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铝合金材料在航天、造船的应用与发展

   日期:2013-12-10     浏览:2134    评论:0    
我们总在为每次的航天发射而心潮澎湃、欢呼雀跃。成千上万为之付出艰辛工作的科技工作者总是默默地品尝着这一刻的欢乐,今天我们要介绍的郑子樵教授便是这其中的一员。
据介绍,进入空间轨道的航天运载器每减轻1kg,其发射费用将节省约2万美元,因此结构减重在航天领域可谓“克克计较”。战斗机重量若减轻15%,则可缩短飞机滑跑距离15%,增加航程20%,提高有效载荷30%。因此,世界各国十分重视研制和开发航空航天用轻质结构材料。锂的密度约为水的一半,是最轻的金属元素,在铝合金中每加入1%的锂,可使合金密度降低3%,刚度提高6%。据推算,如果采用先进铝锂合金取代传统铝合金制造波音飞机,重量可以减轻14.6%,燃料节省5.4%,飞机成本将下降2.1%,每架飞机每年的飞行费用将降低2.2%。因此,铝锂合金被认为是航空航天最理想的结构材料。二十世纪八十年代,在全世界范围内掀起了铝锂合金研究的高潮。但由于铝锂合金的特殊应用背景,铝锂合金研究中的关键技术各国高度保密。

基于铝锂合金在国防及航空航天领域应用的巨大潜力,以中南大学材料科学与工程学院郑子樵教授为学术带头人的课题组在国家科技攻关计划的支持下,从“七五”开始率先在国内开展铝锂合金研究,并坚持不懈地连续进行了四个“五年”计划的研究。铝锂合金无论合金成分控制、熔炼铸造工艺还是微观组织结构演化控制过程均与常规铝合金有很大的差别,由于国内没有任何经验可以借鉴,研究工作最初经历了很多次的失败。锂的性质活泼,在大气中极易氧化甚至燃烧,与氢的结合力也极强,并且容易与炉衬材料发生反应,侵蚀坩埚,形成的大量夹渣卷入铸锭中。同时熔铸过程中锂本身极易偏析,铸造时用水冷却还有爆炸的危险,因此铝锂合金根本不能按常规方法熔炼铸造。为此,郑子樵教授带领课题组人员反复实验,从熔炼坩埚炉体材料选择、熔体保护、成分控制、除气及铸造工艺入手,通过反复摸索,建立了一套获得高质量铝锂合金铸锭的熔铸技术。

 1965年5月,毛泽东主席写下“可上九天揽月,可下五洋捉鳖”的词句。2013年6月11日,“神十”飞天与“蛟龙”下海再一次海天携手共圆“中国梦”。说到“神十”与“蛟龙”共圆“中国梦”,就不得不说铝材,因为铝材在航天器与航海器的制造领域可谓是功不可没。

铝及铝合金因其密度小、强度适中、易加工成形、抗蚀性强,资源丰富、可回收性强等优点,从人类首次实现升空的“飞行者1号”(Wright Flyer1)起就与航空航天器结下了不懈之缘。从1903年起至今乃至可预见的未来,凡是升空上天的飞行器没有一个不用铝的。时至今日,全球经济一体化及各国国内城镇化的高速发展,都对民用空中交通运输起到了巨大的推动作用。各种民航客机及民用航空器的发展又为铝材的需求市场提供了发展空间。

对此,在11月27日由中国有色金属工业协会主办,北京安泰科信息开发有限公司承办的2013年中国国际交通用铝论坛上,北京安泰科信息开发有限公司首席专家熊慧表示,全球航空级铝合金厚板的生产能力接近84万吨/年,中国铝合金厚板生产装备是世界上最先进的,目前产能已经接近30万吨/年,到2015年厚板生产能力可达60~80万吨/年。2012年,全球铝板贸易量731.4万吨,总贸易额270.3亿美元。

“未来20年,航空级铝合金厚板需求将持续增长,中国市场将尤为强劲。”熊慧解释说:“根据国家统计局发布的数据预测,2020年我国城市化率将达到60%,2050年左右将达到75%。随着我国城市化率的不断提高,我国大型及中型城市人口将迅速增加,城市中心的增加带来客运量的大幅攀升,中国经济增长及城市化进程加快将极大促进航空运输需求,届时,中国将新增5580架客机需求,成为仅次于美国的全球第二大市场。除此之外,根据2010年《低空空域管理改革指导意见》获批预测,到2018年,中国直升机需求量达到1400架,随着低空领域的不断放开,之后10年还将增加1500架的需求,未来15年,中国通用飞机需求量超过15000架。由此可见,通用航空产业发展迎来机遇期。因此,航空级铝合金厚板需求也将持续增长,市场前景将非常可观。”

其实,铝锂合金并不是个新鲜概念。对这种材料的认识经历了相当长的时间。由于锂的比重小,在铝中的溶解度高,长期以来人们就把锂看作铝的亲密合作伙伴。早在本世纪20年代,科技工作者就对铝锂合金进行过许多评论。1924年,德国研制成功一种工业铝锂合金——司克龙。这是一种仅含0.1%锂的铝锌合金。它的机械性能比当时盛行的铝镁合金——杜拉铝要稍好一些。由于当时杜拉铝已得到公认,所以影响了司克龙合金应受到的广泛重视。1943年,高强度的铝锌镁铜合金问世,再一次低估了铝锂合金的工业价值。1957年,英国研制成功了含锂1.1%的X-2020铝合金。这种合金用于美国舰载超音速攻击机的机翼和水平尾翼的蒙皮上,取代原设计中的铝合金后,RA-5C飞机的重量减轻6%。原苏联的科技工作者同时也研制出了一种含锂2%的铝合金。又经过10年徘徊,到1967年发生了世界范围的能源危机后,各国又重新开始大规模研究铝锂合金。由于冶金技术和相关技术的发展,使含锂量更大、比重更小、强度更高的铝钾合金的出现成为可能。据认为,目前许多先进的战斗机和民航飞机大都采用了这种合金。铝锂合金的成本大约只是碳纤维增强塑料的1/10。如果采用铝锂合金制造波音飞机,重量可以减轻14.6%,燃料节省5.4%,飞机成本将下降2.1%,每架飞机每年的飞行费用将降低2.2%。可以预料,随着材料科学的发展,将有越来越多的新型合金进入航空航天业、各个工业部门及千家万户。 


针对铝材在船舶领域的应用,中国船舶工业行业协会信息部副主任谭乃芬表示,英国克拉克松研究公司调研资料显示,1~10月,全世界共完成造船指标9406万载重吨,中国完工量达3689万载重吨,占世界完工量的39.3%。

她表示,铝最早应用到船舶上是在19世纪80年代末期,第一艘全铝船被建造出来,1920年以后,铝镁合金的出现使铝在船舶与海洋工程中开始广泛使用。在船舶建造领域,铝合金因自身重量轻、较强的力学性能以及防腐蚀性等特点,可以提高船只的速度,延长其使用寿命,提高载量并降低维修成本。对此,谭乃芬表示,快速渡船、水翼艇、渔船、工作艇、高速汽车渡船等高速船舶的建造中船舶设计者首选的材料就是铝材。此外,多体船、气垫船、喷水推进式客轮等船舶的建造中也大多选用铝材,因此,随着船舶业的发展,船舶用铝材会有广阔的市场。

航空航天技术的发展对材料科学不断提出新要求,航空铝材是近十几年来航空金属材料中发展最为迅速的一个领域。在“神七”上,普通人肉眼能看到的外部材料都是由铝合金材料制成的,神七的火箭和飞船的支撑断环也是由航空铝材制成的,由于航空铝材具有可以降低合金的比重,增加刚度,同时保持较高的强度、较好的抗腐蚀性和抗疲劳性以及适宜的延展性等特点,因此成为了“神七”升天成功的重要“功臣”材质,神七的成功也表明了我国在航空铝材方面所取得的巨大进步。

神七的成功和中国航天事业的迅速发展离不开中国航天人的艰辛付出,也离不开众多热切关注和大力支持航天事业发展的各界力量。兴发铝业,凭借着企业的雄厚实力、技术研发能力和多年来的良好市场口碑,有幸成为中国航天事业合作伙伴,兴发旗下的系列铝型材产品被指定为国内唯一的“中国航天专用产品”,这不仅是对企业自身实力的一种强有力的肯定和证明,更是对行业的肯定。在未来数年内,兴发铝业将向中国航天事业提供产品、技术及资金支持,为中国航天事业的发展做出贡献。

铝作为造船材料有许多优点,有很好的发展前途,船舶正在朝铝材化方向发展,铝船的应用正在日益扩大。本文就铝合金船的优点、船用铝合金材料、铝合金在船舶制造上的应用实例作一简介,供开发铝材新品种和扩大铝材新用途之参考。

铝合金作为造船材料的优点,铝合金在船舶上的应用和应用历史.以及铝合金船的发展动向.并认为铝合金作为造船材料有许多优越的性能,在造船业上的应用日益广泛,船舶正在朝铝材化方向发展,船用铝合金是很有发展前途的材料.关键词:铝合金,船舶,应用,发展动向铝合金应用于造船业已有近百年的历史,近些年由于发生石油危机,进入了节省能源和资源时代,再加上用铝合金造船有许多优点.船舶的轻量化越来越被重视,铝材在船舶上的应用发展得很快.造船业已为铝材失供了广闭的市场.在我国.由于对铝合金船尚缺乏系统认识,宣传得也不够.所以没有系统开发和重点投资,船用铝合金的研究和应用与国外相比差距很大.为了充分利用我国丰富的铝资源,进一步开发船用铝材新品种,扩大铝材在船舶上的应用,加快船舶的铝材化,

 
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