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鋁合金材料在航天、造船的應(yīng)用與發(fā)展

   日期:2013-12-10     瀏覽:2094    評(píng)論:0    
我們總在為每次的航天發(fā)射而心潮澎湃、歡呼雀躍。成千上萬(wàn)為之付出艱辛工作的科技工作者總是默默地品嘗著這一刻的歡樂(lè),今天我們要介紹的鄭子樵教授便是這其中的一員。
據(jù)介紹,進(jìn)入空間軌道的航天運(yùn)載器每減輕1kg,其發(fā)射費(fèi)用將節(jié)省約2萬(wàn)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(guó)十分重視研制和開(kāi)發(fā)航空航天用輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。鋰的密度約為水的一半,是最輕的金屬元素,在鋁合金中每加入1%的鋰,可使合金密度降低3%,剛度提高6%。據(jù)推算,如果采用先進(jìn)鋁鋰合金取代傳統(tǒng)鋁合金制造波音飛機(jī),重量可以減輕14.6%,燃料節(jié)省5.4%,飛機(jī)成本將下降2.1%,每架飛機(jī)每年的飛行費(fèi)用將降低2.2%。因此,鋁鋰合金被認(rèn)為是航空航天最理想的結(jié)構(gòu)材料。二十世紀(jì)八十年代,在全世界范圍內(nèi)掀起了鋁鋰合金研究的高潮。但由于鋁鋰合金的特殊應(yīng)用背景,鋁鋰合金研究中的關(guān)鍵技術(shù)各國(guó)高度保密。

基于鋁鋰合金在國(guó)防及航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的巨大潛力,以中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院鄭子樵教授為學(xué)術(shù)帶頭人的課題組在國(guó)家科技攻關(guān)計(jì)劃的支持下,從“七五”開(kāi)始率先在國(guó)內(nèi)開(kāi)展鋁鋰合金研究,并堅(jiān)持不懈地連續(xù)進(jìn)行了四個(gè)“五年”計(jì)劃的研究。鋁鋰合金無(wú)論合金成分控制、熔煉鑄造工藝還是微觀組織結(jié)構(gòu)演化控制過(guò)程均與常規(guī)鋁合金有很大的差別,由于國(guó)內(nèi)沒(méi)有任何經(jīng)驗(yàn)可以借鑒,研究工作最初經(jīng)歷了很多次的失敗。鋰的性質(zhì)活潑,在大氣中極易氧化甚至燃燒,與氫的結(jié)合力也極強(qiáng),并且容易與爐襯材料發(fā)生反應(yīng),侵蝕坩堝,形成的大量夾渣卷入鑄錠中。同時(shí)熔鑄過(guò)程中鋰本身極易偏析,鑄造時(shí)用水冷卻還有爆炸的危險(xiǎn),因此鋁鋰合金根本不能按常規(guī)方法熔煉鑄造。為此,鄭子樵教授帶領(lǐng)課題組人員反復(fù)實(shí)驗(yàn),從熔煉坩堝爐體材料選擇、熔體保護(hù)、成分控制、除氣及鑄造工藝入手,通過(guò)反復(fù)摸索,建立了一套獲得高質(zhì)量鋁鋰合金鑄錠的熔鑄技術(shù)。

 1965年5月,毛澤東主席寫(xiě)下“可上九天攬?jiān)?,可下五洋捉鱉”的詞句。2013年6月11日,“神十”飛天與“蛟龍”下海再一次海天攜手共圓“中國(guó)夢(mèng)”。說(shuō)到“神十”與“蛟龍”共圓“中國(guó)夢(mèng)”,就不得不說(shuō)鋁材,因?yàn)殇X材在航天器與航海器的制造領(lǐng)域可謂是功不可沒(méi)。

鋁及鋁合金因其密度小、強(qiáng)度適中、易加工成形、抗蝕性強(qiáng),資源豐富、可回收性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),從人類(lèi)首次實(shí)現(xiàn)升空的“飛行者1號(hào)”(Wright Flyer1)起就與航空航天器結(jié)下了不懈之緣。從1903年起至今乃至可預(yù)見(jiàn)的未來(lái),凡是升空上天的飛行器沒(méi)有一個(gè)不用鋁的。時(shí)至今日,全球經(jīng)濟(jì)一體化及各國(guó)國(guó)內(nèi)城鎮(zhèn)化的高速發(fā)展,都對(duì)民用空中交通運(yùn)輸起到了巨大的推動(dòng)作用。各種民航客機(jī)及民用航空器的發(fā)展又為鋁材的需求市場(chǎng)提供了發(fā)展空間。

對(duì)此,在11月27日由中國(guó)有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)主辦,北京安泰科信息開(kāi)發(fā)有限公司承辦的2013年中國(guó)國(guó)際交通用鋁論壇上,北京安泰科信息開(kāi)發(fā)有限公司首席專(zhuān)家熊慧表示,全球航空級(jí)鋁合金厚板的生產(chǎn)能力接近84萬(wàn)噸/年,中國(guó)鋁合金厚板生產(chǎn)裝備是世界上最先進(jìn)的,目前產(chǎn)能已經(jīng)接近30萬(wàn)噸/年,到2015年厚板生產(chǎn)能力可達(dá)60~80萬(wàn)噸/年。2012年,全球鋁板貿(mào)易量731.4萬(wàn)噸,總貿(mào)易額270.3億美元。

“未來(lái)20年,航空級(jí)鋁合金厚板需求將持續(xù)增長(zhǎng),中國(guó)市場(chǎng)將尤為強(qiáng)勁。”熊慧解釋說(shuō):“根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布的數(shù)據(jù)預(yù)測(cè),2020年我國(guó)城市化率將達(dá)到60%,2050年左右將達(dá)到75%。隨著我國(guó)城市化率的不斷提高,我國(guó)大型及中型城市人口將迅速增加,城市中心的增加帶來(lái)客運(yùn)量的大幅攀升,中國(guó)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)及城市化進(jìn)程加快將極大促進(jìn)航空運(yùn)輸需求,屆時(shí),中國(guó)將新增5580架客機(jī)需求,成為僅次于美國(guó)的全球第二大市場(chǎng)。除此之外,根據(jù)2010年《低空空域管理改革指導(dǎo)意見(jiàn)》獲批預(yù)測(cè),到2018年,中國(guó)直升機(jī)需求量達(dá)到1400架,隨著低空領(lǐng)域的不斷放開(kāi),之后10年還將增加1500架的需求,未來(lái)15年,中國(guó)通用飛機(jī)需求量超過(guò)15000架。由此可見(jiàn),通用航空產(chǎn)業(yè)發(fā)展迎來(lái)機(jī)遇期。因此,航空級(jí)鋁合金厚板需求也將持續(xù)增長(zhǎng),市場(chǎng)前景將非??捎^。”

其實(shí),鋁鋰合金并不是個(gè)新鮮概念。對(duì)這種材料的認(rèn)識(shí)經(jīng)歷了相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。由于鋰的比重小,在鋁中的溶解度高,長(zhǎng)期以來(lái)人們就把鋰看作鋁的親密合作伙伴。早在本世紀(jì)20年代,科技工作者就對(duì)鋁鋰合金進(jìn)行過(guò)許多評(píng)論。1924年,德國(guó)研制成功一種工業(yè)鋁鋰合金——司克龍。這是一種僅含0.1%鋰的鋁鋅合金。它的機(jī)械性能比當(dāng)時(shí)盛行的鋁鎂合金——杜拉鋁要稍好一些。由于當(dāng)時(shí)杜拉鋁已得到公認(rèn),所以影響了司克龍合金應(yīng)受到的廣泛重視。1943年,高強(qiáng)度的鋁鋅鎂銅合金問(wèn)世,再一次低估了鋁鋰合金的工業(yè)價(jià)值。1957年,英國(guó)研制成功了含鋰1.1%的X-2020鋁合金。這種合金用于美國(guó)艦載超音速攻擊機(jī)的機(jī)翼和水平尾翼的蒙皮上,取代原設(shè)計(jì)中的鋁合金后,RA-5C飛機(jī)的重量減輕6%。原蘇聯(lián)的科技工作者同時(shí)也研制出了一種含鋰2%的鋁合金。又經(jīng)過(guò)10年徘徊,到1967年發(fā)生了世界范圍的能源危機(jī)后,各國(guó)又重新開(kāi)始大規(guī)模研究鋁鋰合金。由于冶金技術(shù)和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展,使含鋰量更大、比重更小、強(qiáng)度更高的鋁鉀合金的出現(xiàn)成為可能。據(jù)認(rèn)為,目前許多先進(jìn)的戰(zhàn)斗機(jī)和民航飛機(jī)大都采用了這種合金。鋁鋰合金的成本大約只是碳纖維增強(qiáng)塑料的1/10。如果采用鋁鋰合金制造波音飛機(jī),重量可以減輕14.6%,燃料節(jié)省5.4%,飛機(jī)成本將下降2.1%,每架飛機(jī)每年的飛行費(fèi)用將降低2.2%??梢灶A(yù)料,隨著材料科學(xué)的發(fā)展,將有越來(lái)越多的新型合金進(jìn)入航空航天業(yè)、各個(gè)工業(yè)部門(mén)及千家萬(wàn)戶(hù)。 


針對(duì)鋁材在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用,中國(guó)船舶工業(yè)行業(yè)協(xié)會(huì)信息部副主任譚乃芬表示,英國(guó)克拉克松研究公司調(diào)研資料顯示,1~10月,全世界共完成造船指標(biāo)9406萬(wàn)載重噸,中國(guó)完工量達(dá)3689萬(wàn)載重噸,占世界完工量的39.3%。

她表示,鋁最早應(yīng)用到船舶上是在19世紀(jì)80年代末期,第一艘全鋁船被建造出來(lái),1920年以后,鋁鎂合金的出現(xiàn)使鋁在船舶與海洋工程中開(kāi)始廣泛使用。在船舶建造領(lǐng)域,鋁合金因自身重量輕、較強(qiáng)的力學(xué)性能以及防腐蝕性等特點(diǎn),可以提高船只的速度,延長(zhǎng)其使用壽命,提高載量并降低維修成本。對(duì)此,譚乃芬表示,快速渡船、水翼艇、漁船、工作艇、高速汽車(chē)渡船等高速船舶的建造中船舶設(shè)計(jì)者首選的材料就是鋁材。此外,多體船、氣墊船、噴水推進(jìn)式客輪等船舶的建造中也大多選用鋁材,因此,隨著船舶業(yè)的發(fā)展,船舶用鋁材會(huì)有廣闊的市場(chǎng)。

航空航天技術(shù)的發(fā)展對(duì)材料科學(xué)不斷提出新要求,航空鋁材是近十幾年來(lái)航空金屬材料中發(fā)展最為迅速的一個(gè)領(lǐng)域。在“神七”上,普通人肉眼能看到的外部材料都是由鋁合金材料制成的,神七的火箭和飛船的支撐斷環(huán)也是由航空鋁材制成的,由于航空鋁材具有可以降低合金的比重,增加剛度,同時(shí)保持較高的強(qiáng)度、較好的抗腐蝕性和抗疲勞性以及適宜的延展性等特點(diǎn),因此成為了“神七”升天成功的重要“功臣”材質(zhì),神七的成功也表明了我國(guó)在航空鋁材方面所取得的巨大進(jìn)步。

神七的成功和中國(guó)航天事業(yè)的迅速發(fā)展離不開(kāi)中國(guó)航天人的艱辛付出,也離不開(kāi)眾多熱切關(guān)注和大力支持航天事業(yè)發(fā)展的各界力量。興發(fā)鋁業(yè),憑借著企業(yè)的雄厚實(shí)力、技術(shù)研發(fā)能力和多年來(lái)的良好市場(chǎng)口碑,有幸成為中國(guó)航天事業(yè)合作伙伴,興發(fā)旗下的系列鋁型材產(chǎn)品被指定為國(guó)內(nèi)唯一的“中國(guó)航天專(zhuān)用產(chǎn)品”,這不僅是對(duì)企業(yè)自身實(shí)力的一種強(qiáng)有力的肯定和證明,更是對(duì)行業(yè)的肯定。在未來(lái)數(shù)年內(nèi),興發(fā)鋁業(yè)將向中國(guó)航天事業(yè)提供產(chǎn)品、技術(shù)及資金支持,為中國(guó)航天事業(yè)的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

鋁作為造船材料有許多優(yōu)點(diǎn),有很好的發(fā)展前途,船舶正在朝鋁材化方向發(fā)展,鋁船的應(yīng)用正在日益擴(kuò)大。本文就鋁合金船的優(yōu)點(diǎn)、船用鋁合金材料、鋁合金在船舶制造上的應(yīng)用實(shí)例作一簡(jiǎn)介,供開(kāi)發(fā)鋁材新品種和擴(kuò)大鋁材新用途之參考。

鋁合金作為造船材料的優(yōu)點(diǎn),鋁合金在船舶上的應(yīng)用和應(yīng)用歷史.以及鋁合金船的發(fā)展動(dòng)向.并認(rèn)為鋁合金作為造船材料有許多優(yōu)越的性能,在造船業(yè)上的應(yīng)用日益廣泛,船舶正在朝鋁材化方向發(fā)展,船用鋁合金是很有發(fā)展前途的材料.關(guān)鍵詞:鋁合金,船舶,應(yīng)用,發(fā)展動(dòng)向鋁合金應(yīng)用于造船業(yè)已有近百年的歷史,近些年由于發(fā)生石油危機(jī),進(jìn)入了節(jié)省能源和資源時(shí)代,再加上用鋁合金造船有許多優(yōu)點(diǎn).船舶的輕量化越來(lái)越被重視,鋁材在船舶上的應(yīng)用發(fā)展得很快.造船業(yè)已為鋁材失供了廣閉的市場(chǎng).在我國(guó).由于對(duì)鋁合金船尚缺乏系統(tǒng)認(rèn)識(shí),宣傳得也不夠.所以沒(méi)有系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和重點(diǎn)投資,船用鋁合金的研究和應(yīng)用與國(guó)外相比差距很大.為了充分利用我國(guó)豐富的鋁資源,進(jìn)一步開(kāi)發(fā)船用鋁材新品種,擴(kuò)大鋁材在船舶上的應(yīng)用,加快船舶的鋁材化,

 
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