鋁合金產(chǎn)業(yè)鏈及其市場(chǎng)需求
鋁合金具有密度小、強(qiáng)度高、耐腐蝕性能好、加工性能優(yōu)異等特點(diǎn)，因此是當(dāng)前軍事工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的金屬結(jié)構(gòu)材料。在追求裝備輕量化的航空、航天以及艦船領(lǐng)域，高性能鋁合金是必不可少的重要輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。
資料來源：新材料在線
一、打飛機(jī)產(chǎn)業(yè)助力航空鋁材需求走俏
1、航空鋁材概況
航空鋁材是一種超高強(qiáng)度變形鋁合金，是航空領(lǐng)域尤其在客機(jī)上使用量最大的金屬材料。
主要特征：
1)力學(xué)和加工性能優(yōu)異，固溶處理后塑性好，熱處理強(qiáng)化效果佳;
2)在150℃以下強(qiáng)度高、韌性好，是理想的結(jié)構(gòu)材料;
3)密度小，質(zhì)量輕，輕量化效果顯著。
主要應(yīng)用部位：翼面蒙皮、翼面長(zhǎng)桁、翼梁上下緣條、腹板、機(jī)身長(zhǎng)桁、座椅滑軌、龍骨梁、側(cè)框、機(jī)身蒙皮、機(jī)身下部壁板、主地板桁條等;
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;
耐熱鋁合金零件主要用于靠近電動(dòng)機(jī)的機(jī)艙、空氣交換系統(tǒng)等;
耐蝕鋁合金具有足夠高的性能指標(biāo)，其強(qiáng)度、塑性、沖擊韌性、疲勞性能和可焊性都很好，主要具有耐蝕性，主要用于水上飛機(jī)。
航天航空用大型擠壓型材包括整體帶筋壁板、工字大梁、機(jī)翼大梁、梳狀型材、空心大梁型材等，主要用作飛機(jī)、宇宙飛船等航天航空器的受力結(jié)構(gòu)部件以及直升飛機(jī)異形空心旋翼大梁和飛機(jī)跑道等。
鋁合金厚板主要應(yīng)用于飛機(jī)框架、整體壁板、起落架、蒙皮等。
二、航空鋁材的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)
1、航空鋁材的現(xiàn)狀
目前，大飛機(jī)結(jié)構(gòu)中使用最廣泛主要有高強(qiáng)度的2000系(2024/2224/2324/2424/2524等)和超高強(qiáng)度的7000系(7075/7475/7050/7150/7055/7085等)。
2000系鋁合金屬于Al-Cu-Mg 系合金，被稱為高強(qiáng)度硬鋁，是用途最為廣泛的結(jié)構(gòu)鋁合金。比7000系鋁合金的室溫強(qiáng)度低，但耐熱性、疲勞特性，特別是抗疲勞裂紋擴(kuò)展性都比7000系的好。
7000系鋁合金屬于Al-Zn-Mg-Cu 系合金，這類合金具有高的比強(qiáng)度和硬度、較好的耐腐蝕性能和較高的韌性、優(yōu)良的加工性能，在大飛機(jī)上有著廣泛的應(yīng)用。
資料來源：新材料在線
2、航空鋁材的發(fā)展趨勢(shì)
飛機(jī)用鋁合金設(shè)計(jì)要求主要考慮材料的靜強(qiáng)度、抗腐蝕性能、穩(wěn)定的高溫性能、耐用性、損傷容限、良好的厚板性能和輕量化效果，傳統(tǒng)的2000系和7000系鋁合金基本具備了上述性能，而且加工工藝成熟，成本相對(duì)低廉。但是以新型的B787和A380為代表的新一代大型飛機(jī)，對(duì)舒適性、安全性、經(jīng)濟(jì)性等主要性能指標(biāo)提出了更高的要求，因此對(duì)所用材料的性能的要求更加嚴(yán)苛，類似鋁鋰合金、快速凝固鋁合金、先進(jìn)復(fù)合材料等新材料逐漸帶來替代威脅。
鋁鋰合金
鋁鋰合金是含鋰元素的多元鋁合金。鋰是最輕的金屬元素，鋁合金中每增加1%鋰元素，密度就可減少3%，模量就可增加5%。鋁鋰合金除了具有質(zhì)量輕、模量高和強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)外，還具有優(yōu)良的抗疲勞性能和良好的低溫韌性，其強(qiáng)度可與2024、7075 等鋁合金媲美。鑒于此，鋁鋰合金已深得航空航天界的喜愛，它作為一種新型航空航天結(jié)構(gòu)材料，已成為美、英、法、俄等發(fā)達(dá)國(guó)家競(jìng)相研制、開發(fā)的熱點(diǎn)。
目前，已開發(fā)出的新型鋁鋰合金主要有高強(qiáng)可焊的1460 和Weldalite 系列合金，高韌的2097、2197合金，低各向異性的AF/C-489、AF/C-458 合金等。這些新出現(xiàn)的鋁鋰合金可統(tǒng)稱為第三代鋁鋰合金.
鋁基復(fù)合材料
鋁基復(fù)合材料由于具有密度小、比強(qiáng)度和比剛度高、比彈性模量大、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好、耐高溫、抗氧化、耐腐蝕、制備工藝靈活等許多優(yōu)點(diǎn)而引起人們的普遍關(guān)注，各國(guó)在研發(fā)上都投入了大量的人力物力，它是金屬基復(fù)合材料中研究得最多和最主要的復(fù)合材料。鋁基復(fù)合材料已成為鋁合金，甚至是鋁鋰合金的重要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。目前開發(fā)的鋁基復(fù)合材料主要有SiC/Al、B/Al、BC/AI、Al2O3/Al 等。
超塑性成形鋁合金
鋁合金的超塑性成型是通過形變熱處理得到的小于10 μm 的超細(xì)晶粒，這些超細(xì)晶粒合金在高于半熔點(diǎn)和低應(yīng)變速率條件下能獲得超塑性，可以成形出傳統(tǒng)方法難以獲得的質(zhì)量輕、成本低、形狀復(fù)雜的構(gòu)件，并且具有成形壓力小、模具壽命高、可一次精密成形等許多優(yōu)點(diǎn)。
航空鋁材的需求分析
鋁合金是客機(jī)上用量最大的金屬材料，通常占整機(jī)比重的70%以上，由于其高性價(jià)比，目前在客機(jī)上的地位仍然十分穩(wěn)固;但是在軍機(jī)領(lǐng)域，鋁合金的占比隨著鈦合金和復(fù)合材料的迅速發(fā)展逐漸呈下降趨勢(shì)，目前在最先進(jìn)的五代戰(zhàn)機(jī)F22上鋁合金用量?jī)H約為15%。
圖表33客機(jī)中各系材料比例
資料來源：航空材料學(xué)報(bào)，材料導(dǎo)報(bào)
中國(guó)的航空產(chǎn)業(yè)正處于高速發(fā)展期，不論是以C919為代表的大型商用飛機(jī)，還是以殲20為代表的新一代戰(zhàn)機(jī)，中國(guó)都有巨大的需求缺口。在客機(jī)方面，未來20年中國(guó)新機(jī)需求預(yù)計(jì)將達(dá)到6500架左右，對(duì)高端航空鋁材的需求將有望達(dá)到45-55萬(wàn)噸。在軍機(jī)方面，未來10年中國(guó)將新增四代/五代戰(zhàn)機(jī)達(dá)到1000架左右，對(duì)高端鋁材的需求預(yù)計(jì)達(dá)2-3萬(wàn)噸。
資料來源：航空材料學(xué)報(bào)，材料導(dǎo)報(bào)
三、艦船用鋁材
1、艦船用鋁材概況
在海軍艦船中，用量最大的金屬材料是船體結(jié)構(gòu)鋼，作為整個(gè)艦船的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)載體，其次是鋁合金。與鋼材相比，鋁合金具有密度小、比強(qiáng)度大、無磁性、高導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性等特點(diǎn)，是制造中小型艦艇船體、上層建筑及其他倉(cāng)面器具的首選材料，尤其是制造滑行艇、水翼艇、氣墊船、沖翼艇的最佳材料。因?yàn)樗鼈兊馁|(zhì)量對(duì)航速尤為敏感，減輕船體質(zhì)量能夠有效地提高航速。
鋁材在船艦上主要有三類應(yīng)用：
1)以強(qiáng)度為主要因素的受力結(jié)構(gòu)件，如船體、大型艦船甲板室、艦船艦橋、導(dǎo)彈發(fā)射筒、電磁炮軌道等。
2)非受力構(gòu)件或受力較小的構(gòu)件，如各種棲裝件、油箱、水箱、儲(chǔ)藏柜，鋁質(zhì)水密門、窗、蓋，衛(wèi)生設(shè)施、管道、通風(fēng)、擋風(fēng)板、支架、流線型罩殼和手把等。它們多是用6063、6082、3003等合金材料制造的。
3)功能材料，用于制造倉(cāng)室內(nèi)部裝飾件與絕熱、隔聲材料。
2、鋁合金在艦船上的應(yīng)用提升
從上世紀(jì)20年代起，鋁合金在艦艇上獲得了更加廣泛的應(yīng)用，包括航母、巡洋艦、護(hù)衛(wèi)艦、導(dǎo)彈驅(qū)逐艦、潛艇、快艇、炮艇、登陸艇等建造過程中都需要大量鋁合金。
航母由于其龐大的體積和巨大的質(zhì)量，出于穩(wěn)定性和適航性等要求，對(duì)減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量等具有迫切需要，特別是上層建筑的質(zhì)量，對(duì)改善航母的戰(zhàn)術(shù)性能至關(guān)重要。根據(jù)對(duì)現(xiàn)有航母的初步統(tǒng)計(jì)，通常一艘航母的鋁合金材料用量為500-1000噸。例如，美國(guó)“獨(dú)立”號(hào)(CVA62)航母用了1019噸鋁材，“企業(yè)”號(hào)核動(dòng)力航母(CVA65)用了450噸鋁材，法國(guó)“福熙”號(hào)(R99)及“克里蒙梭”號(hào)(R98)航母用了1000多噸鋁材。中國(guó)首艘航母“遼寧”號(hào)鋁材用量估計(jì)約650t，合金多為5052與6063。
在驅(qū)逐艦等大型水面艦船上，主甲板上的全部結(jié)構(gòu)多采用鋁合金制造。美國(guó)海軍不同級(jí)的驅(qū)逐艦，在甲板以上結(jié)構(gòu)中所用的鋁合金數(shù)量分別如下：護(hù)航驅(qū)逐艦(DE)用鋁量251.33 噸;導(dǎo)彈驅(qū)逐艦(DLG)用鋁量811.30 噸;彈道導(dǎo)彈驅(qū)逐艦(DDG)用鋁量515.88 噸;彈道導(dǎo)彈核動(dòng)力驅(qū)逐艦(DLGN)用鋁量為930.35噸。由于中國(guó)的海軍戰(zhàn)略逐步從近海防衛(wèi)向區(qū)域拒止轉(zhuǎn)變，我國(guó)包括航母在內(nèi)的大型艦艇加快了建造和列裝的速度。隨著新型航母和驅(qū)逐艦等的建設(shè)，對(duì)艦船用鋁合金的需求也將大幅提升。
資料來源：中國(guó)腐蝕與防護(hù)網(wǎng)
四、鋁合金的發(fā)展趨勢(shì)
鋁合金對(duì)飛機(jī)、汽車的輕量化具有重要作用，在航空和汽車領(lǐng)域的需求巨大。尤其隨著國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)C919的批量生產(chǎn)，高端航空鋁材的消費(fèi)量將直線上升。在上游鋁合金的產(chǎn)能過剩情況下，高端鋁合金需求提升只對(duì)下游鋁合金精密加工企業(yè)形成利好，高端鋁合金未來需要更大等。
