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金属结构材料研发趋向何方?

时间:2016-09-29 浏览量: 字号:
 

  编者按:3月30、31日,由中国有色金属学会和河南科技大学共同主办的“第二届全国有色金属结构材料制备/加工及应用技术交流会”在古都洛阳召开。为期两天的会议交流中,近400名与会的科研人员探讨了有色金属结构材料的研究现状和技术趋势,交流了结构材料的合金制备与材料加工以及材料的应用技术,并分享了近年来在产、学、研、用方面的科研攻关的成果与经验。


  目前较为普遍的观点认为,研制开发出具有高比强度、高比刚度、耐高温、耐磨损、耐腐蚀等性能的结构材料,是新一代高性能结构材料发展的主要方向。基于上述背景,在这次技术交流活动中,32名专家学者根据各自研究专长,在铝、镁、铜、钛等金属材料以及复合材料领域作了30多场精彩、深入的专业报告。为交流材料领域近年来具有创新性的科技成果和应用成果,促进行业各项新技术、新工艺的研发、推广和应用,现将部分报告内容进行整理并摘登,以飨读者。


  金属控制凝固与控制成形加工新工艺 谢建新 中国工程院院士、北京科技大学教授

  材料的制备加工是决定其使用性能的重要因素之一,也是材料科学与工程的重要组成部分。近年来,高新技术的发展对材料的使用性能要求越来越高,因此,实现“三高两低”的技术途径,缩短传统生产工艺流程,简化工艺环节,开发短流程新工艺就成为材料制备加工的重点研发方向。

此举符合节能降耗、提高生产效率的要求,有助于开发全新的制备与成形加工技术,例如3D打印;发展先进的制备加工技术,如智能化制备加工技术,实现组织性能与构形的全过程精确控制,提高传统材料的使用性能,开发高附加值产品。


  在铸造、加工和热处理全过程中,对金属的“凝固-形变-相变-组织性能-工艺”的交互作用与遗传演化,实施协同精确控制,发展加工新工艺新技术,实现金属材料/构件的高性能化、传统加工工艺的短流程化、脆性难加工材料的可加工化是重要发展趋势。

  我国铜资源安全问题突出,资源匮乏,可采储量约3000万吨,仅占全球的4.5%;2015年我国铜消耗量超过1150万吨,占全球40%以上,此外,2010年以来,我国铜资源进口依赖度高达75%以上,因此,开发铜铝复合材料将有利于降本增效,促进行业健康发展。


  可推进以铝节铜。一是替代纯铜扁排,我国扁排年需求量约100万吨,其中电力工业40万吨,建筑领域40万吨,冶金、化工、交通运输、制造等领域20万吨。90%以上可用铜包铝复合扁排替代。此外,在高新技术领域,降成本、减重量的需求同样格外强烈,铜包铝复合扁排用于新能源(风电、光伏)等领域,有助于降低成本,提升战略新兴产业的竞争力;用于高铁、大飞机等现代交通领域,有利于减重,降低能耗,以空客A380客机为例,每架使用铜包铝复合扁排1吨,可减重1.2吨,效果显著;二是替代纯铜扁线等,我国的电缆、电磁扁线目前年用量约350万吨,可替代量约为100万吨。若采用铜包铝替代纯铜,有利于大幅减轻绕组、架线、运输重量。而且大规格电缆、大型电力变压器、特种变压器绕组线都可用铜包铝替代。


  铜铝复合材料的发展离不开先进技术支撑。双金属轧制容易产生边部高附加拉应力,导致轧制边裂缺陷。以铜铝复合材料连铸直接复合新工艺为例,其针对铜和铝性能差异大的特点,开发了特种孔型轧制、强制润滑拉拔技术,突破了双金属协调变形的难题;开发了铜铝复合材料轧制加工-拉拔工艺和全套装备。


  推动我国材料先进制备与成形加工技术的发展,发展金属材料控制凝固与控制成形的新原理与新方法,可以满足高新技术发展与国防建设的需求;发展适合于工业应用的金属材料控制凝固与控制成形技术原型,能够满足传统结构材料向高性能化、复合化、结构功能一体化发展的需求,有助于发展制备加工共性关键技术,突破高性能金属材料短流程制备加工及高质量工业应用关键技术突破。


  绿色之镁——上海交大的实践 丁文江 中国工程院院士、上海交通大学材料科学与工程学院教授

镁是一种重要的金属材料,我国的镁资源丰富,而稀土是我国的优势资源。既然有资源优势,怎么把资源优势化为技术优势,然后再把技术优势变成经济优势,这就是需要我们考虑的。


  我们现在做的工作主要是用稀土改造镁,用稀土来实现镁的高强、耐热。镁与稀土结合,可以实现全面的性能优化。其比重低、比强度高、吸振降噪、电磁屏蔽、容易回收。镁稀土合金具有高强、高韧、耐蚀、耐热的特性。


  其研究成果主要包括以下四个方面:一是材料研究有所进展。探明了镁燃烧机制和镁易腐蚀的原因,找到了高校析出强化相,解释了长周期有序结构形成的必要条件;二是工艺技术有所突破。研发了镁稀土中间合金低成本制造技术、镁稀土合金熔体的纯净化技术、镁合金砂型精密铸造技术和超声阳极氧化表面处理技术及装备;三是关键重要部件应用有所拓展。创制了5种高性能镁合金,开发了多种新工艺和装备,研制了50余种镁部件,目前正在进行研制的有:武装直升机主机匣、地地导弹舱体、V6汽车发动机缸体、打飞机座椅骨架等;四是镁功能材料研究取得新发展。在能原材料方面有所突破,例如纳米核壳结构MgH2储氢材料、镁离子可充电储能材料及其系统。可降解镁基人体内植入材料及其器件,例如心脏支架、骨钉骨板、神经导线等,以及镁基氢致变色材料及其系统。


  此外,在JDZM阻燃合金、JDM1高韧耐蚀合金、JDM2高强合金等材料的研究方面取得了一系列进展,并在共电解制备Mg-RE中间合金、镁稀土合金深度净化、超声阳极氧化与装备等方面实现了技术突破。

要秉持“创新驱动发展”的理念,并结合学科发展现状分析了发展创新转型的关键问题,把材料应用设计与中国制造2050相结合,关注制造业发展。应依托优势资源,形成绿色产业;加强基础研究,创制中国品牌;系统集成技术,提高附加价值;组建产学联盟,促进持续发展。


  铜铝层状复合材料半熔态轧制技术及应用 谢敬佩 河南科技大学副校长

  我国是铝工业大国,也是铜材消费大国,但是我国铜资源匮乏,超过75%的铜原料需要进口,供需矛盾日益加剧/近年来,国家大力支持铜铝复合材料的发展。2016国家自然科学基金委将“有色金属材料设计、制备、加工和应用中的关键问题”;“多维、多尺度、多层次结构符合材料的优化设计原理及制备方法”作为重点支持项目。


  铜铝复合材料是信息技术、新能源等产业升级换代的基础原材料,在信息技术领域,能有效降低铝镀铜带来的污染,节材减重;在新能源领域,其节能环保,是散热元件、电动汽车动力电池散热板的最佳选择;在建筑装饰行业,铜幕墙、铜门等复合材料可替代纯铜材料,节约材料,降低成本。此外,以铝代铜、以铝代钛有利于优化国家资源结构,推动有色金属资源结构和产业结构调整。


  目前,国内外复合材料研究热点主要集中在制备工艺、复合理论和结合机制研究、双金属复合材料界面研究、铜铝层装复合材料半熔态铸轧复合技术以及推广应用存在的技术瓶颈等方面。


  复合材料的发展趋势主要是以下两点:一、异种金属复合材料界面结构、界面适配、界面调控机制研究。基于扩散理论和能量学说,研究界面扩散与界面相变行为,建立扩散动力学模型及扩散层厚度与制备工艺变量之间的关联性关系;探讨异种金属层状复合过程中界面结构演变、界面化合物形成的热力学及动力学条件,界面化合物生长控制准则;基于界面层厚度与复合材料性能的适配性研究,建立基于不同服役性能要求的定制化界面调控机制;突破异种金属复合加工的界面适配、缺陷控制等关键技术。


  二、宽幅异种金属层状复合材料协同变性机制。基于数值模拟技术和异种金属协同变形过程中多关联对象热传导扩散机理,探索异种金属变形过程中应力场、温度场、流变场分布、协同再结晶机制及界面结构演变机理;开展轧制工艺和热处理工艺参数与异种金属复合材料加工协同变形、再结晶及织构回复,组织、性能稳定性的关联性研究,提出协同变形与再结晶的临界条件,构建宽幅异种金属层状复合材料深加工工艺准则。


  超轻镁锂合金在航空航天等领域的应用 肖阳 中铝郑州轻金属研究院轻金属材料研究所所长

镁锂合金是目前最轻的金属结构材料,它由最轻的金属锂和最轻的结构金属镁组合而成,具有超轻、高比强度,高比模量以及优异的刚性。


  镁锂合金是最具减重潜力的金属结构材料,超轻镁锂合金的使用,将有助于实现结构减重,提高机动性和灵活性。其具有良好的导电、导热性能,这是其它非金属轻质材料所无法比拟的;具有突出的减震性能。镁锂合金具有较大的内耗系数,而内耗系数的高低表明材料在发生震动时能将更多的能量消耗于金属内部,从而达到减震效果,提高设备的可靠性,同时可以起到降噪作用;具有优异的电磁屏蔽性能。可使设备的安全性、准确性得到大幅提高,是其它材料无法替代的;具有优异的焊接性,焊接性能是材料的重要指标,焊接连接牢固、稳定、可靠,是永久性连接,可减轻结构重量,简化加工与装配工序等,可采用TlG焊、激光焊接、搅拌摩擦焊接等,技术均已成熟;良好的机械加工及冷成型能力。常规镁合金都是热加工成型,不能冷加工,但镁锂合金是可以冷加工的,并且冷加工性能非常优异,冷轧总加工率可达90%,能够进行室温冲压成型,且成品率在90%以上。此外,镁锂合金可100%回收,回收的金属资源可以重新投入社会进行产品配件的生产。


  对减重有迫切需要的领域如航空航天、武器装备、3C产品及其他民用领域对于镁锂合金的需求与日俱增。


  在航天领域,结构减重可谓“克克计较”,航天飞机重量每减轻1kg,发射成本费用就可减少1.5万美元;在武器装备领域,战斗机重量若减轻15%,则可缩短飞机滑跑距离接触5%,增加航程20%,提高有效载荷30%;在其他民用领域,如汽车等,汽车车身每降低100kg,二氧化碳排放量可减少9g。

制备技术的不断进步使超轻镁锂合金成为理想的结构减重材料。镁锂合金能为我国的火箭、导弹、卫星、空间站、军机、雷达等进行大幅度减重,解决轻质材料制约我国武器发展瓶颈问题。

新型铝镁硅锌合金助汽车车身减重 张永安,闫丽珍 北京有色金属研究总院


  传统汽车每减重100kg,百公里油耗可降低0.3~0.6k,CO2排放量可减少5g/km。在欧洲CO2排放量中,装载传统内燃机得乘用车占到12%,2007年单车评论排放量158.7g/km,2015年控制目标为单车130g/km。照此推算,单车平均油耗需要控制在5.6L/100km,2020年的控制目标为95g/km。

汽车轻量化符合节能减排要求,也将是未来汽车业发展的一大重点攻关项目。在汽车整体结构中,车身重量约占30%,车身的轻量化举足轻重,而车身板材料的开发尤为关键。目前,车身板材减重主要使用轻质铝合金。


  汽车铝合金覆盖件的发展经历了2系铝合金,5系铝合金和6系铝合金,2系具有良好的焊接性能和锻造性,强度高。但是成形性较差,耐腐蚀性较差,烤漆时效响应速度慢,作为车身内外覆盖件,其应用明显受限;5系成形性高,但强度低,冲压过程易产生“橘皮”和滑移线等表面缺陷,烤漆过程伴有软化现象,适用于内覆盖件,但外覆盖件应用受限;6系铝合金T4态具有良好的成形性,烤漆后强度较高,冲压过程不易产生吕德斯带,耐蚀性及焊接性优于2系铝合金,并且与现有汽车车身生产体系相匹配,因此6系铝合金被认为是汽车车身用最有前景的铝合金,也是研制难度最大的车用铝合金。


  6000系铝合金板材及汽车覆盖件的制造需经过熔铸、扒皮、均匀化处理、热轧、批退火、冷轧、固溶处理、锯切、清洗等流程,因此,如何保证板材成形时具有优良的延展性和较低的强度,以及如何确保快速时效达到尽可能高的强度水平是其应用的两大难点。


  一种添加Zn的新型Al-Mg-Si合金符合高成形性和快速时效响应协同要求,经试验验证,锌的添加对合金固溶态和预时效态的屈服强度均无影响,提高了合金的烤漆硬化性。该新型合金表现出了良好的成形性能和烤漆硬化性。


  金属基复合材料在轨道交通中应用前景广阔 赵鸿金 江西理工大学材料科学与工程学院副院长

近年来,我国大力支持发展轨道交通,以高铁为例,轨道交通材料中涉及有色金属材料的主要部件是车体、车门、内装,此外在刹车片、受电弓、接触网等结构中有使用。


  目前车体常用材料有:不锈钢、铝合金、高强度耐候钢、防水涂料、降噪材料,未来发展方向是大型空心薄壁铝材、碳素纤维、复合材料;车门常用材料有:不锈钢、铝合金、玻璃钢、防水材料,未来发展材料将是泡沫铝;内装以铝合金、镁合金等轻金属,玻璃钢、PC等高分子材料,橡胶材料,减振材料,胶贴剂,未来将以中空的瓦楞铝板等复合材料,铝蜂窝板等蜂窝材料为主。


  接触网分为刚性和柔性两种,刚性接触网主要使用Cu-Mg、Cu-Cr-Zr材料,刚性接触网与柔性接触网相比具有所需隧道净空小、维修方便、运行安全、事故率低、经济合算等优势,刚性接触网的广泛应用是今后城际轨道交通和高速铁路的发展方向。(来源:中国有色金属报)


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