有色金屬結(jié)構(gòu)材料研發(fā)趨向何方？
【鋁博士網(wǎng)】3月30、31日，由中國(guó)有色金屬學(xué)會(huì)和河南科技大學(xué)共同主辦的“第二屆全國(guó)有色金屬結(jié)構(gòu)材料制備/加工及應(yīng)用技術(shù)交流會(huì)”在古都洛陽(yáng)召開(kāi)。為期兩天的會(huì)議交流中，近400名與會(huì)的科研人員探討了有色金屬結(jié)構(gòu)材料的研究現(xiàn)狀和技術(shù)趨勢(shì)，交流了結(jié)構(gòu)材料的合金制備與材料加工以及材料的應(yīng)用技術(shù)，并分享了近年來(lái)在產(chǎn)、學(xué)、研、用方面的科研攻關(guān)的成果與經(jīng)驗(yàn)。
目前較為普遍的觀點(diǎn)認(rèn)為，研制開(kāi)發(fā)出具有高比強(qiáng)度、高比剛度、耐高溫、耐磨損、耐腐蝕等性能的結(jié)構(gòu)材料，是新一代高性能結(jié)構(gòu)材料發(fā)展的主要方向?；谏鲜霰尘?，在這次技術(shù)交流活動(dòng)中，32名專(zhuān)家學(xué)者根據(jù)各自研究專(zhuān)長(zhǎng)，在鋁、鎂、銅、鈦等金屬材料以及復(fù)合材料領(lǐng)域作了30多場(chǎng)精彩、深入的專(zhuān)業(yè)報(bào)告。為交流材料領(lǐng)域近年來(lái)具有創(chuàng)新性的科技成果和應(yīng)用成果，促進(jìn)行業(yè)各項(xiàng)新技術(shù)、新工藝的研發(fā)、推廣和應(yīng)用，現(xiàn)將部分報(bào)告內(nèi)容進(jìn)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(guó)工程院院士、北京科技大學(xué)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(xué)與工程的重要組成部分。近年來(lái)，高新技術(shù)的發(fā)展對(duì)材料的使用性能要求越來(lái)越高，因此，實(shí)現(xiàn)“三高兩低”的技術(shù)途徑，縮短傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝流程，簡(jiǎn)化工藝環(huán)節(jié)，開(kāi)發(fā)短流程新工藝就成為材料制備加工的重點(diǎn)研發(fā)方向。
此舉符合節(jié)能降耗、提高生產(chǎn)效率的要求，有助于開(kāi)發(fā)全新的制備與成形加工技術(shù)，例如3D打印；發(fā)展先進(jìn)的制備加工技術(shù)，如智能化制備加工技術(shù)，實(shí)現(xiàn)組織性能與構(gòu)形的全過(guò)程精確控制，提高傳統(tǒng)材料的使用性能，開(kāi)發(fā)高附加值產(chǎn)品。
在鑄造、加工和熱處理全過(guò)程中，對(duì)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(shí)施協(xié)同精確控制，發(fā)展加工新工藝新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)金屬材料/構(gòu)件的高性能化、傳統(tǒng)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(fā)展趨勢(shì)。
我國(guó)銅資源安全問(wèn)題突出，資源匱乏，可采儲(chǔ)量約3000萬(wàn)噸，僅占全球的4.5％；2015年我國(guó)銅消耗量超過(guò)1150萬(wàn)噸，占全球40％以上，此外，2010年以來(lái)，我國(guó)銅資源進(jìn)口依賴(lài)度高達(dá)75％以上，因此，開(kāi)發(fā)銅鋁復(fù)合材料將有利于降本增效，促進(jìn)行業(yè)健康發(fā)展。
可推進(jìn)以鋁節(jié)銅。一是替代純銅扁排，我國(guó)扁排年需求量約100萬(wàn)噸，其中電力工業(yè)40萬(wàn)噸，建筑領(lǐng)域40萬(wàn)噸，冶金、化工、交通運(yùn)輸、制造等領(lǐng)域20萬(wàn)噸。90％以上可用銅包鋁復(fù)合扁排替代。此外，在高新技術(shù)領(lǐng)域，降成本、減重量的需求同樣格外強(qiáng)烈，銅包鋁復(fù)合扁排用于新能源（風(fēng)電、光伏）等領(lǐng)域，有助于降低成本，提升戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力；用于高鐵、大飛機(jī)等現(xiàn)代交通領(lǐng)域，有利于減重，降低能耗，以空客A380客機(jī)為例，每架使用銅包鋁復(fù)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(guó)的電纜、電磁扁線目前年用量約350萬(wàn)噸，可替代量約為100萬(wàn)噸。若采用銅包鋁替代純銅，有利于大幅減輕繞組、架線、運(yùn)輸重量。而且大規(guī)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(fù)合材料的發(fā)展離不開(kāi)先進(jìn)技術(shù)支撐。雙金屬軋制容易產(chǎn)生邊部高附加拉應(yīng)力，導(dǎo)致軋制邊裂缺陷。以銅鋁復(fù)合材料連鑄直接復(fù)合新工藝為例，其針對(duì)銅和鋁性能差異大的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了特種孔型軋制、強(qiáng)制潤(rùn)滑拉拔技術(shù)，突破了雙金屬協(xié)調(diào)變形的難題；開(kāi)發(fā)了銅鋁復(fù)合材料軋制加工-拉拔工藝和全套裝備。
推動(dòng)我國(guó)材料先進(jìn)制備與成形加工技術(shù)的發(fā)展，發(fā)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(shù)發(fā)展與國(guó)防建設(shè)的需求；發(fā)展適合于工業(yè)應(yīng)用的金屬材料控制凝固與控制成形技術(shù)原型，能夠滿足傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料向高性能化、復(fù)合化、結(jié)構(gòu)功能一體化發(fā)展的需求，有助于發(fā)展制備加工共性關(guān)鍵技術(shù)，突破高性能金屬材料短流程制備加工及高質(zhì)量工業(yè)應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)突破。
綠色之鎂——上海交大的實(shí)踐丁文江中國(guó)工程院院士、上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授
鎂是一種重要的金屬材料，我國(guó)的鎂資源豐富，而稀土是我國(guó)的優(yōu)勢(shì)資源。既然有資源優(yōu)勢(shì)，怎么把資源優(yōu)勢(shì)化為技術(shù)優(yōu)勢(shì)，然后再把技術(shù)優(yōu)勢(shì)變成經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，這就是需要我們考慮的。
我們現(xiàn)在做的工作主要是用稀土改造鎂，用稀土來(lái)實(shí)現(xiàn)鎂的高強(qiáng)、耐熱。鎂與稀土結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)全面的性能優(yōu)化。其比重低、比強(qiáng)度高、吸振降噪、電磁屏蔽、容易回收。鎂稀土合金具有高強(qiáng)、高韌、耐蝕、耐熱的特性。
其研究成果主要包括以下四個(gè)方面：一是材料研究有所進(jìn)展。探明了鎂燃燒機(jī)制和鎂易腐蝕的原因，找到了高校析出強(qiáng)化相，解釋了長(zhǎng)周期有序結(jié)構(gòu)形成的必要條件；二是工藝技術(shù)有所突破。研發(fā)了鎂稀土中間合金低成本制造技術(shù)、鎂稀土合金熔體的純凈化技術(shù)、鎂合金砂型精密鑄造技術(shù)和超聲陽(yáng)極氧化表面處理技術(shù)及裝備；三是關(guān)鍵重要部件應(yīng)用有所拓展。創(chuàng)制了5種高性能鎂合金，開(kāi)發(fā)了多種新工藝和裝備，研制了50余種鎂部件，目前正在進(jìn)行研制的有：武裝直升機(jī)主機(jī)匣、地地導(dǎo)彈艙體、V6汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、打飛機(jī)座椅骨架等；四是鎂功能材料研究取得新發(fā)展。在能原材料方面有所突破，例如納米核殼結(jié)構(gòu)MgH2儲(chǔ)氫材料、鎂離子可充電儲(chǔ)能材料及其系統(tǒng)。可降解鎂基人體內(nèi)植入材料及其器件，例如心臟支架、骨釘骨板、神經(jīng)導(dǎo)線等，以及鎂基氫致變色材料及其系統(tǒng)。
此外，在JDZM阻燃合金、JDM1高韌耐蝕合金、JDM2高強(qiáng)合金等材料的研究方面取得了一系列進(jìn)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(yáng)極氧化與裝備等方面實(shí)現(xiàn)了技術(shù)突破。
要秉持“創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展”的理念，并結(jié)合學(xué)科發(fā)展現(xiàn)狀分析了發(fā)展創(chuàng)新轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵問(wèn)題，把材料應(yīng)用設(shè)計(jì)與中國(guó)制造2050相結(jié)合，關(guān)注制造業(yè)發(fā)展。應(yīng)依托優(yōu)勢(shì)資源，形成綠色產(chǎn)業(yè)；加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，創(chuàng)制中國(guó)品牌；系統(tǒng)集成技術(shù)，提高附加價(jià)值；組建產(chǎn)學(xué)聯(lián)盟，促進(jìn)持續(xù)發(fā)展。
銅鋁層狀復(fù)合材料半熔態(tài)軋制技術(shù)及應(yīng)用謝敬佩河南科技大學(xué)副校長(zhǎng)
我國(guó)是鋁工業(yè)大國(guó)，也是銅材消費(fèi)大國(guó)，但是我國(guó)銅資源匱乏，超過(guò)75%的銅原料需要進(jìn)口，供需矛盾日益加劇/近年來(lái)，國(guó)家大力支持銅鋁復(fù)合材料的發(fā)展。2016國(guó)家自然科學(xué)基金委將“有色金屬材料設(shè)計(jì)、制備、加工和應(yīng)用中的關(guān)鍵問(wèn)題”；“多維、多尺度、多層次結(jié)構(gòu)符合材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)原理及制備方法”作為重點(diǎn)支持項(xiàng)目。
銅鋁復(fù)合材料是信息技術(shù)、新能源等產(chǎn)業(yè)升級(jí)換代的基礎(chǔ)原材料，在信息技術(shù)領(lǐng)域，能有效降低鋁鍍銅帶來(lái)的污染，節(jié)材減重；在新能源領(lǐng)域，其節(jié)能環(huán)保，是散熱元件、電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池散熱板的最佳選擇；在建筑裝飾行業(yè)，銅幕墻、銅門(mén)等復(fù)合材料可替代純銅材料，節(jié)約材料，降低成本。此外，以鋁代銅、以鋁代鈦有利于優(yōu)化國(guó)家資源結(jié)構(gòu)，推動(dòng)有色金屬資源結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整。
目前，國(guó)內(nèi)外復(fù)合材料研究熱點(diǎn)主要集中在制備工藝、復(fù)合理論和結(jié)合機(jī)制研究、雙金屬?gòu)?fù)合材料界面研究、銅鋁層裝復(fù)合材料半熔態(tài)鑄軋復(fù)合技術(shù)以及推廣應(yīng)用存在的技術(shù)瓶頸等方面。
復(fù)合材料的發(fā)展趨勢(shì)主要是以下兩點(diǎn)：一、異種金屬?gòu)?fù)合材料界面結(jié)構(gòu)、界面適配、界面調(diào)控機(jī)制研究?；跀U(kuò)散理論和能量學(xué)說(shuō)，研究界面擴(kuò)散與界面相變行為，建立擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)模型及擴(kuò)散層厚度與制備工藝變量之間的關(guān)聯(lián)性關(guān)系；探討異種金屬層狀復(fù)合過(guò)程中界面結(jié)構(gòu)演變、界面化合物形成的熱力學(xué)及動(dòng)力學(xué)條件，界面化合物生長(zhǎng)控制準(zhǔn)則；基于界面層厚度與復(fù)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(diào)控機(jī)制；突破異種金屬?gòu)?fù)合加工的界面適配、缺陷控制等關(guān)鍵技術(shù)。
二、寬幅異種金屬層狀復(fù)合材料協(xié)同變性機(jī)制。基于數(shù)值模擬技術(shù)和異種金屬協(xié)同變形過(guò)程中多關(guān)聯(lián)對(duì)象熱傳導(dǎo)擴(kuò)散機(jī)理，探索異種金屬變形過(guò)程中應(yīng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)、流變場(chǎng)分布、協(xié)同再結(jié)晶機(jī)制及界面結(jié)構(gòu)演變機(jī)理；開(kāi)展軋制工藝和熱處理工藝參數(shù)與異種金屬?gòu)?fù)合材料加工協(xié)同變形、再結(jié)晶及織構(gòu)回復(fù)，組織、性能穩(wěn)定性的關(guān)聯(lián)性研究，提出協(xié)同變形與再結(jié)晶的臨界條件，構(gòu)建寬幅異種金屬層狀復(fù)合材料深加工工藝準(zhǔn)則。
超輕鎂鋰合金在航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用肖陽(yáng)中鋁鄭州輕金屬研究院輕金屬材料研究所所長(zhǎng)
鎂鋰合金是目前最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，它由最輕的金屬鋰和最輕的結(jié)構(gòu)金屬鎂組合而成，具有超輕、高比強(qiáng)度，高比模量以及優(yōu)異的剛性。
鎂鋰合金是最具減重潛力的金屬結(jié)構(gòu)材料，超輕鎂鋰合金的使用，將有助于實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重，提高機(jī)動(dòng)性和靈活性。其具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，這是其它非金屬輕質(zhì)材料所無(wú)法比擬的；具有突出的減震性能。鎂鋰合金具有較大的內(nèi)耗系數(shù)，而內(nèi)耗系數(shù)的高低表明材料在發(fā)生震動(dòng)時(shí)能將更多的能量消耗于金屬內(nèi)部，從而達(dá)到減震效果，提高設(shè)備的可靠性，同時(shí)可以起到降噪作用；具有優(yōu)異的電磁屏蔽性能。可使設(shè)備的安全性、準(zhǔn)確性得到大幅提高，是其它材料無(wú)法替代的；具有優(yōu)異的焊接性，焊接性能是材料的重要指標(biāo)，焊接連接牢固、穩(wěn)定、可靠，是永久性連接，可減輕結(jié)構(gòu)重量，簡(jiǎn)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(shù)均已成熟；良好的機(jī)械加工及冷成型能力。常規(guī)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(yōu)異，冷軋總加工率可達(dá)90％，能夠進(jìn)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(huì)進(jìn)行產(chǎn)品配件的生產(chǎn)。
對(duì)減重有迫切需要的領(lǐng)域如航空航天、武器裝備、3C產(chǎn)品及其他民用領(lǐng)域?qū)τ阪V鋰合金的需求與日俱增。
在航天領(lǐng)域，結(jié)構(gòu)減重可謂“克克計(jì)較”，航天飛機(jī)重量每減輕1kg，發(fā)射成本費(fèi)用就可減少1.5萬(wàn)美元；在武器裝備領(lǐng)域，戰(zhàn)斗機(jī)重量若減輕15%，則可縮短飛機(jī)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(lǐng)域，如汽車(chē)等，汽車(chē)車(chē)身每降低100kg，二氧化碳排放量可減少9g。
制備技術(shù)的不斷進(jìn)步使超輕鎂鋰合金成為理想的結(jié)構(gòu)減重材料。鎂鋰合金能為我國(guó)的火箭、導(dǎo)彈、衛(wèi)星、空間站、軍機(jī)、雷達(dá)等進(jìn)行大幅度減重，解決輕質(zhì)材料制約我國(guó)武器發(fā)展瓶頸問(wèn)題。
新型鋁鎂硅鋅合金助汽車(chē)車(chē)身減重張永安，閆麗珍北京有色金屬研究總院
傳統(tǒng)汽車(chē)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(tǒng)內(nèi)燃機(jī)得乘用車(chē)占到12%，2007年單車(chē)評(píng)論排放量158.7g/km，2015年控制目標(biāo)為單車(chē)130g/km。照此推算，單車(chē)平均油耗需要控制在5.6L/100km，2020年的控制目標(biāo)為95g/km。
汽車(chē)輕量化符合節(jié)能減排要求，也將是未來(lái)汽車(chē)業(yè)發(fā)展的一大重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目。在汽車(chē)整體結(jié)構(gòu)中，車(chē)身重量約占30%，車(chē)身的輕量化舉足輕重，而車(chē)身板材料的開(kāi)發(fā)尤為關(guān)鍵。目前，車(chē)身板材減重主要使用輕質(zhì)鋁合金。
汽車(chē)鋁合金覆蓋件的發(fā)展經(jīng)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(qiáng)度高。但是成形性較差，耐腐蝕性較差，烤漆時(shí)效響應(yīng)速度慢，作為車(chē)身內(nèi)外覆蓋件，其應(yīng)用明顯受限；5系成形性高，但強(qiáng)度低，沖壓過(guò)程易產(chǎn)生“橘皮”和滑移線等表面缺陷，烤漆過(guò)程伴有軟化現(xiàn)象，適用于內(nèi)覆蓋件，但外覆蓋件應(yīng)用受限；6系鋁合金T4態(tài)具有良好的成形性，烤漆后強(qiáng)度較高，沖壓過(guò)程不易產(chǎn)生呂德斯帶，耐蝕性及焊接性優(yōu)于2系鋁合金，并且與現(xiàn)有汽車(chē)車(chē)身生產(chǎn)體系相匹配，因此6系鋁合金被認(rèn)為是汽車(chē)車(chē)身用最有前景的鋁合金，也是研制難度最大的車(chē)用鋁合金。
6000系鋁合金板材及汽車(chē)覆蓋件的制造需經(jīng)過(guò)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(shí)具有優(yōu)良的延展性和較低的強(qiáng)度，以及如何確?？焖贂r(shí)效達(dá)到盡可能高的強(qiáng)度水平是其應(yīng)用的兩大難點(diǎn)。
一種添加Zn的新型Al-Mg-Si合金符合高成形性和快速時(shí)效響應(yīng)協(xié)同要求，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，鋅的添加對(duì)合金固溶態(tài)和預(yù)時(shí)效態(tài)的屈服強(qiáng)度均無(wú)影響，提高了合金的烤漆硬化性。該新型合金表現(xiàn)出了良好的成形性能和烤漆硬化性。
金屬基復(fù)合材料在軌道交通中應(yīng)用前景廣闊趙鴻金江西理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院副院長(zhǎng)
近年來(lái)，我國(guó)大力支持發(fā)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(chē)體、車(chē)門(mén)、內(nèi)裝，此外在剎車(chē)片、受電弓、接觸網(wǎng)等結(jié)構(gòu)中有使用。
目前車(chē)體常用材料有：不銹鋼、鋁合金、高強(qiáng)度耐候鋼、防水涂料、降噪材料，未來(lái)發(fā)展方向是大型空心薄壁鋁材、碳素纖維、復(fù)合材料；車(chē)門(mén)常用材料有：不銹鋼、鋁合金、玻璃鋼、防水材料，未來(lái)發(fā)展材料將是泡沫鋁；內(nèi)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(lái)將以中空的瓦楞鋁板等復(fù)合材料，鋁蜂窩板等蜂窩材料為主。
接觸網(wǎng)分為剛性和柔性兩種，剛性接觸網(wǎng)主要使用Cu-Mg、Cu-Cr-Zr材料，剛性接觸網(wǎng)與柔性接觸網(wǎng)相比具有所需隧道凈空小、維修方便、運(yùn)行安全、事故率低、經(jīng)濟(jì)合算等優(yōu)勢(shì)，剛性接觸網(wǎng)的廣泛應(yīng)用是今后城際軌道交通和高速鐵路的發(fā)展方向。
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