中國(guó)亟需提升技術(shù)水平的幾種有色金屬材料
鋁是地球上含量最豐富的金屬元素，高于鐵，具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、耐腐蝕、易循環(huán)再回收利用的優(yōu)勢(shì)，鋁及鋁材被廣泛應(yīng)用于航空航天、國(guó)防軍工以及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。近年來(lái)，我國(guó)鋁及鋁材的制造已經(jīng)迅速發(fā)展成為世界第一大制造國(guó)。然而部分高技術(shù)含量、高精度、高質(zhì)量的鋁合金嚴(yán)重依賴進(jìn)口，甚至被歐美主要的生產(chǎn)廠商壟斷。
由于中國(guó)鋁工業(yè)起步較晚，技術(shù)相對(duì)落后，且自主創(chuàng)新力不足，新合金研發(fā)基本是跟蹤國(guó)外產(chǎn)品，加上國(guó)外對(duì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行封鎖，導(dǎo)致我國(guó)中低端鋁材產(chǎn)品充斥市場(chǎng)，多種鋁材過(guò)剩；同時(shí)，對(duì)于航空航天、國(guó)防軍工、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域的高端鋁材仍處于不穩(wěn)定生產(chǎn)或者成品率低的狀態(tài)，甚至部分鋁材還不能制造，尤其在超大規(guī)格的2xxx系、7xxx系高端鋁材的高綜合性能制造技術(shù)方面長(zhǎng)期處于瓶頸。
高溫合金是制造高溫高載荷、高低溫交變頻繁、高速氣流沖刷等極端服役環(huán)境下工作的裝備熱端部件不可替代的核心材料；
為滿足苛刻的應(yīng)用需求，高溫合金中常加入Al、Ti、Cr、W、Mo和Ta、Re、Nb、Co、C、B、Y等十余種強(qiáng)化元素，通過(guò)固溶強(qiáng)化、析出相強(qiáng)化、碳硼晶界強(qiáng)化等方法保證合金具有足夠的高溫強(qiáng)度，優(yōu)異的抗高溫氧化和腐蝕性能，良好的合金組織穩(wěn)定性，還要保證合金長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作而無(wú)有害相析出，其機(jī)制復(fù)雜，給合金的研制帶來(lái)極大的困難。
國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀
英美絕對(duì)領(lǐng)先：技術(shù)牽引模式，在經(jīng)過(guò)上世紀(jì)八九十年代追求高性能的系列研究后，三代單晶葉片和渦輪盤(pán)已工程應(yīng)用，四代材料技術(shù)已成形，近年研究重點(diǎn)再發(fā)展穩(wěn)定化、規(guī)模化和低成本生產(chǎn)技術(shù)。
俄羅斯：已形成完整、獨(dú)特的高溫合金體系，既有通用高溫合金合金，也有成本較低的粉末高溫合金，且已發(fā)展到第三代。
日本：在其能源、動(dòng)力強(qiáng)勁需求和長(zhǎng)期基礎(chǔ)研究帶動(dòng)下，在高代次單晶和鈷基變形高溫合金研究和生產(chǎn)方面已走到世界前列。
法國(guó)：合金體系與英美兼容，近年率先開(kāi)發(fā)出渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)用高代次無(wú)錸單晶葉片。
中國(guó)：我國(guó)已形成高溫合金研發(fā)應(yīng)用體系，研制出200多個(gè)牌號(hào)的高溫合金及其零部件；近年來(lái)，國(guó)家高度重視，高溫合金技術(shù)進(jìn)步加快，授權(quán)專利每年均增30%，研發(fā)單位和生產(chǎn)企業(yè)裝備趨近國(guó)際先進(jìn)水平。
高溫合金2023年標(biāo)志性成果
①二代高溫合金渦輪盤(pán)及單晶葉片性能穩(wěn)定、四代機(jī)使用可靠
②國(guó)產(chǎn)高溫合金盤(pán)鍛件和環(huán)形件加工/時(shí)效后端面跳動(dòng)量達(dá)標(biāo)
鋁鋰合金是一類(lèi)密度小、彈性模量高、比強(qiáng)度和比剛度高的新型鋁合金，在航空航天領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。在鋁合金中添加金屬鋰元素，每添加1％的金屬鋰，其密度降低3％，而彈性模量可提高5%~6%，并可以保證合金在淬火和人工時(shí)效后硬化效果顯著，鋁鋰合金的材料制備及零件制造工藝與普通鋁合金沒(méi)有太大差別，只是在保證金屬鋰不被空氣氧化方面加以注意即可。一般情況下，可以沿用普通鋁合金的技術(shù)和設(shè)備，相對(duì)于碳纖維復(fù)合材料來(lái)說(shuō)，鋁鋰合金的成形、維修都比復(fù)合材料方便，成本也相對(duì)較低，因此，鋁鋰合金有明顯的價(jià)格優(yōu)勢(shì)和性能優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是21世紀(jì)航空航天工業(yè)最具競(jìng)爭(zhēng)力的輕質(zhì)高強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料之一。
目前，我國(guó)雖然已經(jīng)制造出芯級(jí)直徑為5米的火箭，但是還沒(méi)有10米直徑的重型運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)件制造能力；把“卡脖子”的鋁鋰合金材料用到10米直徑的重型運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)上，并且實(shí)現(xiàn)超大直徑結(jié)構(gòu)的形性協(xié)同制造，高水平高可靠地降低箭體重量，可以大幅度提升進(jìn)入空間的能力。
鋁鋰合金為何備受美歐國(guó)家器重和封鎖
鋰是自然界最輕的金屬元素，研究表明，在鋁合金中每加入1%的鋰，可使鋁合金密度降低3%，模量提高6%。與傳統(tǒng)航天通用的高性能2系、7系鋁合金相比，鋁鋰合金具有質(zhì)量更輕，模量更高，更易實(shí)現(xiàn)航天裝備的高可靠、輕量化制造。
數(shù)據(jù)顯示，航天運(yùn)載器每減輕1kg，其發(fā)射費(fèi)用可節(jié)省約2萬(wàn)美元。上世紀(jì)90年代，美國(guó)航天飛機(jī)超輕貯箱使用2195鋁鋰合金替代2219合金實(shí)現(xiàn)減重3.4噸，可以使發(fā)射成本節(jié)省6800萬(wàn)美元，按照當(dāng)時(shí)的匯率計(jì)算，相當(dāng)于節(jié)約了至少5.5億元。
因此，針對(duì)在航空航天、軌道交通、船舶運(yùn)輸?shù)葢?yīng)用領(lǐng)域的急迫減重需求領(lǐng)域，鋁鋰合金的應(yīng)用能夠帶來(lái)相當(dāng)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。
作為目前世界上最先進(jìn)的鋁合金材料，鋁鋰合金已經(jīng)發(fā)展到了第四代。然而，由于鋰元素特有的化學(xué)活性高、密度低等物理性質(zhì)，導(dǎo)致鋁鋰合金從成分設(shè)計(jì)、熔鑄、塑性成形到熱處理，各個(gè)環(huán)節(jié)的加工難度和技術(shù)復(fù)雜性都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它鋁合金材料。
全球目前只有5家企業(yè)可以生產(chǎn)鋁鋰合金：
美鋁、俄鋁、法鋁、加鋁和中鋁。
銅合金以純銅為基體加入一種或幾種其他元素所構(gòu)成的合金。純銅呈紫紅色﹐又稱紫銅。常用的銅合金分為黃銅、青銅、白銅3大類(lèi)。
我國(guó)銅加工產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，2019年全國(guó)銅加工材產(chǎn)量1816萬(wàn)噸，同比增長(zhǎng)1.96%，連續(xù)16年雄冠全球。具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的銅管連鑄連軋生產(chǎn)線從“裝備中國(guó)”走向“裝備世界”，以空調(diào)銅管為代表的部分品種走在世界前列，一些長(zhǎng)期依賴進(jìn)口的銅材產(chǎn)品國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程逐步加快，2019年我國(guó)銅材首次實(shí)現(xiàn)凈出口，凈出口量達(dá)到2.13萬(wàn)噸。銅鎳硅、銅鉻鋯、銅鐵合金、銅鈦、銅基復(fù)合材料等研發(fā)生產(chǎn)及應(yīng)用近年來(lái)取得明顯進(jìn)步，其中銅鐵合金的研發(fā)世界領(lǐng)先。
存在的問(wèn)題 1、中低端產(chǎn)品產(chǎn)能過(guò)剩、無(wú)序競(jìng)爭(zhēng)依然危害行業(yè)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。 2、新產(chǎn)品研發(fā)仍然以跟蹤模仿為主，基礎(chǔ)研究和自主創(chuàng)新能力依然不足。 3、一些領(lǐng)域依然存在短板。如超大規(guī)模集成電路用高性能引線框架銅合金帶材、高端壓延銅箔、高頻高速電解銅箔等若干領(lǐng)域仍然依賴進(jìn)口。 4、由于缺乏具有國(guó)際影響力的下游本土應(yīng)用企業(yè)帶動(dòng)，高端銅材料上下游協(xié)同創(chuàng)新機(jī)制尚未形成。
2019年5月15日，在昆明召開(kāi)的項(xiàng)目科技成果評(píng)價(jià)會(huì)上，由昆鋼楚豐集團(tuán)云鈦公司完成的“強(qiáng)對(duì)流氬氣保護(hù)寬幅鈦帶卷罩式退火工藝及裝備技術(shù)研究與應(yīng)用”科技成果，經(jīng)評(píng)委會(huì)鑒定，整體技術(shù)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。該成果對(duì)強(qiáng)對(duì)流氬氣保護(hù)寬幅鈦帶卷罩式退火工藝技術(shù)和裝備進(jìn)行了自主創(chuàng)新，形成了強(qiáng)對(duì)流氬氣保護(hù)寬幅鈦帶卷退火的完備工藝技術(shù)體系，質(zhì)量指標(biāo)達(dá)到甚至優(yōu)于國(guó)標(biāo)及美標(biāo)，在世界上開(kāi)創(chuàng)了鈦帶卷退火的一條全新技術(shù)路線，退火工藝技術(shù)及裝備為世界首創(chuàng)，有力地促進(jìn)了中國(guó)鈦產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。
2019年12月10日，由昆鋼投資5億元自主研發(fā)設(shè)計(jì)、制造加工的全國(guó)產(chǎn)化大型電子束冷床熔煉爐(EB爐)在攀枝花云鈦實(shí)業(yè)有限公司建成試車(chē)。該EB爐項(xiàng)目從啟動(dòng)到熱試出錠歷經(jīng)374天，實(shí)現(xiàn)了從電子束槍、高壓電源柜、電子束掃描控制等核心系統(tǒng)到循環(huán)冷卻、真空抽取、進(jìn)料方式、拉錠控制等配套系統(tǒng)的研發(fā)設(shè)計(jì)、制造安裝、調(diào)試校驗(yàn)、控制操作系統(tǒng)的全流程百分之百國(guó)產(chǎn)化，擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，補(bǔ)齊了我國(guó)在鈦、鋯、鎳等難熔金屬材料真空熔煉技術(shù)領(lǐng)域的短板，基本解除了相應(yīng)領(lǐng)域被“卡脖子”的威脅，為國(guó)家發(fā)展高端應(yīng)用領(lǐng)域的新材料提供了基礎(chǔ)支撐。
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