Nhôm là nguyên tố kim loại phổ biến nhất trong lớp vỏ trái đất. Đây là kim loại màu có sản lượng và sử dụng lớn thứ hai trên thế giới sau thép. Nhôm có mật độ thấp, khoảng 1/3 thép. Vì nhôm nguyên chất mềm và có độ bền thấp, do đó, bằng cách thêm một lượng nhỏ các nguyên tố như magiê, đồng, kẽm, silic và liti vào nhôm, hiệu suất của hợp kim nhôm sẽ tốt hơn. Hợp kim nhôm là vật liệu kết cấu kim loại màu được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghiệp vì tính chất cơ học và khả năng chống ăn mòn tuyệt vời của chúng. Chúng đã được sử dụng rộng rãi trong các ngành xây dựng, hàng không vũ trụ, ô tô, sản xuất máy móc, đóng tàu và hóa chất.
Hợp kim nhôm có những tính chất tuyệt vời về cơ học và hóa học:
① Về mặt cơ học, chủ yếu thể hiện ở mật độ thấp, độ bền cao, mô đun cao, v.v. Nhôm có mật độ thấp và nhẹ hơn các kim loại khác, chỉ bằng 1/4 thép nên phù hợp sử dụng trong các lĩnh vực có yêu cầu cao về trọng lượng nhẹ;
② Về tính chất hóa học, vì hợp kim nhôm có thể hình thành lớp màng oxit dày đặc trên bề mặt trong không khí, nên có thể tự bảo vệ mình khỏi quá trình oxy hóa sâu. Do đó, nó có khả năng chống ăn mòn tuyệt vời và thành phần hóa học rất ổn định.
③Hợp kim nhôm có độ dẻo tốt, có thể gia công thành nhiều hình dạng khác nhau, có tính dẫn điện và dẫn nhiệt tốt, do đó được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, chỉ đứng sau thép.
Hiện nay, trong ngành có hơn 250 loại hợp kim nhôm với các thành phần khác nhau. Để thuận tiện cho việc phân biệt, theo các thành phần hợp kim khác nhau, Trung Quốc áp dụng phương pháp phân loại cấp độ bốn chữ số được quốc tế chấp nhận để tạo điều kiện thuận lợi cho việc đánh dấu địa điểm sản xuất, quản lý bộ nhớ và tính toán. Các hợp kim nhôm được sử dụng trong ngành công nghiệp quân sự chủ yếu bao gồm hợp kim nhôm-lithium, hợp kim nhôm loại 2XXX (A1-Cu-Mg) và hợp kim nhôm loại 7XXX.
Nhu cầu thị trường và xu hướng phát triển của các loại vật liệu hợp kim nhôm
Hợp kim nhôm dòng 2XXX
Hợp kim nhôm loại 2XXX (A1-Cu-Mg) có độ bền kéo, độ dẻo dai và độ bền mỏi cao, khả năng chịu nhiệt, tính chất gia công và hàn tốt, được sử dụng rộng rãi trong các ngành hàng không vũ trụ, ô tô và vũ khí. Các loại chính là 2A01, 2A02, 2A06, 2A11, 2A12, v.v. Một loạt hợp kim đã được phát triển để cải thiện độ bền, độ dẻo dai và khả năng chịu hư hỏng, chẳng hạn như hợp kim 2024, 2124, 2524, 2324, v.v.
Các mẫu thiết bị của Trung Quốc đang phát triển theo hướng nhẹ, tuổi thọ cao, độ tin cậy cao và chi phí thấp, đồng thời có yêu cầu cao về độ bền gãy, khả năng chống lan truyền vết nứt và khả năng chống ăn mòn của vật liệu vỏ thân máy bay. Dựa trên tấm hợp kim nhôm dày 2024-T351, các nước ngoài đã phát triển 2324, 2624 và các hợp kim nhôm có khả năng chịu hư hỏng cao khác nhau cho bề mặt cánh dưới với độ bền, độ bền, khả năng chống mỏi và chống ăn mòn khác nhau, và đã đạt được lắp đặt và ứng dụng. Trung Quốc đang phát triển hợp kim nhôm sê-ri 2XXX có khả năng chịu hư hỏng cao. Trong tương lai, hợp kim vi mô tổng hợp sẽ là một hướng phát triển quan trọng đối với hợp kim nhôm cường độ cao sê-ri Al-Cu-Mg.
Hợp kim nhôm dòng 4XXX
Hiện nay, hợp kim Al-Si eutectic và hypoeutectic chủ yếu được sử dụng cho piston ô tô tại Trung Quốc. Tuy nhiên, với sự cải thiện liên tục của các yêu cầu về hiệu suất động cơ, rất khó để đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất. Hợp kim Al-Si hypereutectic có mật độ thấp, hệ số giãn nở tuyến tính nhỏ, khả năng chống mài mòn và độ ổn định thể tích cao hơn và là vật liệu piston lý tưởng hơn so với hợp kim Al-Si eutectic. Piston hợp kim Al-Si hypereutectic đã được sản xuất hàng loạt ở nước ngoài và được ứng dụng vào xe tải và ô tô, chẳng hạn như hợp kim A390 tại Hoa Kỳ, hợp kim AC9A và AC8A (ZL109) tại Nhật Bản và hợp kim A390 tại Úc. Tuy nhiên, hiện nay có rất ít nhà sản xuất tại Trung Quốc sản xuất piston hợp kim Al-Si hypereutectic và hầu hết đều phụ thuộc vào nhập khẩu. Ngoài ra, có một khoảng cách lớn giữa vật liệu hợp kim nhôm tăng áp ô tô và nước ngoài. Vật liệu hợp kim nhôm tăng áp ô tô hiệu suất cao chủ yếu phụ thuộc vào Nhật Bản và các nước khác. Do đó, việc phát triển các vật liệu hợp kim nhôm ô tô quan trọng cho piston hiệu suất cao và cánh quạt tăng áp là điều bắt buộc.
Hợp kim nhôm dòng 5XXX
Hợp kim Al-Mg, đặc biệt là hợp kim Al-Mg có hàm lượng Mg cao, có độ bền riêng cao, khả năng hàn và chống ăn mòn tốt, sẽ trở thành vật liệu có tính cạnh tranh cao trong tương lai trong ngành hàng không vũ trụ, tàu cao tốc, đại dương và các lĩnh vực khác. Hiện nay, các tấm hợp kim Al-Mg, hồ sơ và dây hàn cho ngành hàng không vũ trụ, tàu hỏa, đại dương và các ứng dụng khác chủ yếu dựa vào nhập khẩu. Thị trường dây hàn cao cấp về cơ bản do ALCOA độc quyền tại Hoa Kỳ. Hợp kim ER5183 và ER5356 chủ yếu dựa vào nhập khẩu, và khối lượng nhập khẩu chiếm khoảng 70% doanh số bán hàng của họ. Hợp kim Al-Mg cho tàu thủy chủ yếu dựa vào Nga. Các thỏi hợp kim thông thường có hàm lượng Mg cao có các nhánh cây phát triển tốt, sự phân tách pha eutectic nghiêm trọng và hiệu suất tạo hình kém. Các phương pháp gia công hiện tại vẫn còn nhiều vấn đề, chẳng hạn như hiệu suất thấp, chất lượng biểu kiến kém, quá trình dài, chất lượng không ổn định và năng suất thấp. Quá trình đông đặc và tạo hình dưới tốc độ nhanh có thể ức chế sự kết tủa của Mg, đồng thời có thể được điều chỉnh để thu được các tinh thể đẳng trục mịn và các pha kết tủa nano, cải thiện đáng kể hiệu suất và tính đồng nhất của vật liệu. Do đó, việc phát triển công nghệ đùn và cán liên tục lưu biến dưới tốc độ nhanh cho hợp kim Al-Mg hiệu suất cao dự kiến sẽ đáp ứng được nhu cầu về hợp kim Al-Mg chất lượng cao.
Hợp kim nhôm dòng 6XXX
Vật liệu hợp kim nhôm dòng 6XXX là vật liệu chủ chốt trong các lĩnh vực vận tải đường sắt, ô tô, điện tử, v.v. Từ những năm 1980, các nước và khu vực phát triển như Châu Âu, Hoa Kỳ và Nhật Bản đã phát triển hợp kim nhôm cho ô tô, các loại đã đăng ký như 6009, 6016, 6010, 6111, 6022 và 6082, và hình thành một hệ thống sản xuất và ứng dụng tương đối hoàn chỉnh cho các tấm thân xe ô tô, đùn, rèn, v.v. Nghiên cứu và phát triển công nghiệp hóa các tấm thân xe và rèn hợp kim nhôm dòng 6XXX tại Trung Quốc mới bắt đầu và còn một khoảng cách rõ ràng. Bộ Công nghiệp và Công nghệ thông tin Trung Quốc đã đề xuất rằng các tấm hợp kim nhôm ô tô sẽ được phát triển là: 6016-S, 6016-IH, 6016-IBR, 6A16-S, 6A16-IBR, 6022, v.v. Tấm hợp kim nhôm sê-ri 6XXX điển hình có độ giãn dài A50 không nhỏ hơn 25%, giá trị r không nhỏ hơn 0,60, giới hạn chảy khi đỗ xe 60 ngày Rp0,2 không nhỏ hơn 140 N/mm2 và gia số giới hạn chảy khi làm cứng sơn không nhỏ hơn 80 N/mm2. Để đáp ứng các nhu cầu khác nhau, việc phát triển công nghệ thiết kế, chế tạo và gia công hợp kim nhôm sê-ri 6XXX đã trở thành xu hướng phát triển tất yếu.
Hợp kim nhôm dòng 7XXX
Hợp kim nhôm series 7XXX có khả năng chống ăn mòn ứng suất tốt và là series mạnh nhất trong số các hợp kim nhôm. Chúng được công nhận trên toàn thế giới là vật liệu xương sống của ngành hàng không. Gần đây, các nước ngoài đã phát triển hợp kim 7055 (Al8Zn-2.05Mg-2.3Cu-0.16Zr), có ứng suất chảy vượt quá 620 MPa ở trạng thái T77511. Nó được sử dụng trong máy bay Boeing 777 và giảm trọng lượng 635 kg. Hiện tại, Trung Quốc thiếu công nghệ thiết kế hợp kim và chế biến và chế biến hợp kim có hệ thống cho hợp kim nhôm series 7XXX dùng cho hàng không và một số sản phẩm hoàn toàn phụ thuộc vào nhập khẩu. Do các thỏi hợp kim nhôm series 7XXX quy mô lớn có nhiều thành phần hợp kim, phạm vi đông đặc rộng, ứng suất đúc lớn và dễ bị oxy hóa/phân tách các thành phần hợp kim, chất lượng luyện kim của các thỏi kém và hiệu suất tạo hình ở nhiệt độ phòng thấp, việc phát triển hợp kim nhôm series 7XXX mới có ý nghĩa rất lớn.
Hợp kim nhôm-lithium (Al-Li)
Hợp kim nhôm-lithium là vật liệu nhẹ phát triển nhanh nhất trong các vật liệu hàng không trong những năm gần đây. Nó có các đặc điểm là mật độ thấp, mô đun đàn hồi cao, độ cứng riêng cao, hiệu suất mỏi tốt và khả năng chống ăn mòn. Sau khi thay thế các hợp kim nhôm thông thường, khối lượng có thể giảm 10% ~ 20% và độ cứng có thể tăng 15% ~ 20%. Vào đầu thế kỷ 21, công ty ALCOA của Mỹ đã đưa ra “Kế hoạch ALCOA Aviation 20/20”, với mục tiêu giảm 20% chi phí và trọng lượng của hợp kim nhôm hàng không trong vòng 20 năm. Constellium đã phát triển hợp kim nhôm-lithium 2050 và 2198 (Al-Cu-Li-Mg-Ag) có mật độ thấp, độ dẻo dai cao và khả năng chịu hư hỏng cao. Có rất ít loại hợp kim Al-Li được phát triển độc lập tại Trung Quốc và chỉ có hợp kim 1420 được sử dụng. Hợp kim nhôm-lithium được sử dụng trong máy bay chở khách C919 do Alcoa cung cấp. Trong nước, chỉ có thể sản xuất được các loại hợp kim hạn chế như 1420, 2195, 2197 và 2A97, và các thỏi chỉ là thỏi phẳng dưới ((310~400)×1280×4000) mm và thỏi tròn dưới φ650 mm. Các thỏi phẳng (2B16) có độ dày hơn 60 mm và chiều rộng hơn 1500 mm, và các thỏi (2B16) có đường kính hơn 1500 mm trong lĩnh vực ứng dụng hàng không cao cấp vẫn chưa được sản xuất công nghiệp. Do đó, việc phát triển thiết kế hợp kim nhôm-lithium mới, chế tạo thỏi siêu lớn và công nghệ gia công sâu có ý nghĩa rất lớn.
Hợp kim nhôm chịu nhiệt
Hợp kim nhôm chịu nhiệt là vật liệu cơ bản quan trọng trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, ô tô, vận tải đường sắt, v.v. bằng cách điều chỉnh các nguyên tố như Si, Fe, Ni, Ag và đất hiếm để tạo ra hợp kim nhôm chống oxy hóa và biến dạng ở nhiệt độ cao. Hợp kim nhôm chịu nhiệt truyền thống bao gồm: 2519, 2618, 2219, 2D70, v.v. Với sự phát triển nhanh chóng của ngành hàng không vũ trụ và ô tô, các yêu cầu cao hơn được đặt ra đối với hợp kim nhôm chịu nhiệt. Thế hệ máy bay chiến đấu mới có tốc độ bay cao và nhiệt độ hoạt động của lớp vỏ thân máy bay là trên 150°C. Hiện nay, nhiệt độ sử dụng lâu dài của hợp kim nhôm chịu nhiệt như 2618 và 2D70 là dưới 150°C. Việc phát triển hợp kim nhôm chịu nhiệt mới là bắt buộc.
Hợp kim Al-Sc có hàm lượng scandium (Sc) cực thấp
Hợp kim Al-Sc có các đặc tính tuyệt vời như độ bền cao, độ dẻo tốt và khả năng chống ăn mòn, và đã trở thành thế hệ vật liệu nhẹ mới cho hàng không vũ trụ, tàu thủy, v.v. sau hợp kim Al-Li. Độ bền kéo của hợp kim Al-Mg chứa một lượng nhỏ scandium cao hơn 30% so với hợp kim 5083 và giới hạn chảy cao hơn gấp đôi. Khả năng hàn của nó tương đương với hợp kim sê-ri 5XXX thông thường, các đặc tính cơ học của vùng chịu nhiệt và mối hàn gần bằng với các đặc tính của ma trận và khả năng chống ăn mòn của nó tương đương với hợp kim 5083. Việc thay thế hợp kim sê-ri 5XXX hoặc 6XXX trong sản xuất các thành phần hàng không vũ trụ có thể đạt được hiệu quả giảm trọng lượng đáng kể và nó cũng là vật liệu vượt trội cho ô tô và phương tiện đường sắt. Nga là nước đi đầu thế giới trong việc phát triển hợp kim nhôm chứa scandi, đã hình thành các hợp kim Al-Mg-Sc, Al-Mg-Li-Sc, Al-Zn- MgSc, Al-Zn-Mg-Cu-Sc và Al-Cu-Mg-Sc với hàm lượng scandi từ 0,18%~0,5%. Để thúc đẩy ứng dụng hợp kim nhôm-scandi trong hàng không vũ trụ và ô tô, Bộ Công nghiệp và Công nghệ thông tin Trung Quốc đã đưa hợp kim nhôm chứa scandi vào danh sách một trong những vật liệu mới ưu tiên phát triển. Trung Quốc giàu tài nguyên scandi và đã xây dựng dây chuyền sản xuất chiết xuất oxit scandi có độ tinh khiết cao, đặt nền móng cho sự phát triển của hợp kim nhôm-scandi.
Hợp kim nhôm dập nóng cấp 500 MPa cho ô tô
Trung Quốc vẫn còn thiếu vật liệu hợp kim nhôm cường độ cao dập nóng. Sự kết hợp giữa vật liệu mới và phát triển quy trình tạo hình mới là biện pháp hiệu quả để giải quyết vấn đề tạo hình các bộ phận ô tô hợp kim nhôm cường độ cao. Tập trung vào hợp kim loại 7XXX, tích cực khai thác hợp kim 2XXX và phát triển vật liệu hợp kim nhôm cấp 500 MPa để dập nóng có triển vọng quan trọng trong sản xuất các bộ phận ô tô có hình dạng phức tạp.
Vật liệu composite nền nhôm
Tấm composite nhiều lớp nhôm-thép: Sự kết nối hiệu quả giữa sàn nhôm và thép đã trở thành một trong những hạn chế đối với việc giảm trọng lượng của các kết cấu thượng tầng của tàu lớn. Mối nối chuyển tiếp composite nhôm-thép được sử dụng để hàn giữa thân tàu bằng nhôm và thép cung cấp một giải pháp thay thế cho quy trình tán đinh truyền thống. Honda đã phát triển một công nghệ ghép thép và nhôm sẽ được sử dụng trên toàn cầu trong khung xe sản xuất hàng loạt. Hiện tại, các mối nối composite nhôm-thép được sử dụng tại Trung Quốc chủ yếu được nhập khẩu từ nước ngoài, với giá cao tới 4×10 5 CNY/tấn. Với các tàu quy mô lớn trong tương lai, nhiệt độ hàn cao hơn, ứng suất chịu lực lớn hơn và giao diện liên kết mạnh hơn là cần thiết cho các mối nối chuyển tiếp và các mối nối nhôm-thép hiệu suất cao đang rất cần thiết.
Thời gian đăng: 08-03-2025
