آلومینیوم فراوان‌ترین عنصر فلزی در پوسته زمین است. این فلز غیرآهنی پس از فولاد، دومین فلز بزرگ تولید و مصرف در جهان است. چگالی کمی دارد، حدود ۱/۳ فولاد. از آنجایی که آلومینیوم خالص نرم و دارای استحکام کمی است، بنابراین با افزودن مقدار کمی عناصری مانند منیزیم، مس، روی، سیلیکون و لیتیوم به آلومینیوم، عملکرد آلیاژ آلومینیوم بهتر می‌شود. آلیاژهای آلومینیوم به دلیل خواص مکانیکی عالی و مقاومت در برابر خوردگی، پرکاربردترین مواد سازه‌ای فلزی غیرآهنی در صنعت هستند. آنها به طور گسترده در ساخت و ساز، هوافضا، خودرو، تولید ماشین آلات، کشتی سازی و صنایع شیمیایی مورد استفاده قرار گرفته‌اند.
آلیاژهای آلومینیوم خواص عالی در مکانیک و شیمی دارند:
① جنبه‌های مکانیکی، که عمدتاً در چگالی کم، استحکام بالا، مدول بالا و غیره منعکس می‌شود. آلومینیوم چگالی کمی دارد و از سایر فلزات سبک‌تر است، تنها 1/4 فولاد، بنابراین برای استفاده در زمینه‌هایی که نیاز به وزن سبک دارند، مناسب است.
② از نظر خواص شیمیایی، از آنجایی که آلیاژ آلومینیوم می‌تواند در هوا یک لایه اکسید متراکم روی سطح خود تشکیل دهد، می‌تواند خود را از اکسیداسیون عمیق محافظت کند. بنابراین، مقاومت در برابر خوردگی عالی و ترکیب شیمیایی بسیار پایداری دارد.
③آلیاژ آلومینیوم انعطاف‌پذیری خوبی دارد و می‌توان آن را به شکل‌های مختلف پردازش کرد. رسانایی الکتریکی و حرارتی بسیار خوبی دارد. بنابراین، در صنعت کاربرد گسترده‌ای دارد و پس از فولاد، دومین کاربرد را دارد.
در حال حاضر، بیش از ۲۵۰ آلیاژ آلومینیوم با ترکیبات مختلف در صنعت وجود دارد. به منظور تسهیل تمایز، با توجه به ترکیبات مختلف آلیاژ، چین روش طبقه‌بندی درجه چهار رقمی پذیرفته شده بین‌المللی را برای تسهیل علامت‌گذاری محل تولید، مدیریت حافظه و محاسبه اتخاذ می‌کند. آلیاژهای آلومینیوم مورد استفاده در صنایع نظامی عمدتاً شامل آلیاژهای آلومینیوم-لیتیوم، سری 2XXX (A1-Cu-Mg) و آلیاژهای آلومینیوم سری 7XXX هستند.
تقاضای بازار و روند توسعه مواد مختلف آلیاژ آلومینیوم
آلیاژ آلومینیوم سری 2XXX
آلیاژهای آلومینیوم سری 2XXX (A1-Cu-Mg) دارای استحکام کششی، چقرمگی و استحکام خستگی بالا، مقاومت حرارتی خوب، خواص فرآوری و جوشکاری هستند و به طور گسترده در صنایع هوافضا، خودرو و سلاح استفاده می‌شوند. گریدهای اصلی عبارتند از 2A01، 2A02، 2A06، 2A11، 2A12 و غیره. مجموعه‌ای از آلیاژها برای بهبود استحکام، تطبیق چقرمگی و تحمل آسیب، مانند آلیاژهای 2024، 2124، 2524، 2324 و غیره توسعه یافته‌اند.
مدل‌های تجهیزات چین در جهت سبکی، طول عمر بالا، قابلیت اطمینان بالا و هزینه کم در حال توسعه هستند و الزامات بالایی برای چقرمگی شکست، مقاومت در برابر انتشار ترک و مقاومت در برابر خوردگی مواد پوسته بدنه دارند. بر اساس صفحه ضخیم آلیاژ آلومینیوم 2024-T351، کشورهای خارجی آلیاژهای آلومینیوم 2324، 2624 و سایر آلیاژهای آلومینیوم با تحمل آسیب بالا را برای سطح بال پایین با استحکام، چقرمگی، خستگی و مقاومت در برابر خوردگی مختلف توسعه داده‌اند و به نصب و کاربرد دست یافته‌اند. چین در حال توسعه آلیاژهای آلومینیوم سری 2XXX با تحمل آسیب بالا است. در آینده، میکروآلیاژ کامپوزیتی یک جهت توسعه مهم برای آلیاژهای آلومینیوم با مقاومت بالای سری Al-Cu-Mg خواهد بود.
آلیاژ آلومینیوم سری 4XXX
در حال حاضر، آلیاژهای Al-Si یوتکتیک و هیپویوتکتیک عمدتاً برای پیستون‌های خودرو در چین استفاده می‌شوند. با این حال، با بهبود مستمر الزامات عملکرد موتور، برآورده کردن الزامات عملکرد دشوار است. آلیاژ Al-Si هایپریوتکتیک دارای چگالی کم، ضریب انبساط خطی کوچک، مقاومت در برابر سایش و پایداری حجمی بالاتر است و در مقایسه با آلیاژهای Al-Si یوتکتیک، ماده پیستون ایده‌آل‌تری است. پیستون‌های آلیاژی Al-Si هایپریوتکتیک در خارج از کشور به صورت انبوه تولید شده و در کامیون‌ها و خودروها به کار می‌روند، مانند آلیاژ A390 در ایالات متحده، آلیاژهای AC9A و AC8A (ZL109) در ژاپن و آلیاژ A390 در استرالیا. با این حال، در حال حاضر تولیدکنندگان کمی در چین وجود دارند که پیستون‌های آلیاژی Al-Si هایپریوتکتیک تولید می‌کنند و بیشتر آنها به واردات متکی هستند. علاوه بر این، شکاف زیادی بین مواد آلیاژ آلومینیوم توربوشارژر خودرو و کشورهای خارجی وجود دارد. مواد آلیاژ آلومینیوم توربوشارژر خودرو با عملکرد بالا عمدتاً به ژاپن و سایر کشورها متکی هستند. بنابراین، توسعه مواد آلیاژ آلومینیوم کلیدی خودرو برای پیستون‌ها و پروانه‌های توربوشارژر با عملکرد بالا ضروری است.
آلیاژهای آلومینیوم سری 5XXX
آلیاژهای Al-Mg، به ویژه آلیاژهای Al-Mg با محتوای منیزیم بالا، دارای استحکام ویژه بالا، جوش‌پذیری خوب و مقاومت در برابر خوردگی هستند و در آینده به موادی بسیار رقابتی در هوافضا، قطارهای پرسرعت، اقیانوس‌ها و سایر زمینه‌ها تبدیل خواهند شد. در حال حاضر، صفحات، پروفیل‌ها و سیم‌های جوشکاری آلیاژ Al-Mg برای هوافضا، قطارها، اقیانوس‌ها و سایر کاربردها عمدتاً به واردات متکی هستند. بازار سیم‌های جوشکاری رده بالا اساساً در انحصار شرکت ALCOA در ایالات متحده است. آلیاژهای ER5183 و ER5356 عمدتاً به واردات متکی هستند و حجم واردات حدود 70 درصد از فروش آنها را تشکیل می‌دهد. آلیاژهای Al-Mg برای کشتی‌ها عمدتاً به روسیه متکی هستند. شمش‌های معمولی آلیاژهای با محتوای منیزیم بالا دارای دندریت‌های توسعه‌یافته، جدایش فاز یوتکتیک شدید و عملکرد شکل‌دهی ضعیف هستند. روش‌های فرآوری فعلی هنوز مشکلات زیادی مانند عملکرد پایین، کیفیت ظاهری ضعیف، فرآیند طولانی، کیفیت ناپایدار و بازده پایین دارند. انجماد و شکل‌دهی زیرسریع می‌تواند از رسوب منیزیم جلوگیری کند و در عین حال می‌تواند برای دستیابی به کریستال‌های ریز هم‌محور و فازهای نانورسوب‌شده تنظیم شود که عملکرد و یکنواختی ماده را تا حد زیادی بهبود می‌بخشد. بنابراین، انتظار می‌رود توسعه فناوری اکستروژن رئولوژیکی و نورد پیوسته زیرسریع انجماد برای آلیاژهای Al-Mg با عملکرد بالا، تقاضا برای آلیاژهای Al-Mg با کیفیت بالا را برآورده کند.
آلیاژهای آلومینیوم سری 6XXX
آلیاژهای آلومینیوم سری 6XXX مواد کلیدی در زمینه‌های حمل و نقل ریلی، خودرو، الکترونیک و غیره هستند. از دهه 1980، کشورهای توسعه‌یافته و مناطقی مانند اروپا، ایالات متحده و ژاپن آلیاژهای آلومینیوم را برای خودروها، با گریدهای ثبت شده مانند 6009، 6016، 6010، 6111، 6022 و 6082 توسعه داده‌اند و یک سیستم تولید و کاربرد نسبتاً کامل برای پنل‌های بدنه خودرو، اکستروژن‌ها، فورج‌ها و غیره تشکیل داده‌اند. تحقیق و توسعه صنعتی‌سازی پنل‌های بدنه و فورج‌های آلیاژ آلومینیوم سری 6XXX در چین به تازگی آغاز شده است و شکاف آشکاری وجود دارد. وزارت صنایع و فناوری اطلاعات چین پیشنهاد داده است که ورق‌های آلیاژ آلومینیوم خودرو که قرار است توسعه یابند عبارتند از: 6016-S، 6016-IH، 6016-IBR، 6A16-S، 6A16-IBR، 6022 و غیره. ورق آلیاژ آلومینیوم سری 6XXX معمولی دارای ازدیاد طول A50 حداقل 25٪، مقدار r حداقل 0.60، استحکام تسلیم پارکینگ 60 روزه Rp0.2 حداقل 140 نیوتن بر میلی‌متر مربع و افزایش استحکام تسلیم سخت شدن رنگ حداقل 80 نیوتن بر میلی‌متر مربع است. در پاسخ به نیازهای مختلف، توسعه فناوری طراحی، آماده‌سازی و پردازش آلیاژهای آلومینیوم سری 6XXX به یک روند اجتناب‌ناپذیر توسعه تبدیل شده است.
آلیاژهای آلومینیوم سری 7XXX
آلیاژهای آلومینیوم سری 7XXX مقاومت خوبی در برابر خوردگی تنشی دارند و قوی‌ترین سری در بین آلیاژهای آلومینیوم هستند. این آلیاژها در سطح بین‌المللی به عنوان مواد اصلی صنایع هوایی شناخته می‌شوند. اخیراً، کشورهای خارجی آلیاژ 7055 (Al8Zn-2.05Mg-2.3Cu-0.16Zr) را توسعه داده‌اند که تنش تسلیم آن در حالت T77511 از 620 مگاپاسکال فراتر می‌رود. این آلیاژ در هواپیماهای بوئینگ 777 استفاده می‌شود و وزن را 635 کیلوگرم کاهش می‌دهد. در حال حاضر، چین فاقد فناوری طراحی و آماده‌سازی و پردازش سیستماتیک آلیاژ برای آلیاژهای آلومینیوم سری 7XXX برای صنایع هوایی است و برخی از محصولات کاملاً به واردات وابسته هستند. با توجه به شمش‌های بزرگ آلیاژهای آلومینیوم سری 7XXX با عناصر آلیاژی زیاد، محدوده انجماد گسترده، تنش ریخته‌گری زیاد و اکسیداسیون/جداسازی آسان عناصر آلیاژی، کیفیت متالورژیکی شمش‌ها ضعیف و عملکرد شکل‌دهی در دمای اتاق پایین است، توسعه آلیاژهای جدید آلومینیوم سری 7XXX از اهمیت بالایی برخوردار است.
آلیاژ آلومینیوم-لیتیوم (Al-Li)
آلیاژ آلومینیوم-لیتیوم سریع‌ترین رشد را در بین مواد سبک وزن در مواد هوانوردی در سال‌های اخیر داشته است. این آلیاژ دارای ویژگی‌های چگالی کم، مدول الاستیسیته بالا، سفتی ویژه بالا، عملکرد خوب در برابر خستگی و مقاومت در برابر خوردگی است. پس از جایگزینی آلیاژهای آلومینیوم معمولی، می‌توان جرم را 10 تا 20 درصد کاهش داد و سفتی را 15 تا 20 درصد افزایش داد. در اوایل قرن بیست و یکم، شرکت آمریکایی ALCOA طرح "ALCOA Aviation 20/20 Plan" را با هدف کاهش 20 درصدی هزینه و وزن آلیاژهای آلومینیوم هوانوردی در هر 20 سال راه‌اندازی کرد. Constellium آلیاژهای آلومینیوم-لیتیوم 2050 و 2198 (Al-Cu-Li-Mg-Ag) را با چگالی کم، چقرمگی بالا و تحمل آسیب بالا توسعه داده است. گریدهای آلیاژ Al-Li بسیار کمی به طور مستقل در چین توسعه یافته‌اند و فقط آلیاژ 1420 مورد استفاده قرار گرفته است. آلیاژ آلومینیوم-لیتیوم مورد استفاده در هواپیمای مسافربری C919 توسط Alcoa تهیه شده است. در داخل کشور، تنها گریدهای آلیاژی محدودی مانند 1420، 2195، 2197 و 2A97 قابل تولید هستند و شمش‌ها فقط شمش‌های تخت با ابعاد کمتر از ((310~400)×1280×4000) میلی‌متر و شمش‌های گرد با ابعاد کمتر از φ650 میلی‌متر هستند. شمش‌های تخت (2B16) با ضخامت بیش از 60 میلی‌متر و عرض بیش از 1500 میلی‌متر و شمش‌های (2B16) با قطر بیش از 1500 میلی‌متر در زمینه کاربردهای پیشرفته هوانوردی هنوز به صورت صنعتی تولید نشده‌اند. بنابراین، توسعه طراحی جدید آلیاژ آلومینیوم-لیتیوم، آماده‌سازی شمش‌های بسیار بزرگ و فناوری پردازش عمیق از اهمیت بالایی برخوردار است.
آلیاژ آلومینیوم مقاوم در برابر حرارت
آلیاژهای آلومینیوم مقاوم در برابر حرارت، مواد اساسی کلیدی در زمینه‌های هوافضا، خودروسازی، حمل و نقل ریلی و غیره هستند که با تنظیم عناصری مانند Si، Fe، Ni، Ag و عناصر خاکی کمیاب، آلیاژهای آلومینیوم را در برابر اکسیداسیون و خزش در دماهای بالا مقاوم می‌کنند. آلیاژهای آلومینیوم مقاوم در برابر حرارت سنتی شامل: 2519، 2618، 2219، 2D70 و غیره هستند. با توسعه سریع صنایع هوافضا و خودروسازی، الزامات بالاتری برای آلیاژهای آلومینیوم مقاوم در برابر حرارت مطرح شده است. نسل جدید جت‌های جنگنده دارای سرعت کروز بالایی هستند و دمای عملیاتی پوسته بدنه آنها بالای 150 درجه سانتیگراد است. در حال حاضر، دمای استفاده طولانی مدت از آلیاژهای آلومینیوم مقاوم در برابر حرارت مانند 2618 و 2D70 کمتر از 150 درجه سانتیگراد است. توسعه آلیاژهای جدید آلومینیوم مقاوم در برابر حرارت ضروری است.
آلیاژ Al-Sc با محتوای اسکاندیم (Sc) بسیار کم
آلیاژ Al-Sc دارای خواص عالی مانند استحکام بالا، شکل‌پذیری خوب و مقاومت در برابر خوردگی است و پس از آلیاژ Al-Li به نسل جدیدی از مواد سبک وزن برای هوافضا، کشتی‌ها و غیره تبدیل شده است. استحکام کششی آلیاژ Al-Mg حاوی مقادیر کمی اسکاندیم 30٪ بیشتر از آلیاژ 5083 است و استحکام تسلیم آن بیش از دو برابر شده است. جوش‌پذیری آن با آلیاژهای سری 5XXX معمولی قابل مقایسه است، خواص مکانیکی منطقه تحت تأثیر حرارت و جوش تقریباً برابر با ماتریس است و مقاومت در برابر خوردگی آن با آلیاژ 5083 قابل مقایسه است. جایگزینی آلیاژهای سری 5XXX یا 6XXX در ساخت قطعات هوافضا می‌تواند اثرات کاهش وزن قابل توجهی را به همراه داشته باشد و همچنین ماده‌ای برتر برای خودروها و وسایل نقلیه ریلی است. روسیه در توسعه آلیاژهای آلومینیوم حاوی اسکاندیم در خط مقدم جهان قرار دارد و آلیاژهای Al-Mg-Sc، Al-Mg-Li-Sc، Al-Zn-MgSc، Al-Zn-Mg-Cu-Sc و Al-Cu-Mg-Sc را با محتوای اسکاندیم 0.18٪ تا 0.5٪ تولید کرده است. به منظور ترویج کاربرد آلیاژهای آلومینیوم-اسکاندیم در هوافضا و خودرو، وزارت صنایع و فناوری اطلاعات چین، آلیاژهای آلومینیوم حاوی اسکاندیم را به عنوان یکی از مواد جدید برای توسعه در اولویت قرار داده است. چین سرشار از منابع اسکاندیم است و یک خط تولید استخراج اکسید اسکاندیم با خلوص بالا ساخته است که پایه و اساس توسعه آلیاژهای آلومینیوم-اسکاندیم را بنا نهاده است.
آلیاژ آلومینیوم با درجه حرارت 500 مگاپاسکال برای خودرو
هنوز در زمینه مواد آلیاژ آلومینیوم با استحکام بالا برای قالب‌گیری گرم در چین جای خالی وجود دارد. ترکیب مواد جدید و توسعه فرآیندهای شکل‌دهی جدید، ابزاری مؤثر برای حل مشکل شکل‌دهی قطعات خودرو با استحکام بالا از آلیاژ آلومینیوم است. تمرکز بر آلیاژهای سری 7XXX، بررسی فعال آلیاژهای 2XXX و توسعه مواد آلیاژ آلومینیوم با درجه 500 مگاپاسکال برای قالب‌گیری گرم، چشم‌اندازهای مهمی برای تولید قطعات خودرو با شکل پیچیده دارد.
مواد کامپوزیتی پایه آلومینیوم
صفحه کامپوزیت چندلایه آلومینیوم-فولاد: اتصال مؤثر بین عرشه‌های آلومینیومی و فولادی به یکی از محدودیت‌های سبک‌سازی روبناهای کشتی‌های بزرگ تبدیل شده است. اتصال انتقالی کامپوزیت آلومینیوم-فولاد که برای جوشکاری بین بدنه‌های آلومینیومی و فولادی استفاده می‌شود، راه‌حلی برای جایگزینی فرآیند پرچ‌کاری سنتی ارائه می‌دهد. هوندا یک فناوری اتصال فولاد و آلومینیوم را توسعه داده است که در سطح جهانی در فریم‌های خودرو با تولید انبوه استفاده خواهد شد. در حال حاضر، اتصالات کامپوزیت آلومینیوم-فولاد مورد استفاده در چین عمدتاً از خارج از کشور وارد می‌شوند و قیمتی تا 4×105 یوان در هر تن دارند. با کشتی‌های بزرگ آینده، دمای جوشکاری بالاتر، تنش تحمل بیشتر و رابط‌های اتصال قوی‌تر برای اتصالات انتقالی مورد نیاز است و اتصالات آلومینیوم-فولاد با عملکرد بالا به شدت مورد نیاز هستند.
زمان ارسال: ۸ مارس ۲۰۲۵
