袁嫄 王祝堂｜文

近10年來中國進(jìn)入了自主研發(fā)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(yè)績作了簡要的介紹。

西安交通大學(xué)的抗蠕變鋁-銅-鈧系合金

目前，西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)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(dǎo)下，與美國約翰普金斯大學(xué)馬恩教授、重慶大學(xué)曹玲飛教授合作，在新型抗高溫蠕變Al-Cu 系合金研發(fā)方面取得了突破性的重大進(jìn)展。

在Al-Cu 合金中可形成有時效強(qiáng)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(qiáng)的時效強(qiáng)化作用，而且有異常強(qiáng)烈的晶粒細(xì)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(qiáng)化相粒子和諧共存，取長補(bǔ)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(yīng)力的苛刻蠕變條件下，可安全工作350h以上；如果外加應(yīng)力＜20N/mm2，則安全蠕變時間可長于2000h。其蠕變壽命比傳統(tǒng)2×××系、6×××系、7×××系、4×××系合金、Al-Sc 合金、Al2O3或SiC 粒子增強(qiáng)的鋁合金復(fù)合材料都長2 ～3 個數(shù)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(shè)計思想，通過在原子層次解析不同溶質(zhì)原子之間的交互作用，借助相關(guān)的熱力學(xué)/動力學(xué)分析，通過常規(guī)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(qiáng)化相質(zhì)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(tuán)隊研制生產(chǎn)的含鈧Al-Cu 系材料及其工藝對提高傳統(tǒng)航空鋁合金的高溫性能有著重要的現(xiàn)實意義，可創(chuàng)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(yè)的新發(fā)展作出更大的貢獻(xiàn)，為中國大飛機(jī)的制造提供高性能的鋁材。盡管合金成分未公布，但筆者認(rèn)為，Cu含量會＜5%，Sc 含量會＜0.4%。

有研科技集團(tuán)公司的高強(qiáng)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(tuán)隊發(fā)明的Al-Zn-Mg-Cu系高強(qiáng)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(quán)，至此專利授權(quán)國家達(dá)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(chuàng)造了中國鋁合金發(fā)展史上諸多首個：是中國首個有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的結(jié)構(gòu)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(fā)明專利授權(quán)的航空航天器結(jié)構(gòu)鋁合金；是首個超大厚度鍛件在軍民飛機(jī)上大規(guī)模應(yīng)用的合金，在2016年～2018年中鋁西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司向航空器制造企業(yè)提供此種合金產(chǎn)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(jié)構(gòu)

第一代防火抑爆產(chǎn)品是用3003-H18 合金箔制造的，國內(nèi)外的研究與使用證明，它的力學(xué)性能可以滿足要求，但是使用期限僅一年，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需求。因此應(yīng)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(xué)性能與更強(qiáng)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(xué)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(qiáng)度性能，但抗蝕性很低，不能在實際中應(yīng)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(xué)材料系李建國副教授經(jīng)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(qiáng)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(yuǎn)比3003-H18 合金箔長得多，同時防抑爆性能也優(yōu)于第一代鋁箔。

稀土及含鋯導(dǎo)電鋁合金

為了提高鋁導(dǎo)體的強(qiáng)度及耐熱性能,各國都先后開發(fā)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(lǐng)跑者。這些合金的電導(dǎo)率雖比1050A 的低一些，但其抗拉強(qiáng)度、蠕變強(qiáng)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(dǎo)率無影響，卻可顯著改善其加工性能。云南鋁業(yè)股份有限公司生產(chǎn)的含（0.3%～0.5%）混合稀土的高導(dǎo)電純鋁導(dǎo)線的電阻率為2.7654Ω·m，低于現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定值；電導(dǎo)率比國際電工委員會標(biāo)準(zhǔn)規(guī)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(dǎo)線的電導(dǎo)率達(dá)到54%IACS，也比國際電工委員會標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定值高1.4 個百分點。

鋯的添加可提高鋁的再結(jié)晶溫度、蠕變強(qiáng)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(jìn)行長時間（100h）的高溫時效處理，使細(xì)小的Al3Zr 粒子呈彌散狀態(tài)分布，以獲得高的導(dǎo)電性與耐熱性。

提高導(dǎo)線的耐熱性能可以顯著提高載流量與輸電系統(tǒng)安全性，含鋯的導(dǎo)線鋁合金是日本研發(fā)的，現(xiàn)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(dǎo)率60.0%IACS，最低抗拉強(qiáng)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(chǎn)的含0.01% ～0.4%Zr與＜0.5%RE 的鋁合金導(dǎo)線（ 直徑4.67mm）的連續(xù)使用溫度可達(dá)150℃，為硬的鋁絞線的1.7 倍，電導(dǎo)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(qū)電網(wǎng)改造與農(nóng)用架空導(dǎo)線等，其耐熱性能與日本TAl 型鋁合金線相當(dāng)。它在未時效狀態(tài)的抗拉強(qiáng) 度Rm 為187.18N/mm2，伸 長 率A4.1%，彎曲次數(shù)9，20℃時電阻率0.02934Ω·mm2/m；時效處理后的抗拉強(qiáng)度Rm 為183.65N/mm2，伸長率A 3.58%，彎曲次數(shù)12，20℃時電阻率0.02922Ω·mm2/m。

軟質(zhì)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(zhì)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(dá)70%以上，中國與它們之間還有較大差距。

長峰高電導(dǎo)率合金

長峰集團(tuán)通過產(chǎn)學(xué)研合作，經(jīng)過連續(xù)4年的研制，終于開發(fā)出擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的完全可替代國際同類產(chǎn)品的復(fù)合高電導(dǎo)率鋁合金電力電纜，已于2012年實現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。長峰集團(tuán)采用新配方、新技術(shù)、新工藝研制的復(fù)合高電導(dǎo)率鋁合金電力電纜經(jīng)國家電線電纜質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心檢驗，其各項主要指標(biāo)達(dá)到同類產(chǎn)品的國際先進(jìn)水平。特別在同類工程上可節(jié)約成本30%以上，可滿足國內(nèi)高速發(fā)展的電力、鐵路、通訊等產(chǎn)業(yè)需求。