金属结构材料研发趋向何方？

编者按：3月30、31日，由中国有色金属学会和河南科技大学联合主办的第二届全国有色金属结构材料制取/加工及应用于技术交流会在古都洛阳开会。为期两天的会议交流中，近400名参会的科研人员探究了有色金属结构材料的研究现状和技术趋势，交流了结构材料的合金制取与材料加工以及材料的应用于技术，并共享了近年来在产、学、研、用方面的科研研制成功的成果与经验。　　目前更为广泛的观点指出，研制开发出有具备高比强度、高比刚性、耐高温、耐磨损、耐腐蚀等性能的结构材料，是新一代高性能结构材料发展的主要方向。基于上述背景，在这次技术交流活动中，32名专家学者根据各自研究专长，在铝、镁、铜、钛等金属材料以及复合材料领域不作了30多场精彩、了解的专业报告。

为交流材料领域近年来具备创新性的科技成果和应用于成果，增进行业各项新技术、新工艺的研发、推展和应用于，现将部分报告内容展开整理并摘登，以飨读者。　　金属掌控凝结与掌控成形加工新工艺 杜建 中国工程院院士、北京科技大学教授　　材料的制取加工是要求其使用性能的最重要因素之一，也是材料科学与工程的最重要组成部分。近年来，高新技术的发展对材料的使用性能拒绝更加低，因此，构建三低两较低的技术途径，延长传统生产工艺流程，修改工艺环节，研发较短流程新工艺就沦为材料制取加工的重点研发方向。　　此举合乎节能降耗、提升生产效率的拒绝，有助研发全新的制取与成形加工技术，例如3D打印机；发展先进设备的制取加工技术，如智能化制取加工技术，构建的组织性能与构形的全过程准确掌控，提升传统材料的使用性能，研发高附加值产品。

　　在铸、加工和热处理全过程中，对金属的凝结-应力-热力学-的组织性能-工艺的交互作用与遗传进化，实行协同准确掌控，发展加工新工艺新技术，构建金属材料/构件的高性能化、传统加工工艺的短流程化、脆性无以加工材料的可加工化是最重要发展趋势。　　我国铜资源安全性问题引人注目，资源短缺，可采储量大约3000万吨，仅有占到全球的4.5％；2015年我国铜消耗量多达1150万吨，占到全球40％以上，此外，2010年以来，我国铜资源进口依赖度高达75％以上，因此，研发铜铝复合材料将不利于降本增效，增进行业身体健康发展。　　可前进以铝节铜。

一是替代纯铜施明德分列，我国施明德分列年需求量大约100万吨，其中电力工业40万吨，建筑领域40万吨，冶金、化工、交通运输、生产等领域20万吨。90％以上能用铜包铝填充施明德分列替代。

此外，在高新技术领域，叛成本、减半重量的市场需求某种程度十分反感，铜包铝填充施明德分列用作新能源（风电、光伏）等领域，有助降低成本，提高战略新兴产业的竞争力；用作高铁、大飞机等现代交通领域，不利于减肥，减少能耗，以空客A380客机为事例，每架用于铜包铝填充施明德分列1吨，可减肥1.2吨，效果显著；二是替代纯铜扁线等，我国的电缆、电磁扁线目前年用量大约350万吨，可替代量大约为100万吨。若使用铜包铝替代纯铜，不利于大幅度减低绕组、架线、运输重量。而且大规格电缆、大型电力变压器、特种变压器绕组线都能用铜包铝替代。

　　铜铝复合材料的发展必不可少先进设备技术承托。双金属轧制更容易产生边部低可选纳形变，造成轧制边瓣缺失。以铜铝复合材料连铸必要填充新工艺为事例，其针对铜和铝性能差异大的特点，研发了特种孔型轧制、强迫润滑剂拉拔技术，突破了双金属协商变形的难题；研发了铜铝复合材料轧制加工-拉拔工艺和全套装备。　　推展我国材料先进设备制取与成形加工技术的发展，发展金属材料掌控凝结与掌控成形的新原理与新方法，可以符合高新技术发展与国防建设的市场需求；发展适合于工业应用于的金属材料掌控凝结与掌控成形技术原型，需要符合传统结构材料向高性能化、复合化、结构功能一体化发展的市场需求，有助发展制取加工共性关键技术，突破高性能金属材料较短流程制取加工及高质量工业应用于关键技术突破。

　　绿色之镁上海交大的实践中 丁文江 中国工程院院士、上海交通大学材料科学与工程学院教授　　镁是一种最重要的金属材料，我国的镁资源非常丰富，而稀土是我国的优势资源。既然有资源优势，怎么把资源优势化作技术优势，然后再行把技术优势变为经济优势，这就是必须我们考虑到的。　　我们现在做到的工作主要是用稀土改建镁，用稀土来构建镁的高强、耐高温。

镁与稀土融合，可以构建全面的性能优化。其比重较低、比强度低、吸振减震、电磁屏蔽、更容易重复使用。镁稀土合金具备高强、高韧、耐蚀、耐高温的特性。

　　其研究成果主要还包括以下四个方面：一是材料研究有所进展。开发利用了镁自燃机制和镁易生锈的原因，寻找了高校两县增强互为，说明了长周期有序结构构成的必要条件；二是工艺技术有所突破。研发了镁稀土中间合金低成本生产技术、镁稀土合金熔体的洁净化技术、镁合金砂型仪器铸技术和成像阳极水解表面处置技术及装备；三是关键最重要部件应用于有所扩展。

脱胎了5种高性能镁合金，研发了多种新工艺和装备，研制了50余种镁部件，目前正在展开研制的有：武装直升机主机匣、地地导弹舱体、V6汽车发动机缸体、打飞机座椅骨架等；四是镁功能材料研究获得新的发展。在能原材料方面有所突破，例如纳米核壳结构MgH2储氢材料、镁离子可充电储能材料及其系统。可降解镁基人体内植入材料及其器件，例如心脏支架、骨钉骨板、神经导线等，以及镁基氢致变色材料及其系统。

　　此外，在JDZM防水合金、JDM1高韧耐蚀合金、JDM2高强合金等材料的研究方面获得了一系列进展，并在共电解制取Mg-RE中间合金、镁稀土合金深度净化、成像阳极水解与装备等方面构建了技术突破。　　要秉承创意驱动发展的理念，并融合学科发展现状分析了发展创意转型的关键问题，把材料应用于设计与中国生产2050结合，注目制造业发展。不应相结合优势资源，构成绿色产业；强化基础研究，脱胎中国品牌；系统集成技术，提升可选价值；重新组建产学联盟，增进持续发展。

　　铜铝层状复合材料半熔态轧制技术及应用于 杜敬佩 河南科技大学副校长　　我国是铝工业大国，也是铜材消费大国，但是我国铜资源短缺，多达75%的铜原料必须进口，供需矛盾日益加剧/近年来，国家大力支持铜铝复合材料的发展。2016国家自然科学基金委将有色金属材料设计、制取、加工和应用于中的关键问题；多维、多尺度、多层次结构合乎材料的优化设计原理及制取方法作为重点反对项目。

　　铜铝复合材料是信息技术、新能源等产业升级换代的基础原材料，在信息技术领域，能有效地减少铝镀铜带给的污染，节材减肥；在新能源领域，其节能环保，是风扇元件、电动汽车动力电池风扇板的最佳自由选择；在建筑装饰行业，铜幕墙、铜门等复合材料可替代纯铜材料，节约材料，降低成本。此外，以铝代铜、以铝代钛不利于优化国家资源结构，推展有色金属资源结构和产业结构调整。

　　目前，国内外复合材料研究热点主要集中于在制取工艺、填充理论和融合机制研究、双金属复合材料界面研究、铜铝层装复合材料半熔态铸轧填充技术以及推广应用不存在的技术瓶颈等方面。　　复合材料的发展趋势主要是以下两点：一、异种金属复合材料界面结构、界面兼容、界面调控机制研究。基于蔓延理论和能量学说，研究界面蔓延与界面热力学不道德，创建蔓延动力学模型及蔓延层厚度与制取工艺变量之间的关联性关系；探究异种金属层状填充过程中界面结构演进、界面化合物构成的热力学及动力学条件，界面化合物生长掌控准则；基于界面层厚度与复合材料性能的兼容性研究，创建基于有所不同服役性能拒绝的自定义化界面调控机制；突破异种金属填充加工的界面兼容、缺失掌控等关键技术。　　二、宽幅异种金属层状复合材料协同变性机制。

基于数值仿真技术和异种金属协同变形过程中多关联对象热传导蔓延机理，探寻异种金属变形过程中应力场、温度场、历史发展场产于、协同再结晶机制及界面结构演进机理；积极开展轧制工艺和热处理工艺参数与异种金属复合材料加工协同变形、再结晶及织构恢复，的组织、性能稳定性的关联性研究，明确提出协同变形与再结晶的临界条件，建构宽幅异种金属层状复合材料深加工工艺准则。　　超轻镁锂合金在航空航天等领域的应用于 肖阳 中铝郑州轻金属研究院重金属材料研究所所长　　镁锂合金是目前最重的金属结构材料，它由最重的金属锂和最重的结构金属镁组合而成，具备超轻、高比强度，高比模量以及出色的刚性。　　镁锂合金是最不具减肥潜力的金属结构材料，超轻镁锂合金的用于，将有助构建结构减肥，提升机动性和灵活性。

其具备较好的导电、导热性能，这是其它非金属轻质材料所无法比拟的；具备引人注目的隔热性能。镁锂合金具备较小的内耗系数，而内耗系数的强弱指出材料在再次发生震动时能将更加多的能量消耗于金属内部，从而超过隔热效果，提升设备的可靠性，同时可以起着减震起到；具备出色的电磁屏蔽性能。可使设备的安全性、准确性获得大幅提高，是其它材料无法替代的；具备出色的焊性，焊性能是材料的最重要指标，焊相连稳固、平稳、可信，是永久性相连，可减轻结构重量，修改加工与组装工序等，可使用TlG焊接、激光焊、加热摩擦焊等，技术皆已成熟期；较好的机械加工及冷成型能力。

常规镁合金都是热加工成型，无法冷加工，但镁锂合金是可以冷加工的，并且冷加工性能十分出色，冷轧总加工亲率平均90％，需要展开室温冲压成型，且成品率在90％以上。此外，镁锂合金可100％重复使用，重复使用的金属资源可以新的投放社会展开产品配件的生产。

　　对减肥有迫切需要的领域如航空航天、武器装备、3C产品及其他民用领域对于镁锂合金的市场需求与日俱增。　　在航天领域，结构减肥堪称克克在乎，航天飞机重量每减低1kg，升空成本费用就可增加1.5万美元；在武器装备领域，战斗机重量若减低15%，则可延长飞机滑跑距离认识5%，减少航程20%，提升有效载荷30%；在其他民用领域，如汽车等，汽车车身每减少100kg，二氧化碳排放量可增加9g。　　制取技术的不断进步使超轻镁锂合金沦为理想的结构减肥材料。

镁锂合金能为我国的火箭、导弹、卫星、空间站、军机、雷达等展开大幅减肥，解决问题轻质材料制约我国武器发展瓶颈问题。　　新型铝镁硅锌合金幸汽车车身减肥 张永安，闫丽珍 北京有色金属研究总院　　传统汽车每减肥100kg，百公里油耗可减少0.3～0.6k，CO2排放量可增加5g/km。在欧洲CO2排放量中，装载传统内燃机得乘用车占12%，2007年单车评论排放量158.7g/km，2015年控制目标为单车130g/km。

其所推算出，单车平均值油耗必须掌控在5.6L/100km，2020年的控制目标为95g/km。　　汽车轻量化合乎节能减排拒绝，也将是未来汽车业发展的众多重点攻关项目。在汽车整体结构中，车身重量大约占到30%，车身的轻量化举足轻重，而车身板材料的研发最为关键。目前，车身板材减肥主要用于轻质铝合金。

　　汽车铝合金覆盖面积件的发展经历了2系铝合金，5系铝合金和6系铝合金，2系具备较好的焊性能和切削性，强度低。但是成形性较好，耐腐蚀性较好，烤漆时效响应速度快，作为车身内外覆盖面积件，其应用于显著有限；5系成形性低，但强度较低，冲压过程不易产生橘皮和位移线等表面缺失，烤漆过程常有软化现象，限于于内覆盖面积件，但外覆盖面积件应用于有限；6系铝合金T4态具备较好的成形性，烤漆后强度较高，冲压过程容易产生吕德斯带上，耐蚀性及焊性高于2系铝合金，并且与现有汽车车身生产体系相匹配，因此6系铝合金被指出是汽车车身用最有前景的铝合金，也是研制可玩性仅次于的车用铝合金。

　　6000系铝合金板材及汽车覆盖面积件的生产须要经过年代久远、扒皮、均匀分布化处置、热轧、批热处理、冷轧、固溶处置、钩托、清除等流程，因此，如何确保板材成形时具备优良的延展性和较低的强度，以及如何保证较慢时效超过尽量低的强度水平是其应用于的两大难题。　　一种加到Zn的新型Al-Mg-Si合金合乎低成形性和较慢时效号召协同拒绝，经试验检验，锌的加到对合金固溶态和实时效态的屈服强度皆无影响，提升了合金的烤漆硬化性。该新型合金展现出出有了较好的成形性能和烤漆硬化性。

　　金属恩复合材料在轨道交通中应用于前景辽阔 赵鸿金 江西理工大学材料科学与工程学院副院长　　近年来，我国大力支持发展轨道交通，以高铁为事例，轨道交通材料中牵涉到有色金属材料的主要部件是车体、车门、内装有，此外在刹车片、受电弓、接触网等结构中有用于。　　目前车体常用材料有：不锈钢、铝合金、高强度耐候钢、防水涂料、减震材料，未来发展方向是大型空心薄壁铝材、碳素纤维、复合材料；车门常用材料有：不锈钢、铝合金、玻璃钢、防水材料，未来发展材料将是泡沫铝；内装以铝合金、镁合金等轻金属，玻璃钢、PC等高分子材料，橡胶材料，减振材料，胶贴剂，未来将以中空的瓦楞铝板等复合材料，铝蜂窝板等蜂窝材料居多。

　　接触网分成刚性和柔性两种，刚性接触网主要用于Cu-Mg、Cu-Cr-Zr材料，刚性接触网与柔性接触网比起具备所须要隧道净空小、修理便利、运营安全性、事故率较低、经济合算等优势，刚性接触网的广泛应用是今后城际轨道交通和高速铁路的发展方向。

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