O aluminio é o elemento metálico máis abundante na codia terrestre. É o metal non ferroso coa segunda maior produción e uso no mundo despois do aceiro. Ten unha baixa densidade, aproximadamente 1/3 da do aceiro. Dado que o aluminio puro é brando e ten pouca resistencia, ao engadir unha pequena cantidade de elementos como magnesio, cobre, zinc, silicio e litio ao aluminio, o rendemento da aliaxe de aluminio é mellor. As aliaxes de aluminio son os materiais estruturais metálicos non ferrosos máis utilizados na industria debido ás súas excelentes propiedades mecánicas e resistencia á corrosión. Foron amplamente utilizados na construción, aeroespacial, automobilística, fabricación de maquinaria, construción naval e industria química.
As aliaxes de aluminio teñen excelentes propiedades mecánicas e químicas:
① Aspectos mecánicos, reflíctense principalmente na baixa densidade, alta resistencia, alto módulo, etc. O aluminio ten unha baixa densidade e é máis lixeiro que outros metais, só 1/4 do aceiro, polo que é axeitado para o seu uso en campos con altos requisitos de lixeireza;
② En canto ás propiedades químicas, dado que a aliaxe de aluminio pode formar unha densa película de óxido na súa superficie ao aire, pode protexerse da oxidación profunda. Polo tanto, ten unha excelente resistencia á corrosión e unha composición química moi estable.
③A aliaxe de aluminio ten boa plasticidade e pódese procesar en varios perfís. Ten unha excelente condutividade eléctrica e térmica. Polo tanto, úsase amplamente na industria e o seu uso só é superado polo aceiro.
Na actualidade, existen na industria máis de 250 aliaxes de aluminio con diferentes composicións. Para facilitar a distinción, segundo as diferentes composicións das aliaxes, China adopta o método de clasificación de graos de catro díxitos aceptado internacionalmente para facilitar a marcaxe no lugar de produción, a memoria e a xestión de cálculos. As aliaxes de aluminio utilizadas na industria militar inclúen principalmente aliaxes de aluminio-litio, series 2XXX (A1-Cu-Mg) e series 7XXX.
Demanda do mercado e tendencia de desenvolvemento de varios materiais de aliaxe de aluminio
Aleación de aluminio da serie 2XXX
As aliaxes de aluminio da serie 2XXX (A1-Cu-Mg) teñen alta resistencia á tracción, tenacidade e resistencia á fatiga, boa resistencia á calor, propiedades de procesamento e soldadura, e úsanse amplamente nas industrias aeroespacial, automotriz e de armas. As principais calidades son 2A01, 2A02, 2A06, 2A11, 2A12, etc. Desenvolveuse unha serie de aliaxes para mellorar a resistencia, a adaptación da tenacidade e a tolerancia aos danos, como as aliaxes 2024, 2124, 2524, 2324, etc.
Os modelos de equipamentos chineses están a desenvolverse na dirección da lixeireza, a longa vida útil, a alta fiabilidade e o baixo custo, e teñen altos requisitos para a tenacidade á fractura, a resistencia á propagación de gretas e a resistencia á corrosión do material da pel da fuselaxe. Baseándose na chapa grosa da aliaxe de aluminio 2024-T351, países estranxeiros desenvolveron aliaxes de aluminio 2324, 2624 e outras de alta tolerancia a danos para a superficie inferior da á con diferente resistencia, tenacidade, fatiga e resistencia á corrosión, e lograron a instalación e a aplicación. China está a desenvolver aliaxes de aluminio da serie 2XXX de alta tolerancia a danos. No futuro, a microaliaxe composta será unha importante dirección de desenvolvemento para as aliaxes de aluminio de alta resistencia da serie Al-Cu-Mg.
Aleación de aluminio da serie 4XXX
Na actualidade, as aliaxes eutécticas e hipoeutécticas de Al-Si úsanse principalmente para pistóns de automóbiles na China. Non obstante, coa mellora continua dos requisitos de rendemento do motor, é difícil cumprir os requisitos de rendemento. A aliaxe hipereutéctica de Al-Si ten baixa densidade, un pequeno coeficiente de expansión lineal, maior resistencia ao desgaste e estabilidade de volume, e é un material de pistón máis ideal en comparación coas aliaxes eutécticas de Al-Si. Os pistóns de aliaxe hipereutéctica de Al-Si producíronse en masa no estranxeiro e aplicáronse a camións e automóbiles, como a aliaxe A390 nos Estados Unidos, as aliaxes AC9A e AC8A (ZL109) no Xapón e a aliaxe A390 en Australia. Non obstante, actualmente hai poucos fabricantes na China que producen pistóns de aliaxe hipereutéctica de Al-Si, e a maioría deles dependen das importacións. Ademais, existe unha gran brecha entre os materiais de aliaxe de aluminio para turbocompresores de automóbiles e os países estranxeiros. Os materiais de aliaxe de aluminio para turbocompresores de automóbiles de alto rendemento dependen principalmente do Xapón e doutros países. Polo tanto, é imperativo desenvolver materiais clave de aliaxe de aluminio para automóbiles para pistóns e impulsores de turbocompresores de alto rendemento.
Ligas de aluminio da serie 5XXX
As aliaxes de Al-Mg, especialmente as aliaxes de Al-Mg con alto contido de Mg, teñen unha alta resistencia específica, boa soldabilidade e resistencia á corrosión, e converteranse en materiais altamente competitivos no futuro aeroespacial, trens de alta velocidade, océanos e outros campos. Na actualidade, as placas, perfís e arames de soldadura de aliaxes de Al-Mg para aeroespacial, trens, océanos e outras aplicacións dependen principalmente das importacións. O mercado de arames de soldadura de alta gama está basicamente monopolizado por ALCOA nos Estados Unidos. As aliaxes ER5183 e ER5356 dependen principalmente das importacións, e o volume de importación representa arredor do 70 % das súas vendas. As aliaxes de Al-Mg para barcos dependen principalmente de Rusia. Os lingotes convencionais de aliaxes con alto contido de Mg teñen dendritas ben desenvolvidas, unha segregación de fase eutéctica severa e un rendemento de conformado deficiente. Os métodos de procesamento actuais aínda teñen moitos problemas, como baixo rendemento, mala calidade aparente, procesos longos, calidade inestable e baixo rendemento. A solidificación e formación subrápidas poden inhibir a precipitación de Mg e, ao mesmo tempo, pódense regular para obter cristais equiaxiales finos e fases nanoprecipitadas, o que mellora considerablemente o rendemento e a uniformidade do material. Polo tanto, espérase que o desenvolvemento da tecnoloxía de extrusión e laminación reolóxica continua de solidificación subrápida para aliaxes de Al-Mg de alto rendemento satisfaga a demanda de aliaxes de Al-Mg de alta calidade.
Ligas de aluminio da serie 6XXX
Os materiais de aliaxe de aluminio da serie 6XXX son materiais clave nos campos do transporte ferroviario, os automóbiles, a electrónica, etc. Desde a década de 1980, países e rexións desenvolvidos como Europa, Estados Unidos e Xapón desenvolveron aliaxes de aluminio para automóbiles, con calidades rexistradas como 6009, 6016, 6010, 6111, 6022 e 6082, e formaron un sistema de produción e aplicación relativamente completo para paneis de carrozaría de automóbiles, extrusións, forxas, etc. A investigación e o desenvolvemento da industrialización de paneis e forxas de carrozaría de aliaxe de aluminio da serie 6XXX en China acaba de comezar e existe unha clara brecha. O Ministerio de Industria e Tecnoloxía da Información da China propuxo que as láminas de aliaxe de aluminio para automóbiles que se desenvolverán sexan: 6016-S, 6016-IH, 6016-IBR, 6A16-S, 6A16-IBR, 6022, etc. A lámina típica de aliaxe de aluminio da serie 6XXX ten un alongamento A50 non inferior ao 25 %, un valor r non inferior a 0,60, un límite elástico de estacionamento a 60 d Rp0,2 non inferior a 140 N/mm2 e un incremento do límite elástico de endurecemento da pintura non inferior a 80 N/mm2. En resposta ás diferentes necesidades, o desenvolvemento da tecnoloxía de deseño, preparación e procesamento das aliaxes de aluminio da serie 6XXX converteuse nunha tendencia inevitable de desenvolvemento.
Ligas de aluminio da serie 7XXX
As aliaxes de aluminio da serie 7XXX teñen unha boa resistencia á corrosión baixo tensión e son as series máis fortes entre as aliaxes de aluminio. Son recoñecidas internacionalmente como materiais principais da aviación. Recentemente, países estranxeiros desenvolveron a aliaxe 7055 (Al8Zn-2.05Mg-2.3Cu-0.16Zr), cuxa tensión de cedencia supera os 620 MPa no estado T77511. Úsase en avións Boeing 777 e reduce o peso en 635 kg. Na actualidade, China carece de tecnoloxía sistemática de deseño, preparación e procesamento de aliaxes para as aliaxes de aluminio da serie 7XXX para a aviación, e algúns produtos dependen completamente das importacións. Debido aos lingotes a grande escala das aliaxes de aluminio da serie 7XXX con moitos elementos de aliaxe, o amplo rango de solidificación, a gran tensión de fundición e a fácil oxidación/segregación dos elementos de aliaxe, a calidade metalúrxica dos lingotes é deficiente e o rendemento de conformado a temperatura ambiente é baixo, polo que é de grande importancia desenvolver novas aliaxes de aluminio da serie 7XXX.
Liga de aluminio-litio (Al-Li)
A aliaxe de aluminio-litio é o material lixeiro de máis rápido crecemento nos materiais de aviación nos últimos anos. Ten as características de baixa densidade, alto módulo elástico, alta rixidez específica, bo rendemento á fatiga e resistencia á corrosión. Despois de substituír as aliaxes de aluminio convencionais, a masa pódese reducir entre un 10 % e un 20 % e a rixidez pódese aumentar entre un 15 % e un 20 %. A principios do século XXI, a empresa estadounidense ALCOA lanzou o "Plan ALCOA Aviation 20/20", co obxectivo de reducir o custo e o peso das aliaxes de aluminio para a aviación nun 20 % cada unha en 20 anos. Constellium desenvolveu as aliaxes de aluminio-litio 2050 e 2198 (Al-Cu-Li-Mg-Ag) con baixa densidade, alta tenacidade e alta tolerancia a danos. Hai moi poucos tipos de aliaxe de Al-Li desenvolvidos de forma independente en China, e só se utilizou a aliaxe 1420. A aliaxe de aluminio-litio utilizada no avión de pasaxeiros C919 é subministrada por Alcoa. A nivel nacional, só se poden producir tipos de aliaxe limitados como 1420, 2195, 2197 e 2A97, e os lingotes son unicamente lingotes planos por debaixo de ((310~400)×1280×4000) mm e lingotes redondos por debaixo de φ650 mm. Os lingotes planos (2B16) cun grosor superior a 60 mm e unha anchura superior a 1500 mm, e os lingotes (2B16) cun diámetro superior a 1500 mm no campo das aplicacións de aviación de alta gama aínda non se produciron industrialmente. Polo tanto, é de grande importancia desenvolver un novo deseño de aliaxe de aluminio-litio, unha preparación de lingotes ultragrandes e unha tecnoloxía de procesamento profundo.
Liga de aluminio resistente á calor
As aliaxes de aluminio resistentes á calor son materiais básicos esenciais nos campos da industria aeroespacial, automobilística, do transporte ferroviario, etc., mediante a regulación de elementos como Si, Fe, Ni, Ag e terras raras para facer que as aliaxes de aluminio sexan resistentes á oxidación e á fluencia a altas temperaturas. As aliaxes de aluminio resistentes á calor tradicionais inclúen: 2519, 2618, 2219, 2D70, etc. Co rápido desenvolvemento das industrias aeroespacial e automobilística, impóñense requisitos máis altos ás aliaxes de aluminio resistentes á calor. A nova xeración de avións de combate ten unha alta velocidade de cruceiro e a temperatura de funcionamento da pel da fuselaxe é superior a 150 °C. Na actualidade, a temperatura de uso a longo prazo das aliaxes de aluminio resistentes á calor como 2618 e 2D70 é inferior a 150 °C. É imprescindible desenvolver novas aliaxes de aluminio resistentes á calor.
Liga de Al-Sc con contido ultrabaixo de escandio (Sc)
A aliaxe Al-Sc ten excelentes propiedades como alta resistencia, boa plasticidade e resistencia á corrosión, e converteuse nunha nova xeración de materiais lixeiros para a industria aeroespacial, os buques, etc. despois da aliaxe Al-Li. A resistencia á tracción da aliaxe Al-Mg que contén trazas de escandio é un 30 % maior que a da aliaxe 5083, e o límite elástico duplicouse con creces. A súa soldabilidade é comparable á das aliaxes convencionais da serie 5XXX, as propiedades mecánicas da zona afectada pola calor e da soldadura son aproximadamente iguais ás da matriz, e a súa resistencia á corrosión é comparable á da aliaxe 5083. A substitución das aliaxes da serie 5XXX ou 6XXX na fabricación de compoñentes aeroespaciais pode lograr efectos significativos de redución de peso, e tamén é un material superior para automóbiles e vehículos ferroviarios. Rusia está á vangarda mundial no desenvolvemento de aliaxes de aluminio que conteñen escandio e formou aliaxes Al-Mg-Sc, Al-Mg-Li-Sc, Al-Zn-MgSc, Al-Zn-Mg-Cu-Sc e Al-Cu-Mg-Sc cun contido de escandio do 0,18 % ao 0,5 %. Co fin de promover a aplicación de aliaxes de aluminio-escandio na industria aeroespacial e automobilística, o Ministerio de Industria e Tecnoloxía da Información de China incluíu as aliaxes de aluminio que conteñen escandio como un dos novos materiais para o desenvolvemento prioritario. China é rica en recursos de escandio e construíu unha liña de produción de extracción de óxido de escandio de alta pureza, sentando as bases para o desenvolvemento de aliaxes de aluminio-escandio.
Liga de aluminio de estampado en quente de grao 500 MPa para automóbiles
Aínda hai un oco nos materiais de aliaxe de aluminio de alta resistencia para estampación en quente en China. A combinación de novos materiais e o desenvolvemento de novos procesos de conformado é un medio eficaz para resolver o problema da conformación de pezas de automóbiles de aliaxe de aluminio de alta resistencia. Centrarse nas aliaxes da serie 7XXX, explorar activamente as aliaxes 2XXX e desenvolver materiais de aliaxe de aluminio de grao 500 MPa para estampación en quente ten importantes perspectivas para a fabricación de pezas de automóbiles de formas complexas.
Materiais compostos a base de aluminio
Placa composta multicapa de aluminio-aceiro: A conexión eficaz entre as cubertas de aluminio e aceiro converteuse nunha das limitacións para o alixeiramento das superestruturas de grandes buques. A xunta de transición composta de aluminio-aceiro utilizada para soldar entre cascos de aluminio e aceiro proporciona unha solución para substituír o proceso tradicional de remachado. Honda desenvolveu unha tecnoloxía de unión de aceiro e aluminio que se utilizará a nivel mundial en bastidores de automóbiles producidos en masa. Na actualidade, as xuntas compostas de aluminio-aceiro utilizadas na China impórtanse principalmente do estranxeiro, cun prezo de ata 4×10⁵ CNY/t. Cos futuros buques a grande escala, requírense temperaturas de soldadura máis altas, unha maior tensión de apoio e interfaces de unión máis fortes para as xuntas de transición, e necesítanse urxentemente xuntas de aluminio-aceiro de alto rendemento.
Data de publicación: 08-03-2025
