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由铝板应用现状和趋势看镁板发展前景

编辑: 东莞市驻发金属材料有限公司 点击: 时间:2016-12-15
镁合金板带材目前成为国内外科研机构和生产企业研制、开发和工业化生产的热点。对比同为轻质结构材料且力学性能相近的铝板带材,镁合金板带材目前的生产应用同其还存在着非常大的差距。本文通过对目前铝板带应用领域、应用特点、应用量、应用趋势的论述和总结,分析了镁合金板带特有应用和在航空航天、交通运输领域对铝板带材进行金属替代应用的前景。
  镁、铝、钛及其合金同为力学性能优良的轻金属或轻合金结构材料,这其中,镁和铝的金属特性和应用特点更为接近。
  2015年,我国原铝产量超过了3000万t,铝生产和加工企业的利润为540亿元(利润位居有色金属第一位,比排名第二位金属铜的利润高65亿元),利润同比增长了22%(除金属银的利润同比增长1.6%外,其它金属均出现不同程度的下降)。其中,铝板带材的产量达到了千万吨的级别,而现代化、专业化的铝板带材生产企业多达400家。近年来,铝板带材的产量占原铝产量的比例一直维持在20%~30%。
  而在同期,国内原镁产量约80万t,镁生产和加工企业的利润约12亿元(总利润排在铝、铜、铅锌、钨钼、稀土、银之后,锑、镍、钴、锡之前),利润同2014年相比下降约30%。镁合金板材的产量仅为千t的级别,而现代化、专业化的镁合金板材生产企业的数量非常少,多为钛、铝板带加工企业辅助性进行生产或带料加工,有的镁合金板带企业还停留在产业化开发或工业化试生产阶段,国内还没有国有大型的专业化镁合金板带生产企业。镁合金板带材的产量占原镁产量的比例不到1%,前些年甚至低至0.1%左右,远远低于铝板带占原铝20%~30%的比例。
  由以上数据可知,国内原镁、镁合金板带(下文简称“镁板”)的产量同原铝、铝及铝合金板带箔(下文简称“铝板”)的产量存在着非常大的差距,这些差距同时也体现在合金品种、产品规格和质量、生产企业的状况、生产集中度、专业化生产程度和加工设备的装机水平、利润水平、利润增长率等方面。
  以上差距的存在,除金属自身性质和加工性能原因外,还与产品的推广应用程度、用户使用习惯、国家相关政策等息息相关。例如:在国家安监总局2015版的《危险化学品目录》中,将含镁>50%的镁合金(片状、带状或条状)包含在内,并将其归为“易燃固体、遇水放出易燃气体的物质和混合物。由于归类为危险化学品和易燃固体,这就给镁薄板或带材的生产线设计、厂房设计、加工设备设计、产品及中间制品的生产、存放和运输等带来了一定的困难,提高了镁薄板或带材的生产成本,加大了其市场推广应用难度。
  但是,可以预见的是,随着生产工艺技术的进步、产品质量和性价比的不断提高、以航空航天和交通运输等高端领域为代表的材料轻量化的实际需求尤其是“中国制造2025”规划的实施,镁合金板材尤其是大规格的镁合金宽幅中厚板一定会发挥出其优势,在即将到来的“十三五”期间实现其特有应用和规模化材料替代。
  1 航空航天领域
  1.1 铝板的生产和应用情况
  目前,在世界范围内,航空航天领域的总用铝量仅占铝板总消费量的5%左右,但由于铝板的消费量大,而且航空航天领域所使用的铝板技术含量高、利润附加值高,因而成为世界范围内各铝板企业开发和生产的热点产品。
  在以往,由于航空航天工业用材研制开发的落后,中国国内的飞机制造所用的铝板多为进口。例如:ARJ21支线客机板材是从美铝或爱励铝业公司科布伦茨轧制厂进口。
  中铝西南铝和中铝东轻公司是国内较早进行航空航天领域用铝板开发和生产的企业。目前,山东南山铝业(600219)、广西南南铝业等公司也开始进入航空航天用铝板的开发和生产。国产C919大飞机项目批量使用了中铝西南铝的铝中厚板材(提供铝材达到千吨级别),产品种类主要为7系铝合金(7系铝合金添加的合金元素以锌为主,同时含有少量的镁、铜等金属。
  航空航天领域对铝板的要求不仅体现在高冶金质量、高性能的技术指标以及规格多、尺寸复杂等特点,其组织、性能、表面精度尤其是对外在体现的强度、塑性、耐腐蚀性和抗疲劳度的要求也极其严格。7005和7075是航空航天领域用7系铝合金中档次最高的产品,可进行热处理强化。例如, 7075铝板,其强度高(高温强度和低温强度优于其他铝合金),固溶处理后其塑性较好,因而具有优良的综合力学性能。7075铝板主要用于制造强度高、抗腐蚀性能强的高应力飞机结构件,如飞机的上、下翼面壁板,桁条等。
  某企业生产规格为20×1200×3000mm、状态为T7651的7075航空用预拉伸厚板的生产工艺流程如下:煤气炉内700~750℃熔炼→705~715℃温度下以55~60mm/min的速度进行半连续铸造→450~460℃温度下进行41h的电阻炉内均匀化处理→圆盘锯切规格为300×1280×1200mm的铸块→铣床进行每面15mm深度的表面铣削→航空用油清洗铸锭表面→加热炉内370~410℃温度下4~8h的加热→Φ700/Φ1250×2000mm四辊可逆热轧机在开轧400℃、终轧350℃温度下轧制29个道次至20.5mm厚度→重型液压剪剪切长度3800mm→盐浴炉内500℃温度下70min淬火处理→11辊厚板矫直机矫直→45MN预拉伸机进行1.5%~2%量的预拉伸→箱式时效炉内双极人工时效(一级时效115~125℃/5h,二级时效160~170℃/18h)→锯切取样及成品锯切→检验台尺寸规格和表面质量检验→人工垫纸和木箱包装。
  截至2015年,全球航空铝板生产企业达30多家,总生产能力为197万t。美国铝业公司的航空航天铝材供应量占全球总供应量的35%以上,Davenport轧制厂是北美唯一的能为民用及军用飞机提供铝合金厚板的厂家,也是世界上最大的航空航天、舰船等用铝板材的生产企业。
  据预测,2015~2020年,世界经济将以每年3%的速度增长。在此期间,飞机乘客将每年增长2.5%,全球将新增约1.5万架客机,使客机总数达到3.5架。中国航空业的发展将领先世界,以每年8.1%的速度发展,高于拉丁美洲(7.6%)和太平洋(601099)地区(6.1%)。预计2015~2020年中国航空客运周转量的年均增长率为7.8%。中国将在未来10~20年内新增5000余架客机和3000架直升机,成为仅次于美国的全球第二大市场。
  由于未来中国及世界航空市场将有很大的发展,相应对铝板材的需求量前景非常广阔。目前全球航空航天铝合金板用量估计在78万t,预测到2020年全球航空用铝板将达到100万t。2015年,中国国内航空航天领域用铝中厚板约5万t,如果按15%增长率计算,到2020年国内航空航天铝板需求量约10万t。
  近年来,铝锂合金由于具有密度低、性能好的特点,在军用飞机、民用客机和直升飞机上使用或试用,主要用于机身框架、襟翼翼肋,垂直安定面、整流罩、进气道唇口、舱门、燃油箱等等。米格-29使用铝锂合金用量达3.8t。C-17运输机使用铝锂合金板材和挤压型材制造货舱的地板梁、襟翼副翼蒙皮等结构,用量为2.8t。法国幻影战斗机上也大量使用铝锂合金,其成本低于热固塑料和金属基复合材料。而目前我国铝锂合金用材尚处于研究阶段,只有一些大学和科研机构在进行产业化工业开发。
  图1所示为空客A380客机主要结构件对选材材质的性能要求。目前,A380主要结构件中61%为铝材,22%为复合材料,10%为钛材(及钢材),3%为金属和纤维材料经层压制造而成的Glare材料,2%为涂层等保护材料,2%为其它材料。
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