航空航天鋁材是一種超高強(qiáng)度變形鋁合金，目前廣泛應(yīng)用于航空工業(yè)。飛機(jī)用的鋁合金和普通鋁合金相比，對(duì)強(qiáng)度、硬度、韌性、抗疲勞性、塑性有較高的要求。航空鋁合金具有較好的力學(xué)和加工性能，固溶處理后塑性好，熱處理強(qiáng)化效果好，一般在150℃以下，且具有高的強(qiáng)度、韌性好，是理想的航空結(jié)構(gòu)材料。
資料圖：航空鋁合金（圖片來源：互聯(lián)網(wǎng)） 航空航天用鋁合金的主要特點(diǎn)是大型化和整體化、薄壁化和輕量化、斷面尺寸和形位公差精密化、組織性能的均勻化與優(yōu)質(zhì)化。根據(jù)飛機(jī)不同的使用條件和部位，航空航天用鋁合金主要為高強(qiáng)鋁合金、耐熱鋁合金、耐蝕鋁合金。高強(qiáng)鋁合金主要用于飛機(jī)機(jī)身部件、發(fā)動(dòng)機(jī)艙、座椅、操縱系統(tǒng)等，使用最為廣泛。
航空鋁合金最大的特點(diǎn)是可以通過變形熱處理提高強(qiáng)度，另一個(gè)特點(diǎn)是難于焊接，鑒于鋁合金的焊接難點(diǎn)，因此，航空鋁合金通過熱變形制造整體結(jié)構(gòu)件將會(huì)是未來的一大發(fā)展趨勢(shì)。
航空鋁合金的應(yīng)用
航空鋁合金主要是可以熱處理的變形鋁合金，如2000和7000系列鋁合金。
2000系列鋁合金代表2024、2A16（LY16）、2A02（LY6）。7000系列鋁合金代表7075主要含有鋅元素，也屬于航空系列，是鋁鎂鋅銅合金，是可熱處理的合金，屬于超硬鋁合金，有良好的耐磨性，也有良好的焊接性，但耐腐蝕性較差。2024航空鋁合金應(yīng)用于要求高強(qiáng)度與硬度（包括高溫）的場合，如飛機(jī)重型、鍛件、厚板和擠壓材料，車輪與結(jié)構(gòu)元件，多級(jí)火箭第一級(jí)燃料槽與航天器零件，卡車構(gòu)架與懸掛系統(tǒng)零件。
據(jù)悉，進(jìn)入空中的航天運(yùn)載器，每減輕1公斤，其發(fā)射費(fèi)用將節(jié)省約2萬美元，因此結(jié)構(gòu)減重在航天領(lǐng)域可謂“克克計(jì)較”。戰(zhàn)斗機(jī)重量若減輕15％，則可縮短飛機(jī)滑跑距離15％，增加航程20％，提高有效載荷30％。因此，世界各國十分重視研制和開發(fā)航空航天用輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。
航空鋁合金憑借密度小、強(qiáng)度適中、易加工成形、耐腐蝕性強(qiáng)，資源豐富、可回收性強(qiáng)等獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，受到各方的關(guān)注，并廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。
當(dāng)前，飛機(jī)上的蒙皮、梁、肋、桁條、隔框和起落架都可以用鋁合金制造，航天飛機(jī)的乘員艙、前機(jī)身、中機(jī)身、后機(jī)身、垂尾、襟翼、升降副翼和水平尾翼都可以用鋁合金。而飛機(jī)依用途的不同，鋁的用量也不一樣。著重于經(jīng)濟(jì)效益的民用機(jī)因鋁合金價(jià)格便宜而大量采用，如波音767客機(jī)采用的鋁合金約占機(jī)體結(jié)構(gòu)重量81%。
目前，應(yīng)用在航空民機(jī)的鋁合金材料主要有鋁合金鑄件、鋁合金鍛件、大斷面鋁合金擠壓型材、鋁合金厚板和鋁鋰合金等。
在我國，大飛機(jī)的制造需求，正在強(qiáng)勁拉動(dòng)鋁合金材料尤其是航空鋁合金材料需求。C919大型客機(jī)已經(jīng)獲得國內(nèi)外20多家航空公司500多架的訂單，ARJ21-700也有200多架訂單。根據(jù)計(jì)劃，到2018年，ARJ21支線客機(jī)、C919大飛機(jī)所用30%以上的鋁合金材料將采用國產(chǎn)鋁材。而中國大飛機(jī)對(duì)鋁合金材料的需求增加了中國航空鋁合金研發(fā)和規(guī)?；a(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。
如何實(shí)現(xiàn)鋁合金的整體構(gòu)件
鋁合金的整體構(gòu)件是指由整塊毛坯加工制成的大型構(gòu)件所組成的新型結(jié)構(gòu)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的拼接結(jié)構(gòu)。而模鍛件和預(yù)拉伸板材是鋁合金整體結(jié)構(gòu)件毛坯材料的兩種主要形式。隨著金屬板坯制造水平的提高，平面類整體結(jié)構(gòu)件、板、框、肋、梁的鋁合金零件已普遍采用預(yù)拉伸板。預(yù)拉伸板通過在專用板材拉伸機(jī)上預(yù)先給毛坯材料少量的塑性變形，改變板材內(nèi)部原有應(yīng)力分布狀態(tài)，減少與均勻化內(nèi)部固有的應(yīng)力狀態(tài)。然而在整個(gè)加工過程中，除了工件材料特性和結(jié)構(gòu)特性的影響，溫度的變化、毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力和切削過程都能對(duì)整體件的加工造成影響。
因此，在制造航空鋁合金整體構(gòu)件時(shí)，利用開發(fā)的整體結(jié)構(gòu)件變形預(yù)測系統(tǒng)，針對(duì)特定毛坯工件和加工工藝，完成工件的銑削加工變形預(yù)測；結(jié)合工件的結(jié)構(gòu)特征，分析工件變形的主要形式和原因；在加工工程中采用仿真系統(tǒng)，將仿真系統(tǒng)計(jì)算的結(jié)果數(shù)據(jù)直接調(diào)入優(yōu)化模塊，通過建立相關(guān)數(shù)學(xué)模型，對(duì)現(xiàn)有工藝規(guī)程參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工的實(shí)時(shí)調(diào)控，完成整體構(gòu)件的加工。
航空用鋁合金產(chǎn)業(yè)面臨的困境
就國內(nèi)而言，大部分企業(yè)集中在中下游，涉及上游產(chǎn)業(yè)鋁土礦及氧化鋁生產(chǎn)的僅有中國鋁業(yè)公司、南山鋁業(yè)等大型企業(yè)，原鋁生產(chǎn)和鋁材加工上市公司較多。
在原鋁生產(chǎn)過程中需要的鋁土礦，全球共有283億噸，主要集中分布在幾內(nèi)亞、澳大利亞、巴西，合計(jì)儲(chǔ)量占全球的57%，產(chǎn)量分布主要集中在澳大利亞、中國和巴西，合計(jì)產(chǎn)量占全球的61%。
中國鋁礦總量為7.35億噸左右，集中分布在山西、貴州、河南和廣西4?。▍^(qū)），約占全國總儲(chǔ)量的90.9%，其余擁有鋁土礦的15個(gè)省、自治區(qū)、直轄市的儲(chǔ)量合計(jì)僅占全國總儲(chǔ)量的9.1%。
我國鋁土礦除了分布集中外，以大、中型礦床居多。儲(chǔ)量大于2000萬噸的大型礦床共有31個(gè)，其擁有的儲(chǔ)量占全國總儲(chǔ)量的49%；儲(chǔ)量在2000噸~500萬噸之間的中型礦床共有83個(gè)，其擁有的儲(chǔ)量占全國總儲(chǔ)量的37%，大、中型礦床合計(jì)占到了86%。
面對(duì)中國鋁土礦自給程度逐漸下降，未來中國的鋁土礦依賴進(jìn)口是一大趨勢(shì)，中國企業(yè)急需加大內(nèi)部找礦、探礦力度，以及加快海外礦山收購步伐，以保障未來的原材料供給。而中國氧化鋁供給缺口不大，市場已經(jīng)趨于飽和，在鋁土礦供給充足的前提下，完全能夠保障原鋁的生產(chǎn)需求。
2008年以來，受金融危機(jī)影響，中國原鋁的產(chǎn)能利用率下降，因而產(chǎn)量增長緩慢。受到2009年國家投資需求的拉動(dòng)，2010年閑置產(chǎn)能紛紛復(fù)產(chǎn)，產(chǎn)量也大幅增長24.4%。近幾年，在節(jié)能減排的大背景下，國家對(duì)電解鋁行業(yè)實(shí)施限電限產(chǎn)政策，原鋁產(chǎn)量增速有所放緩。原鋁消耗量受經(jīng)濟(jì)環(huán)境及國家政策的影響，增速呈現(xiàn)出與產(chǎn)量同樣的變化趨勢(shì)，增速趨緩。
航空鋁合金的下游產(chǎn)業(yè)鏈主要是鋁合金的加工及使用。航空鋁合金主要是可熱處理強(qiáng)化的變形鋁合金。因此航空鋁合金的下游加工尤為重要。
航空鋁合金加工材的下游應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，與工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)、以及消費(fèi)水平的提升具有密切的關(guān)系。航空用鋁合金主要是各種鍛件，軋制板材等鋁型材。航空鋁材下游需求主要是交通運(yùn)輸業(yè)，尤其是航空航天、國防領(lǐng)域等飛機(jī)導(dǎo)彈等產(chǎn)品的制造。
近年來，隨著中國大飛機(jī)產(chǎn)業(yè)、軌道交通產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，航空鋁合金下游加工產(chǎn)業(yè)將迎來一個(gè)較快的發(fā)展階段，中國的航空鋁型材的消費(fèi)將保持較高的增長速度。（韓碩）
轉(zhuǎn)自：中國有色金屬報(bào)
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