中國自主研發新型鋁合金新進展

袁嫄 王祝堂｜文

近10年來中國進入了自主研發新型合金的時代，取得了可圈可點的成就，本文對其中的主要業績作了簡要的介紹。

西安交通大學的抗蠕變鋁-銅-鈧系合金

目前，西安交通大學金屬材料強度重點實驗室的高一涵博士、楊沖博士與青年教師張金鈺在劉剛和孫軍教授的指導下，與美國約翰普金斯大學馬恩教授、重慶大學曹玲飛教授合作，在新型抗高溫蠕變Al-Cu 系合金研發方面取得了突破性的重大進展。

在Al-Cu 合金中可形成有時效強化作用的Al2Cu 相，加入少量的（＜0.4%）鈧后形成新的Al3Sc 相，這種相不但有更強的時效強化作用，而且有異常強烈的晶粒細化作用。本來它們的時效工藝是不相同的，但研究者通過不同尋常的處理工藝，使兩個強化相粒子和諧共存，取長補短，使普通的Al-Cu 合金具有超常的抗高溫蠕變性能：在300℃以＞30N/mm2外加應力的苛刻蠕變條件下，可安全工作350h以上；如果外加應力＜20N/mm2，則安全蠕變時間可長于2000h。其蠕變壽命比傳統2×××系、6×××系、7×××系、4×××系合金、Al-Sc 合金、Al2O3或SiC 粒子增強的鋁合金復合材料都長2 ～3 個數量級。

新型Al-Cu-Sc 合金采用納米第二相顆粒界面原子偏聚的顯微組織設計思想，通過在原子層次解析不同溶質原子之間的交互作用，借助相關的熱力學/動力學分析，通過常規的Al-Cu合金并借助Sc 的微合金化作用，在不同尋常的熱處理工藝下，使Sc 原子高濃度地偏聚于Al2Cu 強化相質點的界面，將它們包圍起來，顯著地抑制了它們在高溫下的粗化長大，延長了蠕變壽命。

高一涵團隊研制生產的含鈧Al-Cu 系材料及其工藝對提高傳統航空鋁合金的高溫性能有著重要的現實意義，可創造出一批在250℃以上長期工作的Al-Cu-Mg-Sc 合金，為航空航天工業的新發展作出更大的貢獻，為中國大飛機的制造提供高性能的鋁材。盡管合金成分未公布，但筆者認為，Cu含量會＜5%，Sc 含量會＜0.4%。

有研科技集團公司的高強高韌-低淬火敏感性鋁合金

北京有色金屬研究總院以熊柏青為首的研究團隊發明的Al-Zn-Mg-Cu系高強高韌-低淬火敏感性鋁合金至2018年6月12日已獲得美國專利授權，至此專利授權國家達12 個：中國、美國、法國、英國、加拿大、德國、挪威、澳大利亞、意大利、西班牙、奧地利、日本。筆者覺得，如果必要，還可以申請巴西專利，因為巴西也是主要的航空器制造國。

這個新型鋁合金的面世，創造了中國鋁合金發展史上諸多首個：是中國首個有完全自主知識產權的結構鋁合金；是中國首個Al-Zn-Mg-Cu 系高韌-低淬火敏感性航空航天鋁合金；是首個大范圍獲得國際發明專利授權的航空航天器結構鋁合金；是首個超大厚度鍛件在軍民飛機上大規模應用的合金，在2016年～2018年中鋁西南鋁業（集團）有限責任公司向航空器制造企業提供此種合金產品近1000 噸，受到用戶的普遍贊譽。

第二代防火抑爆鋁合金

圖 防火抑爆鋁箔結構

第一代防火抑爆產品是用3003-H18 合金箔制造的，國內外的研究與使用證明，它的力學性能可以滿足要求，但是使用期限僅一年，遠遠不能滿足需求。因此應尋求一種抗腐蝕性更高的鋁合金。從常識和理論分析可知，防火抑爆鋁箔必須有比3003-H18 合金更高的力學性能與更強的抗各種油品腐蝕性能。3×××系合金對各種油品的抗蝕性能 不 足，1×××系、4×××系、8×××系合金在油品與液化氣中的使用期限較短，況且它們的力學性能也不足以抗衡汽車顛簸與航空器振動；2×××系及7×××系合金雖有高的強度性能，但抗蝕性很低，不能在實際中應用。因此第二代防火抑爆鋁箔只能在5×××系及6×××系合金中尋找，清華大學材料系李建國副教授經過多年的研究，終于在6×××系合金中找到了一種符合要求的合金，既有強的防火抑爆特性，又對各種油品與液化天然氣有高的抗腐蝕性能，實驗室與道路試驗證明，它的使用期限遠比3003-H18 合金箔長得多，同時防抑爆性能也優于第一代鋁箔。

稀土及含鋯導電鋁合金

為了提高鋁導體的強度及耐熱性能,各國都先后開發出了一批有特色的稀土與含鋯的電工鋁合金，中國在這方面是世界的領跑者。這些合金的電導率雖比1050A 的低一些，但其抗拉強度、蠕變強度及耐熱性能卻比1050A 合金的高得多。

向鋁中添加稀土元素（RE）幾乎對其電導率無影響，卻可顯著改善其加工性能。云南鋁業股份有限公司生產的含（0.3%～0.5%）混合稀土的高導電純鋁導線的電阻率為2.7654Ω·m，低于現行國家標準的規定值；電導率比國際電工委員會標準規定值高1.4 個百分點。上海電纜研究所與武漢電線有限公司研制的含（0.05% ～0.1%）RE 的Al-Mg-Si 系合金導線的電導率達到54%IACS，也比國際電工委員會標準的規定值高1.4 個百分點。

鋯的添加可提高鋁的再結晶溫度、蠕變強度和耐熱性能。含鋯量低時，如含0.04%Zr 的60TAl 合金就是這樣。對XTAl 合金必須進行長時間（100h）的高溫時效處理，使細小的Al3Zr 粒子呈彌散狀態分布，以獲得高的導電性與耐熱性。

提高導線的耐熱性能可以顯著提高載流量與輸電系統安全性，含鋯的導線鋁合金是日本研發的，現在日本主干高壓輸電架空線的55%以上用的是60TAl合金線。該合金的電導率60.0%IACS，最低抗拉強度158.76N/mm2，伸長率A ≥2%，長期工作溫度150℃，短期工作溫度180℃，線材直徑4.8mm。

上海電纜研究所與武漢電線有限公司生產的含0.01% ～0.4%Zr與＜0.5%RE 的鋁合金導線（ 直徑4.67mm）的連續使用溫度可達150℃，為硬的鋁絞線的1.7 倍，電導率（58%～60%）IACS，載流量為硬鋁絞線的1.5 倍以上，適用于500kV超高壓輸電線路及變電所母線，也可以用于城區電網改造與農用架空導線等，其耐熱性能與日本TAl 型鋁合金線相當。它在未時效狀態的抗拉強 度Rm 為187.18N/mm2，伸 長 率A4.1%，彎曲次數9，20℃時電阻率0.02934Ω·mm2/m；時效處理后的抗拉強度Rm 為183.65N/mm2，伸長率A 3.58%，彎曲次數12，20℃時電阻率0.02922Ω·mm2/m。

軟質鋁合金線如通訊電纜、線圈、汽車電線等多為軟銅線，也用一部分軟質鋁線與鋁合金線。北美洲在這些方面以鋁代銅工作做得很好，鋁化率最高，已達70%以上，中國與它們之間還有較大差距。

長峰高電導率合金

長峰集團通過產學研合作，經過連續4年的研制，終于開發出擁有自主知識產權的完全可替代國際同類產品的復合高電導率鋁合金電力電纜，已于2012年實現大規模產業化生產。長峰集團采用新配方、新技術、新工藝研制的復合高電導率鋁合金電力電纜經國家電線電纜質量監督檢驗中心檢驗，其各項主要指標達到同類產品的國際先進水平。特別在同類工程上可節約成本30%以上，可滿足國內高速發展的電力、鐵路、通訊等產業需求。