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金屬結構材料研發趨向何方?

時間:2016-09-29 瀏覽量: 字號:
 

  編者按:3月30、31日,由中國有色金屬學會和河南科技大學共同主辦的“第二屆全國有色金屬結構材料制備/加工及應用技術交流會”在古都洛陽召開。為期兩天的會議交流中,近400名與會的科研人員探討了有色金屬結構材料的研究現狀和技術趨勢,交流了結構材料的合金制備與材料加工以及材料的應用技術,并分享了近年來在產、學、研、用方面的科研攻關的成果與經驗。


  目前較為普遍的觀點認為,研制開發出具有高比強度、高比剛度、耐高溫、耐磨損、耐腐蝕等性能的結構材料,是新一代高性能結構材料發展的主要方向。基于上述背景,在這次技術交流活動中,32名專家學者根據各自研究專長,在鋁、鎂、銅、鈦等金屬材料以及復合材料領域作了30多場精彩、深入的專業報告。為交流材料領域近年來具有創新性的科技成果和應用成果,促進行業各項新技術、新工藝的研發、推廣和應用,現將部分報告內容進行整理并摘登,以饗讀者。


  金屬控制凝固與控制成形加工新工藝 謝建新 中國工程院院士、北京科技大學教授

  材料的制備加工是決定其使用性能的重要因素之一,也是材料科學與工程的重要組成部分。近年來,高新技術的發展對材料的使用性能要求越來越高,因此,實現“三高兩低”的技術途徑,縮短傳統生產工藝流程,簡化工藝環節,開發短流程新工藝就成為材料制備加工的重點研發方向。

此舉符合節能降耗、提高生產效率的要求,有助于開發全新的制備與成形加工技術,例如3D打印;發展先進的制備加工技術,如智能化制備加工技術,實現組織性能與構形的全過程精確控制,提高傳統材料的使用性能,開發高附加值產品。


  在鑄造、加工和熱處理全過程中,對金屬的“凝固-形變-相變-組織性能-工藝”的交互作用與遺傳演化,實施協同精確控制,發展加工新工藝新技術,實現金屬材料/構件的高性能化、傳統加工工藝的短流程化、脆性難加工材料的可加工化是重要發展趨勢。

  我國銅資源安全問題突出,資源匱乏,可采儲量約3000萬噸,僅占全球的4.5%;2015年我國銅消耗量超過1150萬噸,占全球40%以上,此外,2010年以來,我國銅資源進口依賴度高達75%以上,因此,開發銅鋁復合材料將有利于降本增效,促進行業健康發展。


  可推進以鋁節銅。一是替代純銅扁排,我國扁排年需求量約100萬噸,其中電力工業40萬噸,建筑領域40萬噸,冶金、化工、交通運輸、制造等領域20萬噸。90%以上可用銅包鋁復合扁排替代。此外,在高新技術領域,降成本、減重量的需求同樣格外強烈,銅包鋁復合扁排用于新能源(風電、光伏)等領域,有助于降低成本,提升戰略新興產業的競爭力;用于高鐵、大飛機等現代交通領域,有利于減重,降低能耗,以空客A380客機為例,每架使用銅包鋁復合扁排1噸,可減重1.2噸,效果顯著;二是替代純銅扁線等,我國的電纜、電磁扁線目前年用量約350萬噸,可替代量約為100萬噸。若采用銅包鋁替代純銅,有利于大幅減輕繞組、架線、運輸重量。而且大規格電纜、大型電力變壓器、特種變壓器繞組線都可用銅包鋁替代。


  銅鋁復合材料的發展離不開先進技術支撐。雙金屬軋制容易產生邊部高附加拉應力,導致軋制邊裂缺陷。以銅鋁復合材料連鑄直接復合新工藝為例,其針對銅和鋁性能差異大的特點,開發了特種孔型軋制、強制潤滑拉拔技術,突破了雙金屬協調變形的難題;開發了銅鋁復合材料軋制加工-拉拔工藝和全套裝備。


  推動我國材料先進制備與成形加工技術的發展,發展金屬材料控制凝固與控制成形的新原理與新方法,可以滿足高新技術發展與國防建設的需求;發展適合于工業應用的金屬材料控制凝固與控制成形技術原型,能夠滿足傳統結構材料向高性能化、復合化、結構功能一體化發展的需求,有助于發展制備加工共性關鍵技術,突破高性能金屬材料短流程制備加工及高質量工業應用關鍵技術突破。


  綠色之鎂——上海交大的實踐 丁文江 中國工程院院士、上海交通大學材料科學與工程學院教授

鎂是一種重要的金屬材料,我國的鎂資源豐富,而稀土是我國的優勢資源。既然有資源優勢,怎么把資源優勢化為技術優勢,然后再把技術優勢變成經濟優勢,這就是需要我們考慮的。


  我們現在做的工作主要是用稀土改造鎂,用稀土來實現鎂的高強、耐熱。鎂與稀土結合,可以實現全面的性能優化。其比重低、比強度高、吸振降噪、電磁屏蔽、容易回收。鎂稀土合金具有高強、高韌、耐蝕、耐熱的特性。


  其研究成果主要包括以下四個方面:一是材料研究有所進展。探明了鎂燃燒機制和鎂易腐蝕的原因,找到了高校析出強化相,解釋了長周期有序結構形成的必要條件;二是工藝技術有所突破。研發了鎂稀土中間合金低成本制造技術、鎂稀土合金熔體的純凈化技術、鎂合金砂型精密鑄造技術和超聲陽極氧化表面處理技術及裝備;三是關鍵重要部件應用有所拓展。創制了5種高性能鎂合金,開發了多種新工藝和裝備,研制了50余種鎂部件,目前正在進行研制的有:武裝直升機主機匣、地地導彈艙體、V6汽車發動機缸體、打飛機座椅骨架等;四是鎂功能材料研究取得新發展。在能原材料方面有所突破,例如納米核殼結構MgH2儲氫材料、鎂離子可充電儲能材料及其系統。可降解鎂基人體內植入材料及其器件,例如心臟支架、骨釘骨板、神經導線等,以及鎂基氫致變色材料及其系統。


  此外,在JDZM阻燃合金、JDM1高韌耐蝕合金、JDM2高強合金等材料的研究方面取得了一系列進展,并在共電解制備Mg-RE中間合金、鎂稀土合金深度凈化、超聲陽極氧化與裝備等方面實現了技術突破。

要秉持“創新驅動發展”的理念,并結合學科發展現狀分析了發展創新轉型的關鍵問題,把材料應用設計與中國制造2050相結合,關注制造業發展。應依托優勢資源,形成綠色產業;加強基礎研究,創制中國品牌;系統集成技術,提高附加價值;組建產學聯盟,促進持續發展。


  銅鋁層狀復合材料半熔態軋制技術及應用 謝敬佩 河南科技大學副校長

  我國是鋁工業大國,也是銅材消費大國,但是我國銅資源匱乏,超過75%的銅原料需要進口,供需矛盾日益加劇/近年來,國家大力支持銅鋁復合材料的發展。2016國家自然科學基金委將“有色金屬材料設計、制備、加工和應用中的關鍵問題”;“多維、多尺度、多層次結構符合材料的優化設計原理及制備方法”作為重點支持項目。


  銅鋁復合材料是信息技術、新能源等產業升級換代的基礎原材料,在信息技術領域,能有效降低鋁鍍銅帶來的污染,節材減重;在新能源領域,其節能環保,是散熱元件、電動汽車動力電池散熱板的最佳選擇;在建筑裝飾行業,銅幕墻、銅門等復合材料可替代純銅材料,節約材料,降低成本。此外,以鋁代銅、以鋁代鈦有利于優化國家資源結構,推動有色金屬資源結構和產業結構調整。


  目前,國內外復合材料研究熱點主要集中在制備工藝、復合理論和結合機制研究、雙金屬復合材料界面研究、銅鋁層裝復合材料半熔態鑄軋復合技術以及推廣應用存在的技術瓶頸等方面。


  復合材料的發展趨勢主要是以下兩點:一、異種金屬復合材料界面結構、界面適配、界面調控機制研究。基于擴散理論和能量學說,研究界面擴散與界面相變行為,建立擴散動力學模型及擴散層厚度與制備工藝變量之間的關聯性關系;探討異種金屬層狀復合過程中界面結構演變、界面化合物形成的熱力學及動力學條件,界面化合物生長控制準則;基于界面層厚度與復合材料性能的適配性研究,建立基于不同服役性能要求的定制化界面調控機制;突破異種金屬復合加工的界面適配、缺陷控制等關鍵技術。


  二、寬幅異種金屬層狀復合材料協同變性機制。基于數值模擬技術和異種金屬協同變形過程中多關聯對象熱傳導擴散機理,探索異種金屬變形過程中應力場、溫度場、流變場分布、協同再結晶機制及界面結構演變機理;開展軋制工藝和熱處理工藝參數與異種金屬復合材料加工協同變形、再結晶及織構回復,組織、性能穩定性的關聯性研究,提出協同變形與再結晶的臨界條件,構建寬幅異種金屬層狀復合材料深加工工藝準則。


  超輕鎂鋰合金在航空航天等領域的應用 肖陽 中鋁鄭州輕金屬研究院輕金屬材料研究所所長

鎂鋰合金是目前最輕的金屬結構材料,它由最輕的金屬鋰和最輕的結構金屬鎂組合而成,具有超輕、高比強度,高比模量以及優異的剛性。


  鎂鋰合金是最具減重潛力的金屬結構材料,超輕鎂鋰合金的使用,將有助于實現結構減重,提高機動性和靈活性。其具有良好的導電、導熱性能,這是其它非金屬輕質材料所無法比擬的;具有突出的減震性能。鎂鋰合金具有較大的內耗系數,而內耗系數的高低表明材料在發生震動時能將更多的能量消耗于金屬內部,從而達到減震效果,提高設備的可靠性,同時可以起到降噪作用;具有優異的電磁屏蔽性能。可使設備的安全性、準確性得到大幅提高,是其它材料無法替代的;具有優異的焊接性,焊接性能是材料的重要指標,焊接連接牢固、穩定、可靠,是永久性連接,可減輕結構重量,簡化加工與裝配工序等,可采用TlG焊、激光焊接、攪拌摩擦焊接等,技術均已成熟;良好的機械加工及冷成型能力。常規鎂合金都是熱加工成型,不能冷加工,但鎂鋰合金是可以冷加工的,并且冷加工性能非常優異,冷軋總加工率可達90%,能夠進行室溫沖壓成型,且成品率在90%以上。此外,鎂鋰合金可100%回收,回收的金屬資源可以重新投入社會進行產品配件的生產。


  對減重有迫切需要的領域如航空航天、武器裝備、3C產品及其他民用領域對于鎂鋰合金的需求與日俱增。


  在航天領域,結構減重可謂“克克計較”,航天飛機重量每減輕1kg,發射成本費用就可減少1.5萬美元;在武器裝備領域,戰斗機重量若減輕15%,則可縮短飛機滑跑距離接觸5%,增加航程20%,提高有效載荷30%;在其他民用領域,如汽車等,汽車車身每降低100kg,二氧化碳排放量可減少9g。

制備技術的不斷進步使超輕鎂鋰合金成為理想的結構減重材料。鎂鋰合金能為我國的火箭、導彈、衛星、空間站、軍機、雷達等進行大幅度減重,解決輕質材料制約我國武器發展瓶頸問題。

新型鋁鎂硅鋅合金助汽車車身減重 張永安,閆麗珍 北京有色金屬研究總院


  傳統汽車每減重100kg,百公里油耗可降低0.3~0.6k,CO2排放量可減少5g/km。在歐洲CO2排放量中,裝載傳統內燃機得乘用車占到12%,2007年單車評論排放量158.7g/km,2015年控制目標為單車130g/km。照此推算,單車平均油耗需要控制在5.6L/100km,2020年的控制目標為95g/km。

汽車輕量化符合節能減排要求,也將是未來汽車業發展的一大重點攻關項目。在汽車整體結構中,車身重量約占30%,車身的輕量化舉足輕重,而車身板材料的開發尤為關鍵。目前,車身板材減重主要使用輕質鋁合金。


  汽車鋁合金覆蓋件的發展經歷了2系鋁合金,5系鋁合金和6系鋁合金,2系具有良好的焊接性能和鍛造性,強度高。但是成形性較差,耐腐蝕性較差,烤漆時效響應速度慢,作為車身內外覆蓋件,其應用明顯受限;5系成形性高,但強度低,沖壓過程易產生“橘皮”和滑移線等表面缺陷,烤漆過程伴有軟化現象,適用于內覆蓋件,但外覆蓋件應用受限;6系鋁合金T4態具有良好的成形性,烤漆后強度較高,沖壓過程不易產生呂德斯帶,耐蝕性及焊接性優于2系鋁合金,并且與現有汽車車身生產體系相匹配,因此6系鋁合金被認為是汽車車身用最有前景的鋁合金,也是研制難度最大的車用鋁合金。


  6000系鋁合金板材及汽車覆蓋件的制造需經過熔鑄、扒皮、均勻化處理、熱軋、批退火、冷軋、固溶處理、鋸切、清洗等流程,因此,如何保證板材成形時具有優良的延展性和較低的強度,以及如何確保快速時效達到盡可能高的強度水平是其應用的兩大難點。


  一種添加Zn的新型Al-Mg-Si合金符合高成形性和快速時效響應協同要求,經試驗驗證,鋅的添加對合金固溶態和預時效態的屈服強度均無影響,提高了合金的烤漆硬化性。該新型合金表現出了良好的成形性能和烤漆硬化性。


  金屬基復合材料在軌道交通中應用前景廣闊 趙鴻金 江西理工大學材料科學與工程學院副院長

近年來,我國大力支持發展軌道交通,以高鐵為例,軌道交通材料中涉及有色金屬材料的主要部件是車體、車門、內裝,此外在剎車片、受電弓、接觸網等結構中有使用。


  目前車體常用材料有:不銹鋼、鋁合金、高強度耐候鋼、防水涂料、降噪材料,未來發展方向是大型空心薄壁鋁材、碳素纖維、復合材料;車門常用材料有:不銹鋼、鋁合金、玻璃鋼、防水材料,未來發展材料將是泡沫鋁;內裝以鋁合金、鎂合金等輕金屬,玻璃鋼、PC等高分子材料,橡膠材料,減振材料,膠貼劑,未來將以中空的瓦楞鋁板等復合材料,鋁蜂窩板等蜂窩材料為主。


  接觸網分為剛性和柔性兩種,剛性接觸網主要使用Cu-Mg、Cu-Cr-Zr材料,剛性接觸網與柔性接觸網相比具有所需隧道凈空小、維修方便、運行安全、事故率低、經濟合算等優勢,剛性接觸網的廣泛應用是今后城際軌道交通和高速鐵路的發展方向。(來源:中國有色金屬報)


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