军工材料中应用最广泛的金属结构材料——铝合金

2022-11-22 10:37:54 来源：材料PLUS

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简介：铝合金（第十届中国铝工业科学技术发展大会暨第三届国际铝工业高峰论坛）具有密度小、强度高、耐腐蚀性能好、加工性能优异等特点，因此是当前军事工业中应用最广泛的金属结构材料。在追求装备轻量化的航空、航天以及舰船领域，高性能铝合金是必不可少的重要轻质结构材料。

铝合金产业链及其市场需求

铝合金（第十届中国铝工业科学技术发展大会暨第三届国际铝工业高峰论坛）具有密度小、强度高、耐腐蚀性能好、加工性能优异等特点，因此是当前军事工业中应用最广泛的金属结构材料。在追求装备轻量化的航空、航天以及舰船领域，高性能铝合金是必不可少的重要轻质结构材料。

资料来源：新材料在线

一飞机产业助力航空铝材需求走俏

1、航空铝材概况

航空铝材是一种超高强度变形铝合金，是航空领域尤其在客机上使用量最大的金属材料。

主要特征：

1）力学和加工性能优异，固溶处理后塑性好，热处理强化效果佳；

2）在150℃以下强度高、韧性好，是理想的结构材料；

3）密度小，质量轻，轻量化效果显著。

主要应用部位：翼面蒙皮、翼面长桁、翼梁上下缘条、腹板、机身长桁、座椅滑轨、龙骨梁、侧框、机身蒙皮、机身下部壁板、主地板桁条等；

高强铝合金主要用于飞机机身部件、发动机舱、座椅、操纵系统等；

耐热铝合金零件主要用于靠近电动机的机舱、空气交换系统等；

耐蚀铝合金具有足够高的性能指标，其强度、塑性、冲击韧性、疲劳性能和可焊性都很好，主要具有耐蚀性，主要用于水上飞机。

航天航空用大型挤压型材包括整体带筋壁板、工字大梁、机翼大梁、梳状型材、空心大梁型材等，主要用作飞机、宇宙飞船等航天航空器的受力结构部件以及直升飞机异形空心旋翼大梁和飞机跑道等。

铝合金厚板主要应用于飞机框架、整体壁板、起落架、蒙皮等。

资料来源：新材料在线

二航空铝材的现状和发展趋势

1、航空铝材的现状

目前，大飞机结构中使用最广泛主要有高强度的2000系（2024/2224/2324/2424/2524等）和超高强度的7000系（7075/7475/7050/7150/7055/7085等）。

2000系铝合金属于Al-Cu-Mg 系合金，被称为高强度硬铝，是用途最为广泛的结构铝合金。比7000系铝合金的室温强度低，但耐热性、疲劳特性，特别是抗疲劳裂纹扩展性都比7000系的好。

7000系铝合金属于Al-Zn-Mg-Cu 系合金，这类合金具有高的比强度和硬度、较好的耐腐蚀性能和较高的韧性、优良的加工性能，在大飞机上有着广泛的应用。

资料来源：新材料在线

2、航空铝材的发展趋势

飞机用铝合金设计要求主要考虑材料的静强度、抗腐蚀性能、稳定的高温性能、耐用性、损伤容限、良好的厚板性能和轻量化效果，传统的2000系和7000系铝合金基本具备了上述性能，而且加工工艺成熟，成本相对低廉。但是以新型的B787和A380为代表的新一代大型飞机，对舒适性、安全性、经济性等主要性能指标提出了更高的要求，因此对所用材料的性能的要求更加严苛，类似铝锂合金、快速凝固铝合金（第十届中国铝工业科学技术发展大会暨第三届国际铝工业高峰论坛）、先进复合材料等新材料逐渐带来替代威胁。

铝锂合金

铝锂合金是含锂元素的多元铝合金。锂是最轻的金属元素，铝合金中每增加1%锂元素，密度就可减少3%，模量就可增加5%。铝锂合金除了具有质量轻、模量高和强度高的优点外，还具有优良的抗疲劳性能和良好的低温韧性，其强度可与2024、7075 等铝合金媲美。鉴于此，铝锂合金已深得航空航天界的喜爱，它作为一种新型航空航天结构材料，已成为美、英、法、俄等发达国家竞相研制、开发的热点。

目前，已开发出的新型铝锂合金主要有高强可焊的1460 和Weldalite 系列合金，高韧的2097、2197合金，低各向异性的AF/C-489、AF/C-458 合金等。这些新出现的铝锂合金可统称为第三代铝锂合金.

铝基复合材料

铝基复合材料由于具有密度小、比强度和比刚度高、比弹性模量大、导电导热性好、耐高温、抗氧化、耐腐蚀、制备工艺灵活等许多优点而引起人们的普遍关注，各国在研发上都投入了大量的人力物力，它是金属基复合材料中研究得最多和最主要的复合材料。铝基复合材料已成为铝合金，甚至是铝锂合金的重要竞争对手。目前开发的铝基复合材料主要有SiC/Al、B/Al、BC/AI、Al2O3/Al 等。

超塑性成形铝合金

铝合金的超塑性成型是通过形变热处理得到的小于10 μm 的超细晶粒，这些超细晶粒合金在高于半熔点和低应变速率条件下能获得超塑性，可以成形出传统方法难以获得的质量轻、成本低、形状复杂的构件，并且具有成形压力小、模具寿命高、可一次精密成形等许多优点。

航空铝材的需求分析

铝合金是客机上用量最大的金属材料，通常占整机比重的70%以上，由于其高性价比，目前在客机上的地位仍然十分稳固；但是在军机领域，铝合金的占比随着钛合金和复合材料的迅速发展逐渐呈下降趋势，目前在最先进的五代战机F22上铝合金用量仅约为15%。

图表客机中各系材料比例

资料来源：航空材料学报，材料导报

中国的航空产业正处于高速发展期，不论是以C919为代表的大型商用飞机，还是以歼20为代表的新一代战机，中国都有巨大的需求缺口。在客机方面，未来20年中国新机需求预计将达到6500架左右，对高端航空铝材的需求将有望达到45-55万吨。在军机方面，未来10年中国将新增四代/五代战机达到1000架左右，对高端铝材的需求预计达2-3万吨。

资料来源：航空材料学报，材料导报

三舰船用铝材

1、舰船用铝材概况

在海军舰船中，用量最大的金属材料是船体结构钢，作为整个舰船的关键结构载体，其次是铝合金。与钢材相比，铝合金具有密度小、比强度大、无磁性、高导电性和导热性等特点，是制造中小型舰艇船体、上层建筑及其他仓面器具的首选材料，尤其是制造滑行艇、水翼艇、气垫船、冲翼艇的最佳材料。因为它们的质量对航速尤为敏感，减轻船体质量能够有效地提高航速。

铝材在船舰上主要有三类应用：

1）以强度为主要因素的受力结构件，如船体、大型舰船甲板室、舰船舰桥、导弹发射筒、电磁炮轨道等。

2）非受力构件或受力较小的构件，如各种栖装件、油箱、水箱、储藏柜，铝质水密门、窗、盖，卫生设施、管道、通风、挡风板、支架、流线型罩壳和手把等。它们多是用6063、6082、3003等合金材料制造的。

3）功能材料，用于制造仓室内部装饰件与绝热、隔声材料。

2、铝合金在舰船上的应用提升

从上世纪20年代起，铝合金在舰艇上获得了更加广泛的应用，包括航母、巡洋舰、护卫舰、导弹驱逐舰、潜艇、快艇、炮艇、登陆艇等建造过程中都需要大量铝合金。

航母由于其庞大的体积和巨大的质量，出于稳定性和适航性等要求，对减轻结构质量等具有迫切需要，特别是上层建筑的质量，对改善航母的战术性能至关重要。根据对现有航母的初步统计，通常一艘航母的铝合金材料用量为500-1000吨。例如，美国“独立”号（CVA62）航母用了1019吨铝材，“企业”号核动力航母（CVA65）用了450吨铝材，法国“福熙”号（R99）及“克里蒙梭”号（R98）航母用了1000多吨铝材。中国首艘航母“辽宁”号铝材用量估计约650t，合金多为5052与6063。

在驱逐舰等大型水面舰船上，主甲板上的全部结构多采用铝合金制造。美国海军不同级的驱逐舰，在甲板以上结构中所用的铝合金数量分别如下：护航驱逐舰（DE）用铝量251.33 吨；导弹驱逐舰（DLG）用铝量811.30 吨；弹道导弹驱逐舰（DDG）用铝量515.88 吨；弹道导弹核动力驱逐舰（DLGN）用铝量为930.35吨。由于中国的海军战略逐步从近海防卫向区域拒止转变，我国包括航母在内的大型舰艇加快了建造和列装的速度。随着新型航母和驱逐舰等的建设，对舰船用铝合金的需求也将大幅提升。

资料来源：中国腐蚀与防护网

四铝合金的发展趋势

铝合金对飞机、汽车的轻量化具有重要作用，在航空和汽车领域的需求巨大。尤其随着国产大飞机C919的批量生产，高端航空铝材的消费量将直线上升。在上游铝合金的产能过剩情况下，高端铝合金需求提升只对下游铝合金精密加工企业形成利好，高端铝合金（第十届中国铝工业科学技术发展大会暨第三届国际铝工业高峰论坛）未来需要更大等。