航空航天鋁材是一種超高強度變形鋁合金，目前廣泛應用于航空工業(yè)。飛機用的鋁合金和普通鋁合金相比，對強度、硬度、韌性、抗疲勞性、塑性有較高的要求。航空鋁合金具有較好的力學和加工性能，固溶處理后塑性好，熱處理強化效果好，一般在150℃以下，且具有高的強度、韌性好，是理想的航空結(jié)構(gòu)材料。
資料圖：航空鋁合金（圖片來源：互聯(lián)網(wǎng)） 航空航天用鋁合金的主要特點是大型化和整體化、薄壁化和輕量化、斷面尺寸和形位公差精密化、組織性能的均勻化與優(yōu)質(zhì)化。根據(jù)飛機不同的使用條件和部位，航空航天用鋁合金主要為高強鋁合金、耐熱鋁合金、耐蝕鋁合金。高強鋁合金主要用于飛機機身部件、發(fā)動機艙、座椅、操縱系統(tǒng)等，使用最為廣泛。
航空鋁合金最大的特點是可以通過變形熱處理提高強度，另一個特點是難于焊接，鑒于鋁合金的焊接難點，因此，航空鋁合金通過熱變形制造整體結(jié)構(gòu)件將會是未來的一大發(fā)展趨勢。
航空鋁合金的應用
航空鋁合金主要是可以熱處理的變形鋁合金，如2000和7000系列鋁合金。
2000系列鋁合金代表2024、2A16（LY16）、2A02（LY6）。7000系列鋁合金代表7075主要含有鋅元素，也屬于航空系列，是鋁鎂鋅銅合金，是可熱處理的合金，屬于超硬鋁合金，有良好的耐磨性，也有良好的焊接性，但耐腐蝕性較差。2024航空鋁合金應用于要求高強度與硬度（包括高溫）的場合，如飛機重型、鍛件、厚板和擠壓材料，車輪與結(jié)構(gòu)元件，多級火箭第一級燃料槽與航天器零件，卡車構(gòu)架與懸掛系統(tǒng)零件。
據(jù)悉，進入空中的航天運載器，每減輕1公斤，其發(fā)射費用將節(jié)省約2萬美元，因此結(jié)構(gòu)減重在航天領域可謂“克克計較”。戰(zhàn)斗機重量若減輕15％，則可縮短飛機滑跑距離15％，增加航程20％，提高有效載荷30％。因此，世界各國十分重視研制和開發(fā)航空航天用輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。
航空鋁合金憑借密度小、強度適中、易加工成形、耐腐蝕性強，資源豐富、可回收性強等獨特的優(yōu)勢，受到各方的關注，并廣泛應用于航空航天領域。
當前，飛機上的蒙皮、梁、肋、桁條、隔框和起落架都可以用鋁合金制造，航天飛機的乘員艙、前機身、中機身、后機身、垂尾、襟翼、升降副翼和水平尾翼都可以用鋁合金。而飛機依用途的不同，鋁的用量也不一樣。著重于經(jīng)濟效益的民用機因鋁合金價格便宜而大量采用，如波音767客機采用的鋁合金約占機體結(jié)構(gòu)重量81%。
目前，應用在航空民機的鋁合金材料主要有鋁合金鑄件、鋁合金鍛件、大斷面鋁合金擠壓型材、鋁合金厚板和鋁鋰合金等。
在我國，大飛機的制造需求，正在強勁拉動鋁合金材料尤其是航空鋁合金材料需求。C919大型客機已經(jīng)獲得國內(nèi)外20多家航空公司500多架的訂單，ARJ21-700也有200多架訂單。根據(jù)計劃，到2018年，ARJ21支線客機、C919大飛機所用30%以上的鋁合金材料將采用國產(chǎn)鋁材。而中國大飛機對鋁合金材料的需求增加了中國航空鋁合金研發(fā)和規(guī)?；a(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。
如何實現(xiàn)鋁合金的整體構(gòu)件
鋁合金的整體構(gòu)件是指由整塊毛坯加工制成的大型構(gòu)件所組成的新型結(jié)構(gòu)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的拼接結(jié)構(gòu)。而模鍛件和預拉伸板材是鋁合金整體結(jié)構(gòu)件毛坯材料的兩種主要形式。隨著金屬板坯制造水平的提高，平面類整體結(jié)構(gòu)件、板、框、肋、梁的鋁合金零件已普遍采用預拉伸板。預拉伸板通過在專用板材拉伸機上預先給毛坯材料少量的塑性變形，改變板材內(nèi)部原有應力分布狀態(tài)，減少與均勻化內(nèi)部固有的應力狀態(tài)。然而在整個加工過程中，除了工件材料特性和結(jié)構(gòu)特性的影響，溫度的變化、毛坯初始殘余應力和切削過程都能對整體件的加工造成影響。
因此，在制造航空鋁合金整體構(gòu)件時，利用開發(fā)的整體結(jié)構(gòu)件變形預測系統(tǒng)，針對特定毛坯工件和加工工藝，完成工件的銑削加工變形預測；結(jié)合工件的結(jié)構(gòu)特征，分析工件變形的主要形式和原因；在加工工程中采用仿真系統(tǒng)，將仿真系統(tǒng)計算的結(jié)果數(shù)據(jù)直接調(diào)入優(yōu)化模塊，通過建立相關數(shù)學模型，對現(xiàn)有工藝規(guī)程參數(shù)進行自動優(yōu)化，實現(xiàn)數(shù)控加工的實時調(diào)控，完成整體構(gòu)件的加工。
航空用鋁合金產(chǎn)業(yè)面臨的困境
就國內(nèi)而言，大部分企業(yè)集中在中下游，涉及上游產(chǎn)業(yè)鋁土礦及氧化鋁生產(chǎn)的僅有中國鋁業(yè)公司、南山鋁業(yè)等大型企業(yè)，原鋁生產(chǎn)和鋁材加工上市公司較多。
在原鋁生產(chǎn)過程中需要的鋁土礦，全球共有283億噸，主要集中分布在幾內(nèi)亞、澳大利亞、巴西，合計儲量占全球的57%，產(chǎn)量分布主要集中在澳大利亞、中國和巴西，合計產(chǎn)量占全球的61%。
中國鋁礦總量為7.35億噸左右，集中分布在山西、貴州、河南和廣西4?。▍^(qū)），約占全國總儲量的90.9%，其余擁有鋁土礦的15個省、自治區(qū)、直轄市的儲量合計僅占全國總儲量的9.1%。
我國鋁土礦除了分布集中外，以大、中型礦床居多。儲量大于2000萬噸的大型礦床共有31個，其擁有的儲量占全國總儲量的49%；儲量在2000噸~500萬噸之間的中型礦床共有83個，其擁有的儲量占全國總儲量的37%，大、中型礦床合計占到了86%。
面對中國鋁土礦自給程度逐漸下降，未來中國的鋁土礦依賴進口是一大趨勢，中國企業(yè)急需加大內(nèi)部找礦、探礦力度，以及加快海外礦山收購步伐，以保障未來的原材料供給。而中國氧化鋁供給缺口不大，市場已經(jīng)趨于飽和，在鋁土礦供給充足的前提下，完全能夠保障原鋁的生產(chǎn)需求。
2008年以來，受金融危機影響，中國原鋁的產(chǎn)能利用率下降，因而產(chǎn)量增長緩慢。受到2009年國家投資需求的拉動，2010年閑置產(chǎn)能紛紛復產(chǎn)，產(chǎn)量也大幅增長24.4%。近幾年，在節(jié)能減排的大背景下，國家對電解鋁行業(yè)實施限電限產(chǎn)政策，原鋁產(chǎn)量增速有所放緩。原鋁消耗量受經(jīng)濟環(huán)境及國家政策的影響，增速呈現(xiàn)出與產(chǎn)量同樣的變化趨勢，增速趨緩。
航空鋁合金的下游產(chǎn)業(yè)鏈主要是鋁合金的加工及使用。航空鋁合金主要是可熱處理強化的變形鋁合金。因此航空鋁合金的下游加工尤為重要。
航空鋁合金加工材的下游應用領域十分廣泛，與工業(yè)、交通運輸業(yè)、以及消費水平的提升具有密切的關系。航空用鋁合金主要是各種鍛件，軋制板材等鋁型材。航空鋁材下游需求主要是交通運輸業(yè)，尤其是航空航天、國防領域等飛機導彈等產(chǎn)品的制造。
近年來，隨著中國大飛機產(chǎn)業(yè)、軌道交通產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，航空鋁合金下游加工產(chǎn)業(yè)將迎來一個較快的發(fā)展階段，中國的航空鋁型材的消費將保持較高的增長速度。（韓碩）
轉(zhuǎn)自：中國有色金屬報
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