一文了解有色金屬材料技術及產業應用

有色金屬新材料是國民經濟、人民日常生活及國防工業、科學技術發展必不可少的基礎材料和重要的戰略物資。有色金屬的發展也已經越來越成熟，在加工和性能方面都有很大的突破，尤其是近的十年，我國與有色金屬對應的產業與產品規格等都有很大幅度的提升，不僅能夠滿足我國的基礎應用，還能夠對外出口。

√有色金屬簡述

有色金屬也就是非鐵金屬，狹義上的有色金屬是指錳、鐵和鉻以外的金屬總稱；廣義上的有色金屬包括有色合金，而有色合金則是將有色金屬作為基體，并向其中加入一種或是幾種金屬元素合金。有色金屬材料屬于金屬材料，主要包括鉛、鋁、銅以及鎳等金屬或者是合金。有色金屬的純度對其耐腐蝕性有很大影響；在加入其它金屬之后，通常能夠增加有色金屬的機械性能，但是耐腐蝕性會下降；冷加工能夠提升有色金屬的強度，但是其塑性降低。

有色金屬主要分為四個類型 ：

01輕金屬，如鋁和鎂等，主要特點是在化學方面表現出活潑性質，而在物理方面表現出密度小的性質；

02重金屬，一般密度不低于 4.5g/m3 ，常見的有鋅、銅以及鉛等；

03貴金屬，貴金屬在地殼中的含量非常少，提取的難度非常高，因此價格也非常貴，所表現出的化學性質較穩定，密度比較大，常見的有鉑、金以及銀；

04稀有金屬，在自然界中的分布和存儲量都非常少，并且是人類很少使用的元素；例如鉬、鍺、鎢以及鋰等。

此外，根據《新材料發展指南》劃分出的有色金屬材料，則主要包括括高性能鋁合金、高性能銅合金、鎂合金、鈦及鈦合金、稀有難熔金屬材料、貴金屬等，這些有色金屬材料支撐著交通領域工程的應用，應用案例如下：

鈦合金

航空航天用的新型低溫鈦合金

石化、核電等用耐蝕、抗輻射鈦合金

艦船及海洋工程用高強韌鈦合金

蒙皮用大型寬幅鈦及鈦合金板材

承力型大規格鈦合金棒材

鎂合金

航空航天用鎂合金鍛件、擠壓型材、板材

汽車輕量化用變形、鑄造鎂合金

鋁合金

鋁及鋁合金板、帶、箔材（平軋材）生產線、鋁合金型材生產用大型擠壓機、航空鋁材生產線：

高速鐵路車體用鋁合金

大型艦船運輸罐體用鋁合金

汽車輕量化用鋁合金

機身蒙皮用大規格鋁合金

航天用高性能鋁鋰合金

有色金屬產業應用案例

01輕合金材料

    隨著能源危機、環保問題的日益嚴峻，航空航天、軌道交通材料輕量化已成為關注的焦點。同時，制備高性能輕量化合金材料也成為材料領域的前沿科學熱點，也是我國制造產業領域的重大戰略需求。我國近年來雖然在髙性能輕量化合金材料的制備技術開發上取得了舉世矚目的進展，但在原創性技術方面，仍顯著落后于發達，許多領域仍受限于發達技術封鎖。尤其是，我國在高性能輕量化合金材料制備方面，缺乏熱力學、動力學理論和方法的突破與創新。

    針對我國輕合金產品結構低端、自主創新基礎薄弱、部分應用領域自主保障能力嚴重不足的現狀，聚焦民用飛機、海洋石油工程、乘用車等裝備的應用需求，攻克高性能輕合金材料設計、冶金質量及組織調控、殘余應力表征及控制以及產品一致性、穩定性和可靠性控制等關鍵技術，需要開展以下研究內容：

大型客機用輕合金材料及其低成本制造技術；

航空航天用高強高韌輕合金新品種和制備技術；

海洋工程用高強耐蝕鈦合金/鋁合金新品種及制造技術；

汽車輕量化用高性能鋁/鎂合金及其加工材制造技術；

大規格輕合金材料的殘余應力表征及低殘余應力制造技術。

鈦及鈦合金的特性和應用領域

    鈦合金指的是多種用鈦與其他金屬制成的合金金屬，強度高、耐蝕性好、耐熱性高。鈦合金廣泛應用于制作飛機發動機壓氣機部件、骨架、蒙皮、緊固件及起落架等。鈦合金也應用在火箭、高速飛機的結構件。鈦及鈦合金以其優良的性能，也使其成為應用在海陸空的三棲金屬。

我國新型鈦合金的開發與發展

鎂合金應用領域

    鎂基材料被譽為世紀富于開發和應用潛力的“綠色材料”被廣泛應用于航空航天、軍事、交通及3C產品等領域中。交通工具輕量化成為當今發展趨勢，鎂合金是實際應用中輕的金屬結構材料。非常適用于交通運輸領域，是生產重量輕、油耗低、環保的新一代交通工具的材料。

隨著節能減排的壓力增加、國防級別的提升和生活品質要求的提高，這些因素將為鎂產業未來的發展提供快速增加的市場需求。

鋁加工技術與產品

    “十三五”以來，我國鋁材生產能力和技術水平取得了巨大進步，2019 年鋁材產量達到 5.252×107 t，居世界。我國自主研發了 LC4、 LC9、LY12、2A12、2A16、7A04、7B04、7A50、 7B50 等系列鋁合金，建立了代、第二代、第三代鋁合金材料加工技術體系。近年來，我國自行研制的新型高強韌鑄造鋁合金、第三代鋁鋰合金、高性能鋁合金型材的性能均達到水平。在《變形鋁及鋁合金化學成分》（GB/T 3190—2020）中，近 10 年我國共增加了 29 個國產鋁合號。其中北京工業大學在掌握了含鉺彌散強化鋁合金的制備和加工技術，研發的含鉺 5E83 鋁合金冷軋板、5E06 鋁合金熱軋板、熱擠壓壁板等 5 個合號列入標準，在國防及汽車等領域獲得重要應用，部分品種替代了進口產品。

    在汽車領域，我國的鋁合金汽車板已初具規模化生產能力，但成熟產品6016 與 5182 牌號，其他牌號仍未具備批量供貨能力。近年來，中國鋁業集團有限公司在汽車輕量化領域取得了一定的成果，開發了汽車用 6016、6014、5182、5754 合金，并在吉利汽車、海馬汽車制造中實現小批量應用。

    在船舶領域，我國近些年來開發的可以商業化應用的船用鋁合金板材/型材為5083、6061、6082 鋁合金，隨著深藍戰略的實施，中國已開始建造自己的郵輪、“海上牧場”、鉆井平臺、發電站、直升機平臺，招商局集團有限公司的艘極地號郵輪已交付使用。船體其他部位以及符合我國海洋與河流環境的鋁合金材料開發仍存在大量空白，尚需多領域、多學科交叉合作。

新一代飛機機體大型整體式結構件

    大型整體式結構件取代由多個散件拼裝而成的組合式構件，可實現減重 15-20%，可靠性也大幅提高。但大型整體式結構件的制造，需要超大 厚度的鋁合金/鈦合金鍛件、厚板等。但需攻克合金體系、制品表層與芯 部加工組織差異性、淬火敏感性、大尺寸零部件加工裝備和加工方式等關鍵技術。