输送更多的容量，因此耐热铝合金导线被广泛应用，在输电线路中已超过50%采用高强度铝合金和耐热铝合金。即使像印度这样发展中的国家，其超高压输电线路也采用高强度铝合金导线。在大容量远距离的输电线路上，其导线用量一般都很多，而且是高电压的主干线路，因此采用性能优良的原材料制作导线是其发展的一个重要方面，因此除大力推广采用目前已能正常批量生产的高强度铝合金导线、铝包钢芯铝绞线以外，还将着重开发高导电铝，其导电率将由目前的61%IACS提高到63%IACS，着重开发超高强度钢线，其强度在200N/mm2以上，这样既能减少电能损耗，又增大拉力单重比，改善线路的弧垂特性。远距离的输电势必要经过很多复杂的地形与气候条件，江湖海岛，高山峡谷，污秽地带，腐蚀性气氛，因而又发展了像大跨越、特大跨越导线、耐腐蚀性防振动导线，防冰雪导线；为输送更大容量的倍容量导线，减少电晕损失的底电晕导线等，这些特种导线都是结合实际情况而制作的，但它为线路建设起到很大的作用。我国高强度铝合金导线的年产量不超过1万吨，国内实际用量比生产少得多，往往是为国外线路工程而生产，因此，在国内的实际线路中采用铝合金导线的尚不足1%，在先进国家大量采用高强度铝合金导线时，我国的应用状况实在微不足道了。尽管我国已能研制生产多重特种导线，并少量获得使用，可是在主干线的重要工程中却多数采用国外产品，这使得特种导线的应用常常受阻。架空导线是高压输变电设别的重要组成部分。作为架空线导体，除了电工铝以外，最重要的是高强度铝合金。作为架空线用铝合金，首先是提高强度，即现在常用的牌号有Aldrey、6201、LHA1等，以后又提出要提高耐热性能，因此开发出高强度耐热铝合金、高导电耐热铝合金；又为了获得耐热高温和耐热高导电性能良好的铝合金，开发出高强度耐热铝合金、高导电耐热铝合金。1958年我国开始研究铝合金作为架空导线的导体，然而工艺未过关而难以推广，1965年起开始研制的Al-Mg-Si高强度铝合金线，其性能达到IEC标准中规定的各项参数，即单线的抗拉强度σb≥294N/mm2，延伸率δ≥4%，电阻率ρ20≤0.0328Ω•mm2，制成架空线的性能也均符合要求，1965年曾在上海的奉贤海边架设运行线路，在20年后调查时仍在安全运行。如今，我国二滩电站的电力送出工程便采用高强度铝合金导线。架空导线铝合金导体，除高强度铝合金外，主要的发展方向是耐热、高强度耐热，它的出现与应用，标志着上了一个新的台阶。耐热铝合金导线是输变电网中大容量线路用的新型导线，耐热铝合金有二个品种，其导电率分别为58%IACS和60%IACS(均高于高强度铝合金的52.5%IACS)，它具有良好的高温特性，能长期在150℃下使用(电工铝导体的长期使用温度为70℃)，因此在相同截面下，耐热铝合金导线的载流量较铝导线提高1倍，在大容量线路输电时可以减少导线的相分裂根数，提高安全可靠性。耐热铝合金导线的强度低于高强度铝合金导线，只与电工铝导体相同，高强度耐热铝合金比耐热铝合金的强度高35-63%，能用作大跨越导线，克服大跨越导线容量偏低的缺点。对于作为输电线路用导线，除了满足一定载流量，它需要足够的铝截面，保证导线的直流电阻达到规定值以外，最主要的是抗拉力和单位长度质量，以及他们的比值。从表1可以看出使用铝合金绞线对线路有好处，可以减少弧垂量，降低杆塔高度，或可以增加杆塔间距。此外，它有较强的过载能力，因此在经过覆冰地段(如覆冰厚度为20cm～30cm时)，其线路的综合造价可以适当降低；在通过山地，由于地形高低不平，起伏较大，杆塔塔位较难安排，如采用(钢芯)铝合金绞线，线路建设就更经济了。3，耐热性铝合金的简介及其应用领域和发展简介：能在较高温度下使用而不软化的铝合金。提高铝合金热强性的主要途径是固溶强化、过剩相强化和晶界强化等。为此，常加入钼、镍、铜、锂、铁或稀土元素，以形成热稳定性较好的过剩相Al2CuMg，Al6Cu3Ni，Al2FeSi，Al9FeNi，Al2CuLi，Al6Mn，Al3Ti，Al3Fe，Al4Ce4，Al2Cu4Mg5Si4等。根据加工工艺不同可分为耐热变形铝合金（包括耐热锻铝合金、耐热硬铝合金）和耐热铸造铝合金。主要用作在150～300℃工作的零件，如涡轮压缩机叶片盘、焊接容器、活塞等。主要用途可以用于架空输配电线路上面，连续使用温度可以达到90度，载流量能力高，防腐性能好。开发快凝耐热铝合金的最终目的是取代飞机零件中的钛合金。近些年来的研究成果表明，这方面的工作已取得了很大进展，快凝耐热铝合金的某些性能已相当或超过了部分钛合金的。例如：Al-Fe-Zr-V的比强度与Ti-6Al-4V相当，而Al-Fe-Ce在150℃和230℃时屈服强度分别为449MPa和391MPa，已超过Ti-6Al-4V合金的，再加上这些新型合金密度低，价格便宜，一般不含有贵重的战略元素，已经有可能在230～350℃的温度范围内与常规的钛合金竞争，甚至取代钛合金。目前，快凝耐热铝合金已成功地用于制造气体涡轮发动机的压缩翼片和叶片，以及涡轮和散热片等部件，还可以用于制造火箭和宇宙飞船上的某些构件。当快凝耐热铝合金用于制造飞机构件时，造价一般只是钛合金的30%～50%，而飞机重量却可以减轻15%左右。如果进一步提高其耐热性能，应用范围还将扩大。发展方向：快凝耐热铝合金目前存在的问题主要有以下几方面。性能方面：1、快凝耐热铝合金的疲劳强度、蠕变强度还不够高，这与粉末冶金过程中原始颗粒界面和氧化物有关；2、快凝耐热铝合金的断裂韧性也不甚理想，尤其是存在明显的中温脆性，引起脆性的原因还待进一步研究。成本方面：采用粉末冶金工艺的快凝耐热铝合金，虽然性能比熔铸合金优越，但制造成本偏高却成了该合金面临的挑战。快凝耐热铝合金今后的研究方向将主要集中在以下几方面：1、发展低成本的新型快凝工艺。由于喷射沉积快凝工艺相对RS/PM工艺而言，生产工序简化，避免了原始粉末颗粒界面氧化问题，可使合金的韧性得到提高，生产成本降低。因此，应进一步完善喷射沉积快凝工艺，使其应用于实际生产。2、进一步研究合金的耐热机理，包括过固溶的基体在受热过程中的作用。3、研究引起合金中温脆性的原因及解决措施，进一步提高合金的韧性。四，铝基复合材料简介及应用领域和发展方向简介：复合材料是应现代科学发展需求而涌现出的具有强大生命力的材料，它由两种或两种以上性质不同的材料通过各种工艺手段复合而成。复合材料可分为三类：聚合物基复合材料（PMCs）、金属基复合材料（MMCs）、陶瓷基复合材料（CMCs）。金属基复合材料基体主要是铝、镍、镁、钛等。铝在制作复合材料上有许多特点,如质量轻、密度小、可塑性好,铝基复合技术容易掌握,易于加工等。此外,铝基复合材料比强度和比刚度高,高温性能好,更耐疲劳和更耐磨,阻尼性能好,热膨胀系数低。同其他复合材料一样,它能组合特定的力学和物理性能,以满足产品的需要。因此,铝基复合材料已成为金属基复合材料中最常用的、最重要的材料之一。按照增强体的不同,铝基复合材料可分为纤维增强铝基复合材料和颗粒增强铝基复合材料。纤维增强铝基复合材料具有比强度、比模量高,尺寸稳定性好等一系列优异性能,但价格昂贵,目前主要用于航天领域,作为航天飞机、人造卫星、空间站等的结构材料。颗粒增强铝基复合材料可用来制造卫星及航天用结构材料、飞机零部件、金属镜光学系统、汽车零部件;此外还可以用来制造微波电路插件、惯性导航系统的精密零件、涡轮增压推进器、电子封装器件等铝基复合材料的性能铝基复合材料的性能取决于基体合金和增强物的特性、含量、分布等。与基体合金相比,铝基复合材料具有许多优良的性能。1低密度2良好的尺寸稳定性3强度、模量与塑性增强体的加入在提高铝基复合材料强度和模量的同时,降低了塑性。4耐磨性高的耐磨性是铝基复合材料(SiC、Al2O3增强)的特点之一。5疲劳与断裂韧性铝基复合材料的疲劳强度一般比基体金属高,而断裂韧性却下降。影响铝基复合材料疲劳性能和断裂的主要因素有:增强物与基体的界面结合状态、基体与增强物本身的特性和增强物在基体中的分布等。6热性能增强体和基体之间的热膨胀失配在任何复合材料中都难以避免,为了有效降低复合材料的热膨胀系数,使其与半导体材料或陶瓷基片保持热匹配,常选用低膨胀的合金作为基体和采用不同粒径的颗粒制备高体积分数的复合材料。应用领域：1在汽车领域的应用铝基复合材料在汽车工业的应用研究起步最早。上个世纪年代,日本丰田公司成功地用复合材料制备了发动机活塞。美国的研制出用颗粒增强铝基复合材料制造汽车制动盘,使其重量减轻了,而且提高了耐磨性能,噪音明显减小,摩擦散热快;同时该公司还用颗粒增强铝基复合材料制造了汽车发动机活塞和齿轮箱等汽车零部件。用复合材料制成的汽车齿轮箱在强度和耐磨性方面均比铝合金齿轮箱有明显的提高。铝合金复合材料也可以用来制造刹车转子、刹车活塞、刹车垫板、卡钳等刹车系统元件。铝基复合材料还可用来制造汽车驱动轴、摇臂等汽车零件。2在航空航天领域的应用现代科学技术的发展,对材料性能提出了越来越高的要求,特别是航空航天领域要制造轻便灵活、性能优良的飞机、卫星等，铝基复合材料恰能满足这方面的要求。采用熔模铸造工艺研制成复合材料,用该材料代替钛合金制造直径达、重的飞机摄相镜方向架,使其成本和重量明显降低,导热性提高。同时该复合材还可用来制造卫星反动轮和方向架的支撑架。纤维增强复合材料在飞机发动机涡轮上的应用3在电子和光学仪器中的应用铝基复合材料,特别是增