馮紅芬，王祝堂

(1.山西銀光華盛鎂業(yè)股份有限公司，山西 聞喜 043800; 2.中國(guó)有色金屬加工工業(yè)協(xié)會(huì)，北京 100814)

氫是周期表中第一個(gè)化學(xué)元素，通常氫是雙原子分子(H2)所組成的無(wú)色、無(wú)臭、無(wú)味的氣體。符號(hào)H的氫原子是由單個(gè)正電荷的原子核和單個(gè)電子所組成。氫的原子序數(shù)為1，原子量1.007 97。氫是水和有機(jī)物的主要成分，不僅廣泛地分布于地球上，而且也遍布于宇宙間。氫有3個(gè)同位素：氕，質(zhì)量數(shù)1，構(gòu)成天然元素的99. 98%；氘，質(zhì)量數(shù)2，構(gòu)成天然元素的0.02%；氚，質(zhì)量數(shù)3，存在于自然界的極少，微不足道，但可以用人工方法以不同的核反應(yīng)生產(chǎn)出來(lái)。

地球上只有極少量自由狀態(tài)的氫，在大氣中不到1 ppm?；蠎B(tài)的氫可達(dá)地殼質(zhì)量的0.76%，是第九個(gè)較多的元素；地殼中原子的13.5%是氫，僅次于氧和硅，大部分在海水中，占海水質(zhì)量的10.82%；其他重要所在地是在水化物礦物中、石油礦藏的烴中和一切生物的有機(jī)成分中。氫的熱核反應(yīng)所產(chǎn)生的熱核能是太陽(yáng)及其他星球輻射出來(lái)的能的主要來(lái)源。氫的熔點(diǎn)-259.2 ℃，沸點(diǎn)(1大氣壓)-252.8 ℃，-252 .8 ℃時(shí)液體的密度為0.070 8 g/cm3，-259.2 ℃時(shí)固體的密度0.080 6 g/cm3。

1 氫的制取與用途

氫的原子量為1.007 97，分子量為2.015 94，在0℃和1大氣壓時(shí)的密度為0.089 87 g/L，作為最輕的物質(zhì)，氫在空氣中的浮力為1.205 g/L。許多金屬可吸收氫，鈀在這方面值得特別注意，它可吸收約本身體積1 000倍的氫；氫幾乎不溶于固態(tài)鋁中，但在液態(tài)鋁中的溶解度則劇增，所以鋁熔體中的氣體含量75%以上為氫，在鑄造前必須對(duì)鋁熔體進(jìn)行除氣處理，否則，氫便會(huì)在鑄件或鑄錠中形成氣孔與疏松。

雖然氫是雙原子的，但分子在高溫下分解為自由的單原子，如方程式(1)：

H22H

(1)

氫與氧反應(yīng)成水，如方程式(2)：

2H2+O2→2H2O

(2)

反應(yīng)熱為241 kJ/mol氫。在室溫此反應(yīng)實(shí)際上不會(huì)發(fā)生，在沒(méi)有催化劑時(shí)，氫與氧在300 ℃時(shí)稍有反應(yīng)，在500 ℃以上時(shí)反應(yīng)很快，反應(yīng)的高熱可用于氫氧焰以切割和焊接金屬，以及發(fā)射火箭。

1.1 氫的制備方法

制備氫的方法很多，制備工藝取決于所需的量與要求的純度、原料的利用率和價(jià)格等因素。常用的方法有金屬與水或酸的反應(yīng)、水的電解、蒸氣與烴或與其他有機(jī)物反應(yīng)、烴的熱分解。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，少量氫用鋅和稀鹽酸很容易制備，如方程式(3)；鈉與水反應(yīng)也可制得氫，如方程式(4)，此反應(yīng)很劇烈。

Zn+2HCl → ZnCl2+H2↑

(3)

2Na+2H2O→2NaOH+H2↑

(4)

在工業(yè)中，氫是大規(guī)模生產(chǎn)的。筆者估計(jì)2019年美國(guó)生產(chǎn)的氫超過(guò)1.4×1012m3。目前生產(chǎn)氫的主原料為烴，如天然氣、石油精煉氣、汽油、柴油和原油。在蒸汽-烴的催化重整中，揮發(fā)的烴與蒸氣通過(guò)700 ℃～1 000 ℃的鎳催化劑產(chǎn)生一氧化碳和氫，已成為氫的主要生產(chǎn)工藝(澳大利亞利用劣質(zhì)煤生產(chǎn)氫)，見(jiàn)方程式(5)：

C3H8+3H2O→3CO+7H2O

(5)

在工業(yè)上，氫也可以用溶有氫氧化鉀的水的電解生產(chǎn)，雖然較貴，但所生產(chǎn)的氫有很高的純度(99.9%)，而且副產(chǎn)物為高純氧，總反應(yīng)如方程式(6):

2H2O→2H2+O2

(6)

1.2 氫的用途

目前用氫量最多的是氨合成產(chǎn)業(yè)，合成氨廠(chǎng)通常都建在石油提煉廠(chǎng)或煉焦廠(chǎng)附近，以就近利用它們的副產(chǎn)物氫，否則這些氫會(huì)白白浪費(fèi)掉。氫的另一個(gè)大用途是用于提煉石油，如加氫裂化和氫處理脫硫。大量氫正用于不飽和植物油的催化加氫，以制備固體脂肪。加氫作用也用于制造有機(jī)化學(xué)藥品中，如用酯與甘油酯制造醇、由腈制胺以及由芳烴制環(huán)烷。工業(yè)用甲醇是用氫與一氧化碳制成的。氫與氯反應(yīng)是鹽酸的主要來(lái)源。

當(dāng)前，氫的關(guān)鍵用途是和氧和氟在一起用作發(fā)射航空航天器的火箭燃料，美國(guó)也用它作為核動(dòng)力火箭推進(jìn)劑。這些高端用途使液態(tài)氫的生產(chǎn)工藝及管理得以迅速發(fā)展。液態(tài)氫也用于泡沫以研究核加速器的高能粒子，氫還為氫氧焰和原子氫焰用于焊接和切割金屬提供所需要的高溫。氫在冶煉工業(yè)中用于還原如鎢和鉬等金屬氧化物，在金屬熱處理中和金屬氫化物生產(chǎn)中提供還原氣氛。雖然氫曾大量用于充裝飛船氣囊，但由于發(fā)生幾次災(zāi)難性的爆炸，已被氦取代。若不直接在生產(chǎn)地點(diǎn)使用，氫是在12.2 MPa～15.2 MPa壓強(qiáng)下的氣態(tài)或液態(tài)在隔熱良好的大箱或罐中貯存或運(yùn)送的。

2 液氫燃料時(shí)代蒞臨

發(fā)射火箭用的燃料有固態(tài)的也有液態(tài)的，液態(tài)的有液氫、液氧、煤油等，最早發(fā)射航天器用液氫作燃料的是美國(guó)，其后是日本與歐洲，中國(guó)發(fā)射“天問(wèn)一號(hào)”的“長(zhǎng)五遙四”運(yùn)載火箭用的燃料為液氫、液氧，還有煤油。

日本H-1型火箭如圖1所示，以液氫為燃料，液氧為助燃劑，它們的貯箱是用2219鋁合金板材焊接的，衛(wèi)星流線(xiàn)型外罩是用2014、7075鋁合金制造的，其他主要零部件是用7075、2024鋁合金等制造的。

圖1 日本H-1型火箭Fig.1 Japanese H-1 rocket

2.1 “長(zhǎng)五遙四”火箭的燃料

2020年7月23日12時(shí)41分，中國(guó)的長(zhǎng)征五號(hào)遙四(簡(jiǎn)稱(chēng)“長(zhǎng)五遙四”)火箭將中國(guó)自主研發(fā)的“天問(wèn)一號(hào)”火星探測(cè)器在海南島文昌發(fā)射升空(參見(jiàn)圖2)，火箭飛行2 167 s后，成功將探測(cè)器送入預(yù)定軌道。該探測(cè)器預(yù)計(jì)將在2021年2月11日至24日進(jìn)入火星軌道，環(huán)繞火星飛行，并利用安裝太陽(yáng)能板的火星車(chē)研究火星表面，如果“環(huán)繞、著陸、巡視”都順利完成，中國(guó)將成為繼美國(guó)之后第二個(gè)完成火星漫游的國(guó)家，也是中國(guó)成為首個(gè)一步到位實(shí)現(xiàn)環(huán)繞、著陸并部署火星車(chē)的國(guó)家。

中國(guó)2020年6月23日助力北斗系統(tǒng)第 55顆衛(wèi)星等也是用“長(zhǎng)五遙四”火箭發(fā)射的，它的液氫、液氧貯箱(槽)是用鋁合金制造的，所涉鋁合金板材未見(jiàn)媒體報(bào)道。但其他國(guó)家的液氫、液氧貯箱都是用2219鋁合金制造的。2219鋁合金是美國(guó)鋁業(yè)公司發(fā)明的，美國(guó)最先使用，隨后采用的是歐盟和日本。2219是一種性能優(yōu)秀的高強(qiáng)度低溫鋁合金，生產(chǎn)工藝成熟，它是一種有近70年歷史久經(jīng)考驗(yàn)的合金，其成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)： Si 0.20，F(xiàn)e 0.30， Cu 5.8～6.8，Mn 0.20～0.40，Mg 0.02，Zn 0.10，Ti 0.02～0.10，V 0.05～0.15，Zr 0.10～0.25，其他雜質(zhì)單個(gè)0.05，合計(jì)0.15，其余為Al。

圖2 中國(guó)“長(zhǎng)五遙四”發(fā)射“天問(wèn)一號(hào)”點(diǎn)火升空瞬間Fig.2 The moment of launching of “Tianwen-1” by the Long March 5 Y4

2.2 世界首艘遠(yuǎn)洋液氫運(yùn)輸船下水

2019年12月11日日本推出全球第一艘液氫運(yùn)輸船在日本神戶(hù)的川崎重工業(yè)公司造船廠(chǎng)下水，總噸位8 000 t，它也是世界第一艘液氫鋁合金遠(yuǎn)洋運(yùn)輸船，所謂鋁合金液氫運(yùn)輸船，并不是說(shuō)其船體是用鋁合金材料建造的，而是其上貯氫罐是用鋁合金板材焊接的。該船將把澳大利亞生產(chǎn)的-253 ℃的液氫運(yùn)到日本。氫燃燒不會(huì)產(chǎn)生碳排放，產(chǎn)生的只是水。澳大利亞采用劣質(zhì)煤生產(chǎn)氫，但是如何處理產(chǎn)生的碳，尚未找到最佳辦法，因此，還未達(dá)到真正的全環(huán)保。

2.3 “天問(wèn)一號(hào)”與“長(zhǎng)五遙四”用材中約80%為鋁材

“天問(wèn)一號(hào)”是在活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)上發(fā)射的，是航天科技集團(tuán)中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)公司研制的，高約70 m，相當(dāng)于24層樓的高度；發(fā)射平臺(tái)體上表面積超過(guò)600 m2，相當(dāng)于一個(gè)半籃球場(chǎng)，平臺(tái)自身質(zhì)量近2 000 t?！伴L(zhǎng)五遙四”創(chuàng)造了中國(guó)航天的多項(xiàng)新歷史：標(biāo)志著中國(guó)大火箭正在走向世界航天舞臺(tái)的中央；超過(guò)第二宇宙速度(11.2 km/s)， 從而能前往火星；火星探測(cè)器質(zhì)量5 t，對(duì)運(yùn)載火箭能力提出了極高要求，它的起飛推力超過(guò)1 000 t (10 MN)，承載能力接近25 t，使用的燃料也不同于目前常規(guī)火箭使用的化學(xué)燃料，長(zhǎng)征五號(hào)使用的燃料大部分是-183 ℃的液氧和-253 ℃的液氫，被稱(chēng)為“冰箭”，還用了一部分液氧與煤油，供120 t(1.2 MN)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)用，它的單臺(tái)推力是中國(guó)目前單臺(tái)推力最大的；此外，長(zhǎng)征五號(hào)火箭采用的5 m大直徑箭體結(jié)構(gòu)、全新活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)、三型高性能環(huán)保型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)等大量新技術(shù)，技術(shù)跨度大，研制難度高，代表了中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)創(chuàng)新的最高水平。

在“天問(wèn)一號(hào)”與“長(zhǎng)五遙四”用的材料中，鋁材(含為數(shù)不多的壓鑄與鑄造用的重熔用錠)用量估計(jì)占全部用材量的80%以上，箭體結(jié)構(gòu)材與燃料箱等大部件都是鋁合金制的，“長(zhǎng)五遙四”火箭用的鋁材與“長(zhǎng)五遙三”火箭用的相同，不管是鋁材還是銅材都是中鋁集團(tuán)提供的：環(huán)鍛的直徑5 m級(jí)鍛件和很多大規(guī)格板材是西南鋁業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司提供的；高強(qiáng)機(jī)體環(huán)鍛件、貯箱板材、關(guān)鍵結(jié)構(gòu)連接件型材及承壓導(dǎo)油管材等是東北輕合金有限責(zé)任公司生產(chǎn)的；西北鋁業(yè)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的有關(guān)鍵結(jié)構(gòu)連接型材等。

中鋁洛陽(yáng)銅加工有限公司提供了自主研發(fā)的高溫銅合金材料，而大尺寸銅-鋯合金則是中鋁沈陽(yáng)有色金屬加工有限公司生產(chǎn)的。此外，西南鋁業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司為探測(cè)器本體提供的材料有蒙皮板材、自由鍛件、超大規(guī)格板材、鍛環(huán)、鋁-鋰合金等高端材料，分布于“天問(wèn)一號(hào)”的各個(gè)部件上。

2.4 歐洲2035年實(shí)現(xiàn)氫能源客機(jī)商業(yè)化

歐洲在推動(dòng)航空業(yè)向氫能源轉(zhuǎn)型。低碳化是民用航空業(yè)面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，全球民用航空業(yè)2019年排放的CO2超過(guò)9億t，若年增長(zhǎng)率按3.5%，燃油效率每年提高2%匡算，那么2050年排放的C02量可達(dá)18.3億t。為此，國(guó)際民航組織(ICAO)、國(guó)際航空運(yùn)輸協(xié)會(huì)(IATA)等近些年來(lái)不斷提高環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，促使航空企業(yè)的發(fā)展必須與其相適應(yīng)。2009年，IATA設(shè)定了航空業(yè)艱巨的減排目標(biāo)：2020年前燃油效率年平均提高1.5%，2020年達(dá)到碳中和，2050年航空運(yùn)輸業(yè)碳排放減少50%。歐盟也通過(guò)綠色航空相關(guān)政策，設(shè)定了碳排放目標(biāo)。

與電動(dòng)汽車(chē)類(lèi)似，綠色新能源客機(jī)的發(fā)展也呈現(xiàn)出多條技術(shù)發(fā)展路線(xiàn)。近期一些歐洲國(guó)家與工業(yè)界正共同加速氫能源客機(jī)的研發(fā)，力爭(zhēng)在2035年實(shí)現(xiàn)氫能源客機(jī)商業(yè)化，實(shí)現(xiàn)極為激進(jìn)的民用飛機(jī)降低碳排放時(shí)間表。

2020年6月9日，法國(guó)政府宣布將為民用航空制造業(yè)提供80億歐元的救助計(jì)劃(對(duì)法航還另?yè)?0億歐元)，用于應(yīng)對(duì)新冠肺炎給航空業(yè)帶來(lái)的影響，并加速現(xiàn)有向可持續(xù)燃料過(guò)渡的計(jì)劃，要求主制造商在今后3年內(nèi)開(kāi)發(fā)一款氫能源動(dòng)力窄體客機(jī)，并計(jì)劃在2033年～ 2035年投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)。

中國(guó)航空工業(yè)發(fā)展研究中心(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“發(fā)展中心”)在歐盟框架計(jì)劃資助下聯(lián)合完成了《2050年前氫動(dòng)力航空的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和氣候影響：一項(xiàng)基于事實(shí)的研究》建議：一是立即啟動(dòng)氫推進(jìn)技術(shù)研究的必要性；二是完成研究與創(chuàng)新技術(shù)路線(xiàn)圖。建議將關(guān)鍵研究活動(dòng)分為三個(gè)階段：2020年～2028年發(fā)展基礎(chǔ)性技術(shù)，促使通勤飛機(jī)通過(guò)認(rèn)證，實(shí)現(xiàn)支線(xiàn)和短程氫能飛機(jī)成功試飛；2028年～2030年，R&I活動(dòng)應(yīng)集中擴(kuò)大各種組件的規(guī)模，將其應(yīng)用于中程飛機(jī)，并使其投入使用； 2035年～2050年，開(kāi)發(fā)中型和可能的遠(yuǎn)航程概念機(jī)和首批原型機(jī)，包括新的革命性飛機(jī)設(shè)計(jì)以及用于大規(guī)模燃料供應(yīng)和氫能快速加注新技術(shù)。

空客公司在線(xiàn)上2020年范堡羅航展(FIA ConNECT)期間表示，已將氫能源視為是實(shí)現(xiàn)其最終可持續(xù)目標(biāo)所必需開(kāi)發(fā)的多種方法之一。計(jì)劃在21世紀(jì)30年代向市場(chǎng)推出一款零排放的氫能客機(jī)。氫可以由太陽(yáng)能或風(fēng)能產(chǎn)生，其能量可以通過(guò)燃料電池驅(qū)動(dòng)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)或混合電動(dòng)飛機(jī)?？湛凸具€認(rèn)為，機(jī)場(chǎng)還必須為21世紀(jì)30年代的氫動(dòng)力飛機(jī)做好準(zhǔn)備。羅羅公司與電力公司正在研究氫能在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用。

3 鋁合金是制造與超低溫相關(guān)裝備的理想材料

無(wú)論是鑄造壓鑄鋁合金、加工變形鋁合金，還是鋁基復(fù)合材料都沒(méi)有低溫脆性，也就是說(shuō)它們的塑性、成形性與強(qiáng)度性能一樣均隨著溫度的降低而同步上升，所以是100%地沒(méi)有低溫脆性的，而98%以上的鋼是有低溫脆性的，只有很少的含錳和鎳的鋼沒(méi)有低溫脆性。因此，單就這一點(diǎn)來(lái)說(shuō)，任何鋁合金都可用于制造與低溫相關(guān)的各種裝備的所有零部件，例如液氧設(shè)備(-183 ℃)、液氫(-253 ℃)、 液化天然氣設(shè)備，運(yùn)輸與貯存它們的容器、管道等。

3.1 幾種變形鋁合金的低溫性能

一些變形鋁合金的低溫力學(xué)性能如表1所列。低溫裝備用的鑄造鋁合金主要是356-T6、A356-T6鋁合金，它們是Al-Si-Mg系合金，用于壓鑄零件。356鋁合金的成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)：Cu 0.25， Mg 0.20～0.40，Mn 0.35，Zn 0.35，F(xiàn)e 0.6， Si 6.5～7.5， Ti 0.25，其余Al；A356鋁合金的雜質(zhì)含量低一些，是一種較為純凈的合金，它的成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)： Cu 0.20， Mg 0.20～0.40， Mn 0.10，Zn 0.10， Fe 0.20，Si 6.5～7.5，Ti 0.2, 其余Al。

3.2 低溫裝備的兩大支柱鋁合金

最典型與廣泛應(yīng)用的超低溫變形鋁合金有5083、2219、 2024、7075鋁合金等，特別是5083與2219鋁合金，貯存液氫、液氧、液化天然氣的大罐、箱、槽等幾乎全是5083鋁合金焊接的，發(fā)射航天器的液氫、液氧槽則是用2219鋁合金板焊接的；航天器及其發(fā)射裝備的一些受力結(jié)構(gòu)件大多是用2024型與7075型鋁合金制造的。

表1 常用變形鋁合金的低溫力學(xué)性能Table 1 Low temperature mechanical properties of commonly-used wrought aluminum alloys

續(xù)表1

3.2.1 5083鋁合金

5083鋁合金是Al-Mg系合金的典型合金，有良好的可焊性、抗蝕性、加工成形性與低溫性能，抗拉強(qiáng)度在Al-Mg系合金中屬中等，焊接接頭強(qiáng)度幾乎與O狀態(tài)基體材料的相等，它的低溫韌性也很好。但5083鋁合金不可熱處理強(qiáng)化，為防止“時(shí)效軟化”和穩(wěn)定抗蝕性，半成品應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定化處理；為彌補(bǔ)重復(fù)退火時(shí)屈服強(qiáng)度的降低，最終冷變形量應(yīng)大于50%。

5083鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)： Mg 4.0～4.9，Mn 0.4～1.0，Cr 0.05～0.25， Fe 0.40，Si 0.40，Zn 0.25，Ti 0.15，其他雜質(zhì)單個(gè)0.05、合計(jì)0.15， 其余Al。室溫時(shí)主要相組成物α-Al、β(Mg5Al8)、Al6Mg、Al7Cr，可能的雜質(zhì)相有Mg2Si、Al3Fe， TiAl3(Fe，Mn)Al5等。

鎂是主要的強(qiáng)化元素，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化和提高加工硬化率。鎂在鋁中的固溶度隨溫度升降而有變化，但沉淀過(guò)渡相β與基體不共格，所以無(wú)明顯的沉淀硬化作用。β相傾向于緩慢地沉淀在滑移帶和晶界上，降低固溶強(qiáng)化作用，且在腐蝕條件下引起晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，因此冷加工后應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定化退火，促進(jìn)β相均勻地在晶內(nèi)和晶界沉淀，穩(wěn)定合金的力學(xué)性能和抗蝕性。錳、鉻提高再結(jié)晶溫度，并有輔助強(qiáng)化作用，鈦細(xì)化鑄造組織和焊縫組織。鐵、硅、鋅為雜質(zhì)。5083鋁合金的典型力學(xué)性能見(jiàn)表2。

表2 5083鋁合金的室溫典型力學(xué)性能Table 2 Typical mechanical properties of 5083 aluminum alloy at room temperature

5083鋁合金20 ℃時(shí)密度 2 640 kg/m3；熔化溫度568 ℃～638 ℃；20 ℃時(shí)比熱容904 J/(kg·K)； 20 ℃時(shí)熱導(dǎo)率：O狀態(tài)材料的120 W/(m·K)，H狀態(tài)材料的112 W/(m·K)；20℃時(shí)體脹系數(shù)70×10-6m3/(m3·K)，平均線(xiàn)脹系數(shù)：(-50 ℃～20 ℃)為22.5 μm /(m·K)，(20 ℃～100 ℃)為24.1 μm /(m·K)，(20 ℃～200 ℃)為25.2 μm/(m·K)，(20 ℃～300 ℃)為26.1 μm /(m·K)。

20 ℃時(shí)5083鋁合金的導(dǎo)電率(%IACS)：O狀態(tài)的等體積的為29，等重量的為91，硬狀態(tài)的等體積的為27，等重量的為98。20 ℃時(shí)的電阻溫度系數(shù)為0.1 nΩ·m/K。25 ℃時(shí)在每升含53 g NaCl+3 g H2O2的電解液中對(duì)0.1 N甘汞電極的電極電位為-0.91 V。

5083鋁合金的可切削性中等，可采用高速鋼或硬質(zhì)合金刀具，刃部輪廓參數(shù)：前傾角40°～50°，橫向后角8°～ 10°，橫向前角10°～ 20°。對(duì)于大多數(shù)切削加工，采用乳化油或煤油或煤油-豬油混合物作切削液，在高速鉆孔時(shí)宜采用黏度大的油作潤(rùn)滑劑。

5083鋁合金有良好的可焊性，可采用各種工藝焊接，電弧焊最好，電阻焊接O狀態(tài)材料需要更高的焊接技術(shù)，氣焊需用熔劑保護(hù)，焊后仔細(xì)清除熔劑，其他鋁合金很少采用釬焊，現(xiàn)在也可以用于焊接5083鋁合金。由于5083鋁合金的含鎂量較高，所以焊接裂紋敏感性比低鎂合金的小，同時(shí)含有鈦，對(duì)焊接有利，焊縫強(qiáng)度與O狀態(tài)基體材料的相近，低溫下焊縫的強(qiáng)度與基體材料的一樣，不僅未降低，反而提高，焊接填充金屬可采用含鎂量稍高的5056鋁合金，5083鋁合金是鋁合金中最基本的焊接結(jié)構(gòu)材料。

經(jīng)正確熱處理后的5083鋁合金各種狀態(tài)材料都有良好的抗蝕性，對(duì)大氣、淡水、海水、酒精、汽油、有機(jī)酸、各種食品等都有高的抗蝕能力。5083鋁合金材料在實(shí)際使用中沒(méi)有因應(yīng)力腐蝕而失效的例子，但在實(shí)驗(yàn)室樣品中可以造成應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。

5083鋁合金的熔煉溫度700 ℃～750 ℃，熱加工溫度515 ℃～525 ℃，典型退火溫度345 ℃，爐內(nèi)合金到溫控點(diǎn)后可立即出爐，不需要保溫，冷卻速度也無(wú)限制。穩(wěn)定化退火溫度120 ℃～150 ℃。

5083鋁合金主要加工板材和棒材，還有管材與鍛件。 基本用場(chǎng)為航空航天器零部件、防火壓力罐、低溫液態(tài)物質(zhì)貯存罐、低溫實(shí)驗(yàn)站設(shè)備、自動(dòng)卸貨卡車(chē)車(chē)身、艦艇殼體、遠(yuǎn)洋艦舶上層建筑、鉆井設(shè)備、電視塔、電訊發(fā)射接收塔，以及各種要求中等強(qiáng)度、耐蝕又需要焊接的結(jié)構(gòu)件。

3.2.2 2219鋁合金

2219鋁合金是一種有近70年悠久歷史的老合金，至今仍在廣為應(yīng)用的鋁-銅-錳系合金,既是高溫合金，又是一種低溫合金。它含(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Cu6.0～7.0，Mn0.40～0.8，Ti0.10～0.2；其主要相組成為α-Al、Al2Cu、T(Cu2Mn3Al20)、Al3Ti，可能的雜質(zhì)相為α-Fe2SiAl3、AlMnSiFe等。

該合金的主要合金化元素為銅和錳，銅形成θ相和T相，它們都有較高的強(qiáng)化作用和耐熱性。錳除有補(bǔ)充強(qiáng)化作用外，主要是提高合金的耐熱性能。錳在鋁中的擴(kuò)散系數(shù)小，且能減慢其他溶質(zhì)的擴(kuò)散，阻礙再結(jié)晶；參與形成T相，T相的耐熱性能比S相的強(qiáng)，加上T相沉淀和長(zhǎng)大緩慢，因而可提高合金的耐熱性能。錳含量過(guò)高則會(huì)降低合金的抗蝕性和可焊性。鎂雖有一定的室溫強(qiáng)化作用，但溫度升高則強(qiáng)化作用明顯下降，且損壞合金的可焊性，故鎂被視為雜質(zhì)。鈦和鋯能細(xì)化鑄造組織，提高再結(jié)晶溫度。鐵、硅、鋅作為不可避免的雜質(zhì)予以控制。

2219鋁合金的室溫典型力學(xué)性能見(jiàn)表3。

表3 2219鋁合金的室溫典型力學(xué)性能Table 3 Typical mechanical properties of 2219 aluminum alloy at room temperature

20 ℃時(shí)2219鋁合金的密度2 840 kg/m3；熔化溫度543 ℃～643 ℃；比熱容864 J/(kg·K)；熱導(dǎo)率(W/(m·K))：O狀態(tài)的為170，T9和T10狀態(tài)為130；體脹系數(shù)為65×106/(m3·K)，-50 ℃～20 ℃的平均線(xiàn)脹系數(shù)為20.8 μm/(m·K)，20 ℃～100 ℃的為22.5 μm/(m·K)。

20 ℃時(shí)的導(dǎo)電率/%IACS：

O狀態(tài)，等體積的為44， 等質(zhì)量的為138；

H狀態(tài)，等體積的為28， 等質(zhì)量的為88；

T6狀態(tài)，等體積的為37， 等質(zhì)量的為120；

T9狀態(tài)，等體積的為30， 等質(zhì)量的為94。

20 ℃時(shí)，2219鋁合金的電阻率/(nΩ·m)：O狀態(tài)的為39，H狀態(tài)的為62，T4及T6狀態(tài)的為57。電阻溫度系數(shù)(20 ℃)0.1(nΩ·m)/K。 25 ℃時(shí)在53 g NaCl+3 g H2O2的水溶液中，對(duì)0.1N甘汞電極的電位：T6狀態(tài)的為-0.64 V，T4及T9狀態(tài)的為-0.80 V。

2219鋁合金有良好的可切削性能， O狀態(tài)材料的稍差，其他狀態(tài)材料在變形鋁合金中可算是好的。該合金有良好的可焊性能，但所有狀態(tài)材料都不能夠釬焊，O狀態(tài)材料不能氣焊，點(diǎn)焊、滾焊也較難，其他狀態(tài)材料都可以氣焊、點(diǎn)焊、滾焊、氬弧焊，這是2219鋁合金比2024型、2014型、7075型鋁合金優(yōu)越之處。

2219鋁合金零部件自身的相互連接可采用基體材料作填充金屬，采用含鈦量稍高(質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.15%)的更好，這對(duì)焊縫的強(qiáng)度、塑性、抗蝕性更為有利。與其他基體材料焊接時(shí)應(yīng)采用合適的焊絲，以減少焊接裂縫。2219鋁合金雖有良好的可焊性，但焊縫的抗蝕性還比較低。

由于2219鋁合金含銅量高，所以抗蝕性較低，比2024鋁合金的還低，不能在無(wú)保護(hù)條件下使用。板材可以包鋁，但由于基體含銅量高，易于擴(kuò)散，因此包鋁的保護(hù)作用效果降低。T6狀態(tài)材料有應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂傾向。焊縫過(guò)渡區(qū)抗蝕性也很低。因此必須進(jìn)行陽(yáng)極化處理或涂漆保護(hù)。

2219鋁合金的熔煉溫度700 ℃～750 ℃；鑄造溫度700 ℃～730 ℃，扁錠的取下限，圓錠的取上限；均勻化退火溫度525 ℃；熱軋溫度390 ℃～440 ℃，最佳420 ℃；擠壓溫度420 ℃～460 ℃；鍛造溫度400 ℃～460 ℃；退火溫度415 ℃；固溶處理溫度535 ℃±5 ℃；過(guò)燒溫度545 ℃；人工時(shí)效規(guī)范165 ℃～190 ℃、18 h～36 h，時(shí)間與溫度的組合可根據(jù)產(chǎn)品要求的性能來(lái)確定。

2219鋁合金既是耐熱合金又是一種超低溫合金，可用于制造在315 ℃以下工作的高溫結(jié)構(gòu)件和高強(qiáng)度焊接件，如發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)輪、壓氣機(jī)葉片、超聲速飛機(jī)結(jié)構(gòu)件。也用于制造超低溫工作的結(jié)構(gòu)件，如液氫、液氧設(shè)備、火箭發(fā)射燃料液氫、液氧的貯箱，運(yùn)輸這些超低溫物質(zhì)的槽、罐。美國(guó)、日本、歐盟發(fā)射航天器的火箭燃料貯箱都是用2219鋁合金板材焊接的。中國(guó)發(fā)射火星探測(cè)器“天問(wèn)一號(hào)”的“長(zhǎng)五遙四”火箭的液氫、液氧貯箱鋁材是西南鋁業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司提供的，但用的是什么型號(hào)合金，未見(jiàn)媒體報(bào)道。

4 結(jié)束語(yǔ)

液氫燃料時(shí)代來(lái)了，氫是一種貨真價(jià)實(shí)的環(huán)保燃料，燃燒時(shí)僅產(chǎn)生H2O，是未來(lái)的主要燃料之一。生產(chǎn)液氫、液氧的制氫機(jī)、制氧機(jī)，制造貯存與運(yùn)輸它們的箱、槽、罐用的各種鋁材中國(guó)都能生產(chǎn)，生產(chǎn)能力除滿(mǎn)足本國(guó)的需求外，還可以大量出口，而且其各項(xiàng)性能指標(biāo)都達(dá)到航空航天級(jí)別標(biāo)準(zhǔn)。氫燃料的貯液氫箱、液氧箱可以用2219鋁合金或其他鋁合金制造，但2219鋁合金的抗拉強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和斷裂韌性還顯得低了一些，如果能研發(fā)出一種這些性能比 2219鋁合金的高40%以上，而其他性能又比2219鋁合金的略勝一籌的新合金那就完美無(wú)缺了，研發(fā)新型的液氫燃料飛機(jī)所需的鋁材是鋁工業(yè)面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。