在各個(gè)領(lǐng)域，鋁合金鍛件用量不多，但是這些構(gòu)件很重要，因?yàn)槎际鞘芰Y(jié)構(gòu)件。如今，西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限公司的鍛件裝在了成千上萬(wàn)架國(guó)外飛行器上，宏山航空鍛造有限公司則即將成為世界第二大鋁合金鍛造廠。但盡管如此，中國(guó)在鍛造鋁合金研發(fā)和鍛造工藝創(chuàng)新方面與國(guó)外先進(jìn)水平相比還有一定差距。本文對(duì)中國(guó)鋁合金鍛造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀作了簡(jiǎn)潔描述。

可鍛性

金屬的可鍛性是指對(duì)其進(jìn)行塑性加工獲得合格工件難易程度的工藝性能?？慑懶院玫慕饘僖子谒苄约庸こ尚?，否則不適合于塑性加工成形。衡量金屬可鍛性高低可用其塑性和變形抗力綜合衡量。塑性高，變形抗力小，則認(rèn)為其有好的可鍛性，反之則差。金屬的可鍛性高低取決于金屬的屬性和加工條件。

變形鋁合金都有不錯(cuò)的可鍛性，可用各種鍛造工藝（自由鍛、模鍛、輥鍛、輾壓、旋壓、環(huán)軋等）生產(chǎn)各種形狀和類形的鍛件。7XXX系和5XXX系合金的可鍛性最差，而6XXX系合金的可鍛性最好，2XXX系、4XXX系、8XXX系合金的可鍛性居中。鋁合金的可鍛性除與本身化學(xué)成分有關(guān)外，還與變形溫度、變形速度和應(yīng)力狀態(tài)密切相關(guān)。

鋁合金的可鍛性均隨著溫度的升高而增大，但溫度的影響程度各有所不同。對(duì)于難鍛的7XXX系合金，流動(dòng)應(yīng)力隨溫度發(fā)生的變化要更大一些，這就是它們鍛造溫度范圍較窄的原因。鍛造工藝除溫度外，另外兩個(gè)關(guān)鍵因素是模具溫度和變形程度。這是鍛造是否順利的三要素。

變形速度是單位時(shí)間內(nèi)的變形程度，對(duì)可鍛性的影響有兩個(gè)方面：一方面由于材料變形速度的增大，恢復(fù)和再結(jié)晶來(lái)不及克服加工硬化，材料塑性下降、變形抗力上升，可鍛性變差；另一方面，材料在變形過(guò)程中，用于塑性變形的能量有一部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，產(chǎn)生熱效應(yīng)，使金屬溫度上升，變形速度越大，熱效應(yīng)越明顯，金屬塑性上升，變形抗力下降，可鍛性增強(qiáng)。鋁合金鍛件是由多種設(shè)備制備的，有的應(yīng)變速率很快，如鍛錘的≥1/10s；有的則相當(dāng)慢，如液壓機(jī)的卻≤0.1/s。

工藝參數(shù)

工藝參數(shù)是指鍛造溫度、變形速度和變形程度。它們對(duì)材料可鍛性和鍛件的組織及性能有很大影響。確定鍛造工藝的焦點(diǎn)就是確定工藝參數(shù)。選擇參數(shù)的主要依據(jù)是合金相圖、塑性圖、變形抗力圖和再結(jié)晶圖。

鍛造溫度范圍

鍛造溫度范圍是指始鍛溫度和終鍛溫度之差。合金相圖是確定此溫度范圍的主要參考依據(jù)，可以粗略地確定此溫度范圍，然后通過(guò)合金的塑性、變形抗力圖和加工再結(jié)晶圖加以精確化。確定鍛造溫度范圍的基本原則為：合金在鍛造溫度范圍內(nèi)具有良好的塑性和較低的變形抗力；溫度范圍宜盡可能寬些，以減少加熱次數(shù)；能保證鍛件具有細(xì)晶粒組織和高的力學(xué)性能；易操作。常用鋁合金的鍛造溫度見(jiàn)表1。

表1 鋁合金的鍛造溫度范圍

變形速度

變形速度是指單位時(shí)間內(nèi)變形程度變化量，不等于設(shè)備工作速度，它與坯料尺寸有關(guān)。變形速度與鍛造錘頭或壓力滑塊的運(yùn)動(dòng)速度和坯料尺寸的關(guān)系為：

式中V為滑塊（橫梁、錘頭）或工具的運(yùn)動(dòng)速度，m/s；Ho為毛坯原始高度，m。

由上式可知，當(dāng)安于錘頭或壓力機(jī)滑塊上的工具的運(yùn)動(dòng)速度相等時(shí)，壞料高度愈小，變形速度愈大；坯料尺寸相同，工具運(yùn)動(dòng)速度愈大，變形速度也愈大。

研究指出，變形速度對(duì)鋁合金塑性和變形抗力有一定影響，大多數(shù)合金化程度低的鋁合金隨變形速度的增加，在鍛造溫度范圍內(nèi)的工藝塑性沒(méi)有明顯下降。但是，對(duì)那些成分復(fù)雜合金化程度高的鋁合金，從靜載變形到動(dòng)載變形，工藝塑性下降，允許變形程度從80%降到40%。此外，從靜載荷變形轉(zhuǎn)為動(dòng)載變形，鋁合金的變形抗力將增大0.5～2倍。另外，為了提高所允許的變形程度和生產(chǎn)率，降低變形抗力，改善鍛件組織，最好在水壓機(jī)上鍛造和模鍛鋁合金。

變形程度

鋁合金的鍛造變形程度可分為每次工作行程變形程度和總變形程度。每次工作行程的最大變形程度可根據(jù)該合金的塑性圖和鍛件形狀確定。鋁合金的允許變形程度取決于合金的成分和鍛壓機(jī)的變形速度，一般都隨合金的合金化程度的上升和變形速度的上升而下降。

鋁合金鍛件的力學(xué)性能隨變形程度的變化而有規(guī)律地變化。鍛造的變形程度不僅決定了鍛件的力學(xué)性能，而且決定了鍛件的各向異性。鍛造2A11合金的試驗(yàn)表明，在小變形和中等變形時(shí)，各向強(qiáng)度均隨變形程度增加而上升，各向強(qiáng)度相差不大，但伸長(zhǎng)率降低卻較大；變形程度為80%時(shí)，鍛件縱向性能趨于最大值；變形程度為60%～70%時(shí)橫向力學(xué)性能達(dá)到最大值；再加大變形程度，由于纖維組織的形成，鍛件強(qiáng)度劇烈下降。因此，在鍛造的所有階段單方向的壓縮變形都不得大于60%?？梢?jiàn)，為了2A11合金能獲得足夠大的力學(xué)性能和盡可能小的各向異性，鑄錠的變形程度不宜小于65%。

若鍛造用的原材料為鑄錠時(shí)，在滿足鍛件尺寸和形狀前提下，應(yīng)盡可能地采用小的鑄錠，因?yàn)殄V的原始組織對(duì)鍛件的組織和力學(xué)性能均有相當(dāng)大的影響。

鍛造變形速度和變形程度

表2 鍛坯在不同鍛壓機(jī)上的典型變形速度

表3 允許鍛造變形程度范圍

鋁合金鍛造變形速度見(jiàn)表2，允許鍛造變形程度范圍見(jiàn)表3。

較新與先進(jìn)的鍛造工藝

鍛造是以錘擊或壓制法對(duì)坯料施加壓力，使之發(fā)生塑性變形的加工方法。鍛造加工具有適應(yīng)性強(qiáng)，能生產(chǎn)各種金屬材料不同形狀和尺寸的工件（鍛件）；在保證設(shè)計(jì)強(qiáng)度的前提下可以減輕零件質(zhì)量、節(jié)約材料和機(jī)械加工時(shí)間；生產(chǎn)效率高、可進(jìn)行大批量生產(chǎn)；能較好地改善材料的組織性能等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，鍛造加工也有設(shè)備龐大復(fù)雜、能耗大、效率低、成本高等不足。

鍛造加工歷史悠久，早在公元4000多年前的新石器時(shí)代末期，人類就錘擊天然紅銅制造裝飾品和用品，中國(guó)在公元前11世紀(jì)就出現(xiàn)了鍛造工藝。按使用設(shè)備和工具的不同，可將鍛造分為自由鍛和模鍛。模鍛又可分為開(kāi)式模鍛和閉式模鍛。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，模鍛技術(shù)也在不斷地發(fā)展，出現(xiàn)了精密模鍛、等溫模鍛、多向模鍛、液態(tài)模鍛、高速模鍛、粉末模鍛、輥鍛等。

精密模鍛

生產(chǎn)與成品零件尺寸很接近的少切削或無(wú)切削鍛件的模鍛。根據(jù)溫度的不同，在大于再結(jié)晶溫度時(shí)進(jìn)行的稱熱精密模鍛；在稍小于再結(jié)晶溫度進(jìn)行的稱中溫精密模鍛；在室溫進(jìn)行的稱冷精密模鍛。精密模鍛的特點(diǎn)：材料利用率大，尺寸精度和表面質(zhì)量高，金屬流線合理，能提高工件的承載能力。這對(duì)鍛造費(fèi)工時(shí)及性能要求較高的零件如齒輪、渦輪、葉片和航空航天器工件等都具有重要意義。精密模鍛有開(kāi)式和閉式兩種。

等溫模鍛

等溫模鍛是在將模具加熱到與所加工金屬的變形溫度同等溫度時(shí)以低應(yīng)變速率進(jìn)行的鍛造。其原理是，利用金屬材料在適當(dāng)?shù)母邷睾蛻?yīng)力下，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間的保溫發(fā)生蠕變，或利用具有應(yīng)變速率敏感材料和相變材料等所出現(xiàn)的超塑性條件，實(shí)現(xiàn)薄壁、高筋、形狀復(fù)雜或難變形金屬的成形。等溫模鍛的關(guān)鍵是帶有感應(yīng)加熱器或電阻加熱器加熱模具。該法的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，不但可以加工難變形的金屬與合金，而且能以小設(shè)備鍛制投影面積大而薄的鍛件。

等溫模鍛有兩個(gè)關(guān)鍵因素：坯料保持恒溫和低的變形速率。恒溫可以保證坯塊的最佳變形塑性和小的變形抗力以及為動(dòng)態(tài)恢復(fù)再結(jié)晶提供足夠的能量；低的變形速率為動(dòng)態(tài)恢復(fù)再結(jié)晶提供了充足的時(shí)間，使坯塊一直處于再結(jié)晶狀態(tài)，同時(shí)保證了坯塊在鍛造過(guò)程中各部分變形溫度及溫升大體一致，獲得組織均勻的鍛件，整體性能良好。所以溫度和變形速率的精準(zhǔn)控制能保證等溫鍛造順利地進(jìn)行。由于采取了這些控制措施，在鍛造過(guò)程中坯塊變形抗力與常規(guī)鍛造相比，大幅度降低，使用小的設(shè)備可以生產(chǎn)大投影面積的模鍛件，設(shè)備投資大大下降。

等溫模鍛一要鍛壓機(jī)，二要模具。鍛造設(shè)備通常采用能調(diào)速能保壓的液壓機(jī)，因?yàn)榈葴劐懺煲箦懺爝^(guò)程中坯塊變形速率慢，依據(jù)等溫鍛造的變形抗力確定設(shè)備鍛造力。通常等溫模鍛的單位壓力為常規(guī)模鍛的1/5～1/10。此外，液壓機(jī)要有頂出裝置，應(yīng)有足夠的空間安裝模具及加熱的輔助工裝設(shè)備。壓機(jī)上、下模具裝于基板上，應(yīng)有冷卻循環(huán)系統(tǒng)，確保鍛壓機(jī)組件在工作時(shí)不受模具加熱裝置的熱影響。

等溫鍛造主要問(wèn)題之一就是模具材料的選擇及其加工制造，要求材料在鍛造溫度下具有一定的強(qiáng)度安全系數(shù)，在高溫下能長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，且不被氧化，目前用的為鎳基高溫鑄造鋼。

中國(guó)等溫模鍛技術(shù)研究始于20世紀(jì)70年代，北京航空材料研究院、西北工業(yè)大學(xué)、南昌航空航天大學(xué)、上鋼五廠、航空148廠、航空3007廠等相繼研發(fā)和生產(chǎn)鋁、鈦和粉末冶金等的航空航天等溫鍛件。

多向模鍛

多向模鍛是在多柱塞機(jī)上利用幾個(gè)沖頭從不同方向同時(shí)或依次對(duì)模具內(nèi)的坯料加壓，制取復(fù)雜形狀的精密鍛件的工藝。多向模鍛按分模面布置分為水平分模面、垂直分模面和同時(shí)兩種分模面模鍛3種。多向模鍛一般在液壓機(jī)上進(jìn)行，用機(jī)械壓力機(jī)的不多。多向模鍛特點(diǎn)：既可以制備中小尺寸鍛件，也可以制造尺寸較大的鍛件；由于變形時(shí)呈強(qiáng)大的三向應(yīng)力狀態(tài)，金屬塑性顯著提高，可以鍛造溫度范圍窄、塑性差的難變形合金；能鍛出組織性能好、尺寸精準(zhǔn)、無(wú)飛邊無(wú)模鍛斜度的實(shí)心及空心鍛件；節(jié)約金屬，鍛件取出方便，沒(méi)有成形好的鍛件可進(jìn)行第二次、第三次鍛造，直至合格為止；對(duì)多工步模鍛，有利于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化。

液態(tài)模鍛

液態(tài)模鍛是對(duì)注入模槽內(nèi)的合金熔體施加壓力，使其在冷凝和結(jié)晶過(guò)程中產(chǎn)生塑性變形而成為工件的一種鍛造工藝，實(shí)質(zhì)上就是壓鑄和鍛造合二為一。液態(tài)模鍛按施壓方式分為3種：平頭加壓法、異形沖頭加壓法、間接法。該法應(yīng)用于鍛造困難、鍛件質(zhì)量不易合乎要求，而模鍛成本又過(guò)高的鍛造上，是在壓力鑄造的基礎(chǔ)上逐步發(fā)展起來(lái)的，但又與壓力鑄造不同，不僅是把熔體壓入模內(nèi)冷凝成形，而是在熔體注入凹模后先行壓鑄，隨后繼續(xù)加壓使之成形。其實(shí)質(zhì)是對(duì)熔體或半固態(tài)熔體加壓力使其結(jié)晶，并在壓力下變形，改變了金屬在正常狀態(tài)下的結(jié)晶組織。這就形成了晶粒在結(jié)晶過(guò)程中不斷地被壓碎而細(xì)化，鑄態(tài)樹(shù)枝晶粒變成細(xì)小等軸晶粒，在隨后的冷卻收縮中仍被壓縮，只要壓力足夠，就能將縮孔、氣孔、疏松等缺陷壓合，使力學(xué)性能比壓鑄件的高。與常規(guī)熱模鍛相比，液態(tài)模鍛能耗低、設(shè)備鍛壓力小、金屬消耗也低。但用此工藝生產(chǎn)時(shí)，由于易產(chǎn)生裂紋、脫模也不易，制品質(zhì)量不如常規(guī)鍛造的，故應(yīng)用受到一定限制。

高速模鍛

高速模鍛的特點(diǎn)：錘頭質(zhì)量輕，速度極快。其主要有兩大類：高速高能型和內(nèi)燃機(jī)型。前者的工作原理是先貯存足夠的能量，然后突然釋放，獲得非常高的速度（12m/s～24m/s），采用單次對(duì)擊式鍛錘，在小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)鍛模內(nèi)金屬坯料的成型。后者的工作原理同內(nèi)燃機(jī)一樣，錘頭在燃?xì)鈮毫ν苿?dòng)下實(shí)現(xiàn)錘鍛，而后由空氣壓力復(fù)位。

高速模鍛最重要的特點(diǎn)是金屬在高速條件變形時(shí)，其流動(dòng)性得到改善，塑性提高，因而適于鍛造難變形的合金，以及形狀復(fù)雜、偏差要求高、斷面薄的翼形鍛件，在某些情況下，還能細(xì)化鍛件晶粒、提高強(qiáng)度。目前，此工藝主要用于鍛造葉片、齒輪、翼形件等。另外，高速模鍛時(shí)，成形速度極高，對(duì)模具沖擊很劇烈，模具易損壞。

粉末模鍛

粉末模鍛以金屬粉末為原料，經(jīng)過(guò)壓制、燒結(jié)、模鍛等工序制成所需形狀和性能鍛件的工藝，保持了粉末冶金壓實(shí)制坯的優(yōu)點(diǎn)，又發(fā)揮了鍛造變形的特點(diǎn)。其材料利用率高，可達(dá)90%以上；力學(xué)性能高，材質(zhì)均勻無(wú)異向性，鍛件耐磨性大大提高；精度高，表面光潔，利于復(fù)雜形狀鍛件的成形；簡(jiǎn)化了生產(chǎn)工藝，生產(chǎn)效率高，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化；模具使用壽命長(zhǎng)。

輥鍛

輥鍛是上世紀(jì)末與21世紀(jì)初發(fā)展起來(lái)的新型近凈成形技術(shù)。坯料在一對(duì)反向旋轉(zhuǎn)模具的作用下產(chǎn)生塑性變形所需產(chǎn)品的成形工藝。目前，輥鍛成形技術(shù)主要用于制備長(zhǎng)軸類鍛件，生產(chǎn)線投資不大，可大批量生產(chǎn)復(fù)雜鍛件；用于制備精密成形的板片類零件，如葉片成形，以及帶筋條的鈑金件。中國(guó)“奮進(jìn)”號(hào)航天飛船外貯箱的Al-Li合金“Y”形框和對(duì)接環(huán)就是輥鍛的。

輥鍛機(jī)由電動(dòng)機(jī)和齒輪驅(qū)動(dòng)一對(duì)軋輥?zhàn)飨鄬?duì)旋轉(zhuǎn)，輥上裝有扇形模，坯料放于輥間，由摩擦力咬入模具間，在輥的壓力下發(fā)生塑性變形，壓力可達(dá)1MN。

輥鍛可以制備鍛坯，也可以鍛制鍛件。輥鍛時(shí)，冷的或熱的坯料在裝有圓弧形模塊的一對(duì)旋轉(zhuǎn)著的鍛輥中通過(guò)，模槽使其發(fā)生變形，從面制成鍛件或鍛坯，如扳手、剪刀、肋板、麻手鉆、柴油機(jī)連桿、履帶、拖拉機(jī)鏈軌節(jié)、渦輪機(jī)葉片等。輥鍛變形是一個(gè)連續(xù)的靜壓過(guò)程，沒(méi)有沖擊和振動(dòng)，其優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）設(shè)備壓力小，因?yàn)殄憠哼^(guò)程是逐步地連續(xù)地進(jìn)行，變形時(shí)模具僅與坯料部分接觸，所以不需要大的鍛壓機(jī)；（2）勞動(dòng)條件好，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械化與自動(dòng)化生產(chǎn)；（3）設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不太笨重，對(duì)廠房和基礎(chǔ)要求較低；（4）工件不重，生產(chǎn)效率高；（5）模具不用高檔工具鋼制造，可用球墨鑄鐵或冷硬鑄鐵制造，機(jī)械加工量不大，生產(chǎn)成本較低。

不過(guò)，輥鍛主要用于鍛制長(zhǎng)軸工件，如用于鍛制復(fù)雜的工件，還需要在壓力機(jī)上進(jìn)行整形。

旋轉(zhuǎn)鍛

旋轉(zhuǎn)鍛為在多頭對(duì)擊的旋轉(zhuǎn)鍛機(jī)上生產(chǎn)精密軸類件的一種回轉(zhuǎn)成形工藝，又稱徑向鍛造。旋轉(zhuǎn)鍛造時(shí)，坯料受到幾個(gè)錘頭沿徑向?qū)ΨQ高速錘打，直徑減小，軸向延伸。鍛造時(shí)坯料與錘頭之間有相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和軸向運(yùn)動(dòng)。按鍛造溫度可將旋轉(zhuǎn)鍛造分為冷鍛、溫鍛和熱鍛，空心件的鍛造可分為無(wú)芯棒鍛造和有芯棒鍛造。旋轉(zhuǎn)鍛造已普遍用于機(jī)床、汽車、航空航天器、槍炮和其它機(jī)械的實(shí)心臺(tái)階軸、錐形軸、空心軸、膛線槍管和炮管等零件的生產(chǎn)。

半固態(tài)模鍛

半固態(tài)模鍛是美國(guó)麻省理工學(xué)院弗萊明斯教授于1972年發(fā)明的，自上世紀(jì)90年代以來(lái)已成為一種先進(jìn)成熟的工藝，特別是在鋁合金領(lǐng)域。該工藝是將預(yù)先鑄造的有細(xì)小均勻球狀等軸晶粒組織的錠坯加熱到有5（體積）%～50（體積）%液體的固—液狀態(tài)下一次模鍛成近成品尺寸零件的半固態(tài)成形工藝，又稱流變模鍛或觸變模鍛。半固態(tài)材料在相當(dāng)小力的作用就能發(fā)生流變或變形。半固態(tài)模鍛工藝具有一系列優(yōu)點(diǎn)，與常規(guī)工藝生產(chǎn)的車輪、電器零件性能的比較見(jiàn)表4及表5。

表4 半固態(tài)模鍛和金屬模鑄造鋁合金汽車車輪的性能比較圖片

表5 半固態(tài)模鍛和機(jī)械加工電器零件的性能比較圖片

模鍛潤(rùn)滑

模鍛潤(rùn)滑是利用潤(rùn)滑劑減少鍛模模槽與被鍛金屬間摩擦的一種工藝技術(shù)。采用良好的潤(rùn)滑劑可以降低鍛模磨損，延長(zhǎng)使用期限；降低變形抗力、變形不均勻性和變形能消耗；促進(jìn)金屬流動(dòng)，使其良好地充滿型腔，保證鍛件形狀規(guī)整、尺寸精準(zhǔn)；使鍛件易脫模，減少粘模。鍛造潤(rùn)滑劑一般應(yīng)同時(shí)具備潤(rùn)滑、隔離、脫模及冷卻功能，在使用過(guò)程中，殘留在模膛中的灰渣應(yīng)少，對(duì)鍛模和工具無(wú)腐蝕作用，無(wú)毒，煙氣少，可噴涂，價(jià)格合理等。潤(rùn)滑劑的涂敷狀況對(duì)鍛造質(zhì)量和成品率也有較大影響，潤(rùn)滑劑涂得多或不均勻,非但不能改善流動(dòng)，反而會(huì)阻礙金屬流動(dòng)或使金屬紊亂而導(dǎo)致鍛件出現(xiàn)折疊、渦流、穿流或晶粒不均勻等缺陷。

鋁合金鍛件在航空航天器上的應(yīng)用

鋁材在航空航天器上的應(yīng)用首推軋制材（板、帶、箔），其次是擠壓材（管、棒、型、線、緊固件），鍛件的用量不多，卻很重要，因?yàn)殄懠际鞘芰Φ慕Y(jié)構(gòu)件。在飛行器用的鋁材中，據(jù)筆者估計(jì)，鍛件的用量恐怕還不到鋁材總用量的15%，個(gè)別情況例外。

目前，在航空航天器中得到應(yīng)用的Al-Li合金有：美國(guó)的Weldalite 049、2090、2091、2094、2095、X2096、2197；歐洲鋁業(yè)協(xié)會(huì)（EAA）中英國(guó)的8091，法國(guó)的8093，俄羅斯的BAД23。

鋁材在飛行器上的應(yīng)用情況見(jiàn)表6～表12。其中，Weldalite 049合金鍛件的力學(xué)性能見(jiàn)表10。8090-T852 Al-Li合金鍛件的力學(xué)性能見(jiàn)表11。鍛件的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂性能比較見(jiàn)表12。

表6 一些民機(jī)的用材結(jié)構(gòu)

表7 俄羅斯民機(jī)用鋁材結(jié)構(gòu)

表8 航空航天鋁合金鍛件的合金與狀態(tài)圖片

表9 航空航天鋁合金自由鍛件的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂性能

表10 Weldalite049合金鍛件的力學(xué)性能

表11 8090-T852合金鍛件的力學(xué)性能

表12 航空航天器鍛件的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂性能比較

常用鍛造鋁合金

常用鍛造鋁合金有近20種，都是典型的變形鋁合金，有歷史悠久的20世紀(jì)30年代面世的美國(guó)鋁業(yè)公司發(fā)明的2014合金，也有新近20余年來(lái)研發(fā)的Al-Li合金，都在一些工業(yè)部門獲得廣泛應(yīng)用，用于制造各種結(jié)構(gòu)件。

2014合金

2014合金是一種資深的Al-Cu-Mg-Si-Mn系鍛造鋁合金，成分（質(zhì)量%）：（0.5～1.2）Si、0.7Fe、（3.9～5.0）Cu、（0.4～1.2）Mn、（0.2～0.8）Mg、0.10Cr、0.25Zn、0.15Ti，其他雜質(zhì)每個(gè)0.05，總計(jì)0.15，其余為Al。2014-T6狀態(tài)材料的強(qiáng)度性能均比2017、2024、2082等合金的高，在高溫下也有高的強(qiáng)度，但熔焊性能較差，抗蝕性較差，特別是抗應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂能力較低，因而必須進(jìn)行保護(hù)處理。該合金在工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，特別是在航空器與汽車制造中，鍛造底盤與懸架件，以及航空器起落輪鍛件。但后者因形狀復(fù)雜、壁厚差大，在成形過(guò)程中金屬變形量不均勻。沿輪輻內(nèi)側(cè)產(chǎn)生沿圓周方向的裂紋，可用自然時(shí)效法或低溫時(shí)效法消除內(nèi)應(yīng)力。

2017A合金

2017A合金是1972年歐洲鋁業(yè)協(xié)會(huì)（EAA）注冊(cè)的Al-Cu-Si-Mn-Mg系合金，成分（質(zhì)量%）：（0.2～0.8）Si、（3.5～4.5）Cu、（0.4～1.0）Mn、（0.4～1.0）Mg、0.10Cr、0.25Zn、0.25（Zr+Ti），其他雜質(zhì)每個(gè)0.05，總計(jì)0.15，其余為Al。該合金有承受高動(dòng)態(tài)載荷能力，在時(shí)效狀態(tài)應(yīng)用，屈服強(qiáng)度與6082合金得相當(dāng)，但有更高的抗拉強(qiáng)度與伸長(zhǎng)率，可熔焊性能欠佳，在腐蝕性環(huán)境中應(yīng)用時(shí)，應(yīng)進(jìn)行防腐蝕處理，可用于鍛制高負(fù)載汽車零件，當(dāng)然也可以鍛制航空器零件。在2017、6082、Alutex合金中，后者有最高的綜合性能。

2024合金

2024合金是一個(gè)久經(jīng)考驗(yàn)的鋁合金，不含稀貴的合金化元素，又有全面的綜合性能，只要有鋁合金存在，它就是頂梁柱之一。它是1933年美國(guó)鋁業(yè)公司發(fā)明的，至今已形成有12個(gè)成員的大家族：2024、2024A、2124、2124A、2224、2224A、2324、2424、2524、2624、2724、2824。2024合金的化學(xué)成分（質(zhì)量%）：0.50Si、0.50Fe、（3.8～4.9）Cu、（0.3～0.9）Mn、（1.2～1.8）Mg、0.10Cr、0.25Zn、0.15Ti，其他雜質(zhì)單個(gè)0.05，合計(jì)0.15，其余Al。2024合金的屈服強(qiáng)度比6082合金的高一些，抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率則更高，是制備高強(qiáng)度鍛件的常用合金。

5754合金

5754合金是一種用精鋁和精鎂配制的高純Al-Mg系合金，是1970年美國(guó)鋁業(yè)公司注冊(cè)的，已發(fā)展成為有13個(gè)成員的大家族，其中5054合金已淘汰，是鋁合金中最大的一族，還有1個(gè)中國(guó)合金（5154C，2008年注冊(cè)），它們的牌號(hào)：5154、5154A、5154B、5154C、5254、5354、5454、5554、5654、5754、5654A、5854。5754合金的化學(xué)成分（質(zhì)量%）：0.40Si、0.40Fe、0.10Cu、0.50Mn、（2.6～3.6）Mg、0.30Cr、0.20Zn、0.15Ti、（0.1～0.6）（Mn+Cr），其他雜質(zhì)單個(gè)0.05，合計(jì)0.15，其余為Al。該合金有良好的陽(yáng)極氧化與可焊性，用于鍛造內(nèi)外裝飾件。

6401合金

6401合金是1980年歐洲鋁業(yè)協(xié)會(huì)在美國(guó)鋁業(yè)協(xié)會(huì)公司注冊(cè)的高純度Al-Mg-Si系合金，化學(xué)成分（質(zhì)量%）：（0.35～0.7）Si、0.04Fe、（0.05～0.20）Cu、0.03Mn、（0.35～0.7）Mg、0.04Zn、0.01Ti，其他雜質(zhì)合計(jì)0.01，其余為Al。該合金的特點(diǎn)是抗蝕性強(qiáng)，表面處理性能優(yōu)異，成形性好，用于鍛造裝蝕件，在T5、T6狀態(tài)應(yīng)用。

6063合金

6063合金是產(chǎn)量最大的變形鋁合金，2022年全世界的產(chǎn)量超過(guò)22000kt，其中85%以上為擠壓建筑型材，1954年在美國(guó)鋁業(yè)協(xié)會(huì)注冊(cè)，美國(guó)鋁業(yè)公司研發(fā)，成分（質(zhì)量%）：（0.2～0.6）Si、0.35Fe、0.10Cu、0.10 Mn、（0.45～0.9）Mg、0.10Cr、0.10Zn、0.10Ti，其他雜質(zhì)單個(gè)0.05、合計(jì)0.15，其余為Al。該合金有優(yōu)秀的成形性、可焊性、抗蝕性，適于電化學(xué)光亮處理和陽(yáng)極氧化處理，適于制備高裝蝕性鍛件。

6061合金

6061合金是一種廣為應(yīng)用的中等偏高強(qiáng)度Al-Mg-Si-Cu系合金，美國(guó)鋁業(yè)公司研發(fā)，化學(xué)成分（質(zhì)量%）：（0.4～0.6）Si、0.7Fe、（0.15～0.4）Cu、0.15Mn、（0.8～1.2）Mg、（0.04～0.35）Cr、0.25Zn、0.15Ti，其他雜質(zhì)單個(gè)0.05，合計(jì)0.15，其余Al。該合金有良好的綜合性能：對(duì)海水有高的抗蝕性，比其他可熱處理鋁合金的都高，可焊性好；有高的承受靜、動(dòng)載荷能力。它的強(qiáng)度比6063合金的高得多，一般用于制備強(qiáng)度高、形狀較為復(fù)雜的鍛件，在T5、T6狀態(tài)應(yīng)用。6061合金在冷加工狀態(tài)的變形能力較差。

6082型合金

6082型合金除基本合金元素外，還有兩種成分稍有區(qū)別的Anticorodal-114、Anticorodal-117合金。它們的成分都位于6082合金標(biāo)定成分范圍內(nèi)，都在T5、T6狀態(tài)下應(yīng)用，多用于制備汽車鍛件。6082合金的標(biāo)定成分（質(zhì)量%）：（0.7～1.3）Si、0.50Fe、0.10 Cu、（0.4～1.0）Mn、（0.6～1.2）Mg、0.25 Cr、0.20Zn、0.10Ti，其他雜質(zhì)單個(gè)0.05，合計(jì)0.15，其余為Al。它們的特點(diǎn)：能承受相當(dāng)高的動(dòng)、靜載荷，抗蝕性高，可切削性能好，多用于鍛造汽車安全系統(tǒng)零件及懸架零件等。

6110合金

6110合金是一種Al-Si-Mg-Cu系合金，美國(guó)合金，1979年注冊(cè)，是一種較新的合金。其化學(xué)成分（質(zhì)量%）：（0.7～1.5）Si、0.8Fe、（0.2～0.7）Cu、（0.2～0.7）Mn、（0.5～1.1）Mg、（0.04～0.25）Cr、0.20Ni、0.30Zn、0.15Ti，其他雜質(zhì)單個(gè)0.05，合計(jì)0.15，其余為Al。6110合金的Si含量比6060、6061、6063合金的都高，雜質(zhì)Fe、Zn等的含量也相當(dāng)大，因此，配料時(shí)可用較多的廢料。Si除形成Mg2Si外，還有相當(dāng)多的過(guò)剩量存在，故6110合金有高的強(qiáng)度性能與良好的可切削性能，鍛件在T5、T6狀態(tài)應(yīng)用。

6066合金

6066合金是一種Si含量最高的6000系合金，化學(xué)成分（質(zhì)量%）：（0.9～1.8）Si、0.50Fe、（0.7～1.2）Cu、（0.6～1.1）Mn、（0.8～1.4）Mg、0.40Cr、0.25Zn、0.20Ti，其他雜質(zhì)單個(gè)0.05，合計(jì)0.15，其余Al。其Si含量高，除形成Mg2Si，還可以形成復(fù)雜的四元相AlSiCuMn相與有相當(dāng)多的游離Si存在，因此，合金有高的綜合力學(xué)性能。模鍛件的最低力學(xué)性能為：抗拉強(qiáng)度440MPa，屈服強(qiáng)度400MPa，伸長(zhǎng)率8%，布氏硬度115。在T5、T6應(yīng)用，有高的可切削性，由于合金元素含量高，承受靜、動(dòng)載荷的能力比其他6000系合金的都高，是一種常用的中強(qiáng)偏高的鍛造鋁合金。

7075合金

7075合金是航空航天工業(yè)用得最多的鍛造鋁合金，是一種Al-Zn-Mg-Cu系合金，美國(guó)、蘇聯(lián)和日本于1944年幾乎同時(shí)完成該合金的定型，并立即用于制造飛機(jī)，在T6及T73狀態(tài)下應(yīng)用。該合金的成分（質(zhì)量%）：0.40Si、0.50Fe、（1.2～2.0）Cu、0.30Mn、（2.1～2.9）Mg、（0.18～0.28）Cr、（5.1～6.1）Zn、0.20Ti、鍛件的（Zr+Ti）0.25，其他雜質(zhì)單個(gè)0.05，合計(jì)0.15，其余為Al。該合金的抗蝕性比2024、2014合金的高，但不如6082合金。7075-T6/T73合金鍛件的最低力學(xué)性能為：抗拉強(qiáng)度530~455MPa，屈服強(qiáng)度410~385MPa，伸長(zhǎng)率8%~6%，布氏硬度145~130。

7018合金

7018合金是一種Al-Zn-Mg-Mn系合金，是一種英國(guó)合金，1978年注冊(cè)，在T5、T6狀態(tài)應(yīng)用，有較高的強(qiáng)度性能和良好的可焊性。該合金的化學(xué)成分（質(zhì)量%）：0.35Si、0.45Fe、0.20Cu、（0.15～0.50）Mn、（0.7～1.5）Mg、0.20Cr、0.10Ni、（4.5～5.5）Zn、0.15 Ti、（0.10～0.25）Zr，其他雜質(zhì)單個(gè)0.05，合計(jì)0.15，其余為Al。模鍛件的最低力學(xué)性能為：抗拉強(qiáng)度410MPa，屈服強(qiáng)度360Mpa，伸長(zhǎng)率10%，布氏硬度115在T5或T6狀態(tài)應(yīng)用。

7020合金

7020合金是一種Al-Zn-Mg系合金，并含有Cr、Zr、Ti，1972年在美國(guó)鋁業(yè)協(xié)會(huì)公司注冊(cè)，化學(xué)成分（質(zhì)量%）：0.35Si、0.40Fe、0.20Cu、（0.05～0.50）Mn、（1.0～1.4）Mg、（0.10～0.35）Cr、（4.0～5.0）Zn、（0.08～0.20）Zr、（0.08～0.25）（Zr+Ti），其他雜質(zhì)單個(gè)0.05，合計(jì)0.15，其余為Al。該合金在T5、T6狀態(tài)應(yīng)用，強(qiáng)度性能中等，可焊性良好，模鍛件的最低力學(xué)性能為：抗拉強(qiáng)度350MPa，屈服強(qiáng)度280MPa，布氏硬度115。

7085和7185合金

7085和7185合金是美國(guó)鋁業(yè)公司為空客公司研發(fā)的較新的航空航天合金，用于制造A380客機(jī)整體化、大型化結(jié)構(gòu)鍛件，max鍛件厚度可達(dá)300mm，雜質(zhì)含量很低。7085合金的成分（質(zhì)量%）：Si0.06、Fe0.06、Cu（1.3～2.0）、Mn0.04、Mg（1.2～18）、Cr0.04、Zn（7.0～8.0）、Ti0.06、Zr（0.08～0.15），其他雜質(zhì)單個(gè)0.05，合計(jì)0.15，其余為Al。

Al—Li合金

目前用Al-Li合金制備的航空航天器鍛件合金有：

①高強(qiáng)度的8091-T625；②中等強(qiáng)度的2090-T85203、耐腐蝕的8090-T852、耐破壞性的2091-852；③高耐破壞性的8090-T652；④可焊性與低溫性能良好的2090-T652；⑤超塑成形的2090-T65203。

海底聲納系統(tǒng)鍛件

2020年，中鋁西北鋁業(yè)有限責(zé)任公司用引進(jìn)的8MN模鍛機(jī)為某型號(hào)驅(qū)逐艦海底聲納系統(tǒng)生產(chǎn)兩種規(guī)格的約5000件高精度高質(zhì)量鍛件，是用晶粒細(xì)小均勻的鋁合金錠坯鍛造的，不但有高的力學(xué)性能，而且有良好的抗蝕性、導(dǎo)熱性和無(wú)磁性。

典型航空航天器模鍛件

高精模鍛件

波音飛機(jī)用的大中型精密鋁合金模鍛件材料為7075-T6，具有尺寸偏差、形位公差、錯(cuò)移、表面粗糙度等的精度要求特別高，形狀復(fù)雜、腹板薄、壁厚差大、筋條窄且深、拔模斜度小等特點(diǎn)，給終鍛模的制造和鍛造帶來(lái)不少困難。精密模鍛件及普通航空模鍛件的結(jié)構(gòu)及質(zhì)量要求見(jiàn)表13。采用7075合金鑄造錠或擠壓棒作坯料，在60MN液壓機(jī)上鍛成鍛坯，而后進(jìn)行預(yù)鍛→切邊→終鍛→切邊→淬火→矯正→人工時(shí)效→清理表面→檢驗(yàn)→交貨。

表13 波音飛機(jī)公司精密及普通模鍛件的結(jié)構(gòu)參數(shù)及質(zhì)量要求

火箭鋁合金鍛環(huán)。隨著航天工業(yè)的發(fā)展，要求提供質(zhì)量輕、比強(qiáng)度和比剛度高、耐腐蝕、耐疲勞、可進(jìn)行表面處理的鋁合金環(huán)形件和管形件，如鍛環(huán)、錐形鍛環(huán)、三角鍛環(huán)、大型鍛管等，用的合金有6061、6013、2014、2124、2618、5083、5056、7075、7475等。鍛壓工藝分別為：自由鍛→壓扁→機(jī)械加工；自由鍛→機(jī)械加工→擴(kuò)鍛→精加工；自由鍛→模鍛→機(jī)加工；自由鍛→環(huán)鍛；自由鍛→環(huán)鍛→旋壓。

2A14-T6、2A14-T652鍛造錐環(huán)

錐形大型鍛環(huán)的鍛造難點(diǎn)不少，生產(chǎn)困難，由于應(yīng)用領(lǐng)域特殊和應(yīng)用條件惡劣，首先應(yīng)選好材料。西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司選用2A14-T652合金自由鍛造外形尺寸（φ1800～φ2100mm），高H（360mm～500mm）的優(yōu)質(zhì)鍛件。

鍛造工藝為：鑄錠→均勻化退火→加熱→鍛造→機(jī)加工→加熱→擴(kuò)孔→機(jī)加工→固溶處理→冷變形→人工時(shí)效→取樣→機(jī)加工→探傷→驗(yàn)收→交貨。錐環(huán)鍛件的力學(xué)性能見(jiàn)表14。

表14 錐環(huán)鍛件的標(biāo)定力學(xué)性能

注：σ6—抗拉強(qiáng)度；σ0.2—屈服強(qiáng)度；δ—伸長(zhǎng)率；HB—布氏硬度。

2014-T652合金三角形鍛環(huán)

三角形鍛環(huán)是一種航天器零件，屬1類件，必須進(jìn)行技術(shù)條件和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的各種檢測(cè)和試驗(yàn)，材料為7075-T6或2014-T652（淬火+冷壓+人工時(shí)效），力學(xué)性能見(jiàn)表15。鑄錠應(yīng)是優(yōu)質(zhì)的，氫含量＜0.18mL/100gAl，均勻化處理，預(yù)熱后在60MN自由鍛壓機(jī)上鐓粗壓扁后沖孔，機(jī)加后在193mm厚度方向進(jìn)行均勻的變形，固溶處理、人工時(shí)效和各種檢測(cè)試驗(yàn)。

表15 2014-T652合金三角形鍛環(huán)的最低力學(xué)性能

活塞模鍛件

該模鍛件采用11組不同的鍛壓工藝進(jìn)行了Al-Si系合金（12.113%Si、1.506%Mg、1.034%Cu、0.996%Cr、1.047%Ni、0.506%、0.112%Fe、余量Al），采用10MN鍛壓機(jī)。研究指出，始鍛溫度465℃、終鍛溫度370℃，鍛壓變形量為9%時(shí)，活塞模鍛件具有最佳的抗沖擊性能和耐磨損性能。

鍛壓機(jī)

鋁、鎂、鈦合金鍛壓機(jī)在朝著大型化、精密化、機(jī)械化和半自動(dòng)化方向發(fā)展，最大的是中國(guó)的800MN的立式液壓模鍛機(jī)。全世界≥100MN的液壓鍛壓機(jī)約36臺(tái)，如美國(guó)的100MN、180MN、315MN、360MN、450MN立式液壓機(jī)，法國(guó)的150MN、650MN液壓機(jī)，德國(guó)的150MN、300MN液壓機(jī)，俄羅斯的100MN、300MN、500MN、750MN等立式鍛造液壓機(jī)等。它們?cè)诮Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、選材、機(jī)械、液壓、控制系統(tǒng)方面有相當(dāng)高的水平，可生產(chǎn)如下范圍的輕合金模鍛件。

max投影面積，m2 2.5～5

max長(zhǎng)度，m 8～12

max寬度，m 2～3.5

腹板min厚度，mm 2.5～10

質(zhì)量，kg，0.5～4000

目前，中國(guó)有各式各樣的鍛壓機(jī)約210臺(tái)，鍛壓廠約80個(gè)，開(kāi)工率平均約60%。鍛壓力越大的鍛造機(jī)開(kāi)工率越低。中國(guó)在鍛造機(jī)設(shè)計(jì)與制造方面居世界前列，特別是清華大學(xué)和第二重型機(jī)器制造集團(tuán)在鍛造機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域是世界的“旗手”。美國(guó)有49個(gè)鍛壓廠與沖擠廠（impact）。

全球最大的300MN等溫鍛造和常規(guī)鍛造雙模式于2021年2月在西安航空基地三角防務(wù)股份有限公司熱試車成功，將滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤等溫精密鍛造以及大中型航空結(jié)構(gòu)件普通模鍛需求。該機(jī)是西安三角防務(wù)股份有限公司與清華大學(xué)天津高端裝備研究院共同研發(fā)，采用清華大學(xué)鋼絲預(yù)應(yīng)力纏繞技術(shù)，突破了低速控制、平衡控制、保壓控制等瓶頸，能夠有效地提高設(shè)備剛度和使用疲勞壽命。

中國(guó)首臺(tái)四柱下拉式100MN自由鍛壓機(jī)于2022年7月在陜西天成航空材料有限公司投產(chǎn)，主要用于制備鈦合金鍛件，同時(shí)配套1臺(tái)250KN鍛造操作機(jī)。該機(jī)地上高11.6m，地下高17m，總重約2800t。

中鈦青鍛裝備制造有限公司位于青海省樂(lè)都工業(yè)園區(qū)，有1臺(tái)清華大學(xué)設(shè)計(jì)的680MN/260MN多功能模鍛/擠壓機(jī)組。該公司于2021年4月14日成功生產(chǎn)出了國(guó)內(nèi)最大最長(zhǎng)高強(qiáng)度鋁合金管材。由于采用了大擠壓比，其綜合力學(xué)性能提高10%以上，可完全滿足超高強(qiáng)度鋁合金在航空航天環(huán)、筒形鍛件高強(qiáng)度、高韌性、高抗蝕性的技術(shù)要求，而且能滿足優(yōu)質(zhì)、高效低成本的生產(chǎn)要求，也標(biāo)志該公司已具備生產(chǎn)超大型各種超高強(qiáng)度鋁合金管材、棒材、型材、鍛件的能力，可滿足國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)需求。

中國(guó)鋁鍛造工藝的發(fā)展

中國(guó)首個(gè)鋁合金鍛造項(xiàng)目——新風(fēng)鋁加工廠鍛造車間

中國(guó)在解放前沒(méi)有鋁合金鍛造產(chǎn)業(yè)，直到1961年，黑龍江省哈爾濱市國(guó)營(yíng)新風(fēng)鋁加工廠（現(xiàn)名東北輕合金有限責(zé)任公司）鍛造車間建成投產(chǎn)，中國(guó)才有了鍛造工業(yè)。當(dāng)時(shí)車間的設(shè)計(jì)和設(shè)備都是從蘇聯(lián)引進(jìn)，有100MN、50MN、30MN、3MN模鍛機(jī)各1臺(tái)，靠模銑床2臺(tái)。其設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為：模鍛件3700t/a，自由鍛件800t/a，生產(chǎn)的產(chǎn)品約90%供給航空與軍工產(chǎn)業(yè)。1965年—1980年，模鍛件的年平均成品率為57.25%，自由鍛件的年平均成品率為81.35%。

東北輕合金有限責(zé)任公司的鍛造車間、工藝管車間、鋁粉和鎂粉車間、鎂合金熔鑄車間等稱為二期工程，于1958年6月10日開(kāi)工建設(shè)，鍛造項(xiàng)目于1961年投產(chǎn)。從此時(shí)起直至1970年7月1日，西南鋁加工廠鍛造車間投產(chǎn)為止，中國(guó)僅有這一個(gè)鍛造項(xiàng)目。

西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司鍛造項(xiàng)目

西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱西南鋁）鍛造項(xiàng)目于1965年7月正式破士動(dòng)工，歷經(jīng)5年建設(shè)，于1970年7月1日建成，有300MN八柱立式模鍛水壓機(jī)1臺(tái)，60MN立式自由鍛造水壓機(jī)1臺(tái)，都是第一重型機(jī)器制造廠生產(chǎn)的，形成鍛件生產(chǎn)能力24.5kt/a。1979年10月，西南鋁自籌資金開(kāi)始建設(shè)100MN多向模鍛水壓機(jī)，于1980年12月29日試車成功。至此，西南鋁共有3臺(tái)鍛造水壓機(jī)，總鍛造力460MN，鍛件生產(chǎn)能力約30kt/a，可生產(chǎn)max投影面積1.2m2、最長(zhǎng)7m的模鍛件。一直到本世紀(jì)初，西南鋁都是中國(guó)最大的鋁合金鍛造企業(yè)，但與美國(guó)20世紀(jì)70年代中期為止建成的最大的鍛壓廠——拉斐特（Lafayette）市的豪梅特宇航公司（Howmet Aerospace Inc.）相比，相差不小。該公司分管工程產(chǎn)品和鍛件，專為航空航天工業(yè)服務(wù)，擁有20余臺(tái)鍛壓機(jī)：30MN、40MN、80MN、150MN、350MN、500MN的各1臺(tái)，7MN～10MN、13MN、16MN、20MN、25MN～30MN、40MN～60MN等機(jī)械壓力機(jī)及6MN、8MN、18MN、36MN、110MN、150MN鍛錘以及配套齊全的輔助設(shè)備和公共設(shè)施。中國(guó)制造ARJ21及C919飛機(jī)原型機(jī)所用的大多數(shù)鋁合金擠壓材和鍛件都是該廠提供的。

西南鋁研制的重型運(yùn)載火箭用直徑10m級(jí)鋁合金環(huán)件

經(jīng)過(guò)60多年的發(fā)展，西南鋁、東北輕合金已成為航空航天鋁合金鍛件的領(lǐng)跑者。西南鋁的優(yōu)質(zhì)鍛件已裝在成千上萬(wàn)架全世界翱翔藍(lán)天的飛行器上。近些年來(lái)，西南鋁和東北輕合金也解決了一系列重大技術(shù)難題，開(kāi)發(fā)出一大批市場(chǎng)急需、代表國(guó)際國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平、填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白的新產(chǎn)品和新技術(shù)，成為中國(guó)鋁加工技術(shù)進(jìn)步和行業(yè)發(fā)展的旗幟。1987年和1992年，西南鋁成為國(guó)內(nèi)首家獲得美國(guó)波音飛機(jī)公司精密航空模鍛件、鍛坯生產(chǎn)許可證銅牌企業(yè)；2014年，西南鋁成功實(shí)現(xiàn)向法國(guó)空中客車公司供應(yīng)鍛件；2010年8月，西南鋁成為賽峰公司鍛件供應(yīng)商；2013年1月，西南鋁成為龐巴迪公司戰(zhàn)略合作伙伴。在保障國(guó)家航空鋁材需求的同時(shí)，西南鋁開(kāi)始瞄向民用航空市場(chǎng)，早在2017年就與中國(guó)商飛公司合作研發(fā)航空鋁合金和Al-Li合金。

國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)C919項(xiàng)目實(shí)行全球采購(gòu)。西南鋁于2015年為首款C919提供了30個(gè)規(guī)格鍛件。西南鋁生產(chǎn)的鍛件已實(shí)現(xiàn)向C919項(xiàng)目批量供貨。2020年初，歐洲ABB公司已向西南鋁頒發(fā)鋁合金鍛件許可證。西南鋁現(xiàn)已形成航空航天、國(guó)防軍工、交通運(yùn)輸、包裝印刷、電子信息、建筑裝飾鋁材等6大系列支柱產(chǎn)品。該企業(yè)先后為國(guó)內(nèi)第一座高能加速器、“東風(fēng)”“長(zhǎng)征”系列火箭、“天宮”系列目標(biāo)飛行器、“神舟”系列飛船、“嫦娥”系列探月衛(wèi)星、新型飛機(jī)、艦船、國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)、“天眼”等數(shù)十項(xiàng)航空航天、國(guó)防軍工和國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目提供了上千個(gè)品種的高性能、高品質(zhì)關(guān)鍵鋁材。產(chǎn)品還出口全球近50個(gè)國(guó)家和地區(qū)。西南鋁生產(chǎn)的世界最大的重型運(yùn)載直徑10m級(jí)鋁合金環(huán)件，是用2219合金鍛制的。

2021年，西南鋁航天鋁合金鍛環(huán)順利通過(guò)了工信部第五批制造業(yè)單項(xiàng)冠軍產(chǎn)品審核，榮獲“制造業(yè)單項(xiàng)冠軍產(chǎn)品”稱號(hào)，這是西南鋁首次榮獲此項(xiàng)榮譽(yù)。目前，西南鋁是中國(guó)少數(shù)能夠生產(chǎn)5m級(jí)鋁合金整體鍛環(huán)的企業(yè)之一和全球能夠生產(chǎn)10m級(jí)鋁合金整體鍛環(huán)的企業(yè)。中國(guó)在用的各類運(yùn)載火箭所需的鋁合金鍛環(huán)95%由西南鋁提供。2018年3月，西南鋁軋制廠、鍛造廠、擠壓廠順利通過(guò)了Nadcap熱處理現(xiàn)場(chǎng)審核。

3D打印10m級(jí)火箭連接環(huán)件

2020年后期，中國(guó)國(guó)家增材制造創(chuàng)新中心、西安交通大學(xué)盧秉恒院士團(tuán)隊(duì)利用3D打印技術(shù)制成了世界上首件10m級(jí)高強(qiáng)鋁合金重型運(yùn)載火箭連接樣件。該樣件利用電弧熔絲增減材一體化制造技術(shù)，在整體制造的工藝穩(wěn)定性、精度控制及變形與應(yīng)力調(diào)控等方面均實(shí)現(xiàn)了重大技術(shù)突破。目前，采用增減材一體化制造技術(shù)成功完成超大型環(huán)件屬國(guó)際首創(chuàng)。該成果將會(huì)助力增材制造為中國(guó)航天事業(yè)發(fā)光發(fā)熱，同時(shí)為中國(guó)航天事業(yè)中重大零件的快速制造提供技術(shù)支撐。

首套Al-Li合金大型鍛件

2021年初，應(yīng)用于航空航天等高端領(lǐng)域的大直徑Al-Li合金棒材及管材，在河北宏潤(rùn)核裝備科技股份有限公司擠壓完成。此前，Al-Li合金大型鍛件只有美國(guó)和俄羅斯具備較為成熟的生產(chǎn)制造能力。這種材料比純Al還輕3%，擠壓成型后，強(qiáng)度提高6%，比Al-Cu、Al-Mg合金的強(qiáng)度高。大直徑Al-Li合金棒材的下線，為實(shí)現(xiàn)直徑4m～7m鋁合金環(huán)形鍛件高精度高性能設(shè)計(jì)制造提供了有力保障。

首件3.35mAl-Li合金箱底在703所下線

中國(guó)首件火箭燃料貯箱Al-Li合金箱底于2020年8月在中國(guó)火箭技術(shù)研究院703研究所成功下線，箱底直徑3.35m。過(guò)去該產(chǎn)品是由多塊成形料焊成的，生產(chǎn)周期長(zhǎng)達(dá)80～90天，而703所牽頭聯(lián)合總體設(shè)計(jì)部采用總體旋鍛成形工藝只要15～20天就能制造1件，減重15%以上，運(yùn)載效率提升20%。旋鍛成形工藝就是一塊厚板在一個(gè)數(shù)控程序內(nèi)，通過(guò)一個(gè)成形模，歷經(jīng)一次裝卡，一步整體成形，工序少、周期短、可靠性高，沒(méi)有一道焊縫。據(jù)悉，該所將繼續(xù)試制5mAl-Li合金箱底。

山東宏山航空鍛造有限公司

山東宏山航空鍛造有限公司即原南山鋁業(yè)集團(tuán)鍛造廠。南山鋁業(yè)于今年1月30日發(fā)布公告稱，其與中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)有限公司旗下中航重機(jī)簽署《合作框架意向協(xié)議》，將設(shè)立全資子公司，暫定名為山東宏山航空鍛造有限責(zé)任公司，并將鍛造分公司的相關(guān)資產(chǎn)轉(zhuǎn)入其中，后續(xù)由中航重機(jī)上述子公司購(gòu)買80%股權(quán)。南山鋁業(yè)鍛造分公司位于南山航空產(chǎn)業(yè)園，集中厚板項(xiàng)目、擠壓項(xiàng)目于一體的航空鋁材園區(qū)。中航重機(jī)主營(yíng)鍛鑄造、液壓環(huán)控等業(yè)務(wù)，主要產(chǎn)品包括飛機(jī)機(jī)身機(jī)翼結(jié)構(gòu)鍛件、中小型鍛件、航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸類和環(huán)形鍛件等。

南山鍛造公司是法國(guó)設(shè)計(jì)的，有4臺(tái)鍛壓機(jī)；2臺(tái)模鍛機(jī)，1臺(tái)125M N、1臺(tái)500MN，從德國(guó)辛貝爾普公司引進(jìn)；2臺(tái)自由鍛造機(jī)，1臺(tái)25MN、1臺(tái)60MN，由德國(guó)韋普科海得里克公司設(shè)計(jì)制造。該公司鍛件的設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力14kt/a。

2017年10月，南山鍛造公司與英國(guó)羅爾斯·羅伊斯公司（RR，Rolls-Royce，也可以稱羅羅公司），簽署了發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)件供應(yīng)合同；2018年7月，又與羅羅公司達(dá)成軸類鍛件供貨協(xié)議，進(jìn)一步擴(kuò)大了產(chǎn)品供應(yīng)范圍。羅羅公司是世界頂尖的航空與汽車發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)，產(chǎn)品能獲得它的認(rèn)可與長(zhǎng)期批量供貨，就等于拿到可以進(jìn)入世界任何一家需要鋁合金鍛件企業(yè)的通行證；2018年6月，與法國(guó)賽峰公同簽署了起落架鍛件供貨合同。

山東航橋新材料有限公司

山東航橋新材料有限公司位于山東省鄒平縣，是北京航空材料研究院與魏橋鋁電集團(tuán)的合資企業(yè)，投資2億元，于2016年8月投產(chǎn)，鍛件生產(chǎn)能力10kt/a，有4臺(tái)鍛壓機(jī)：1臺(tái)500MN，由第一重型機(jī)器制造有限公司設(shè)計(jì)制造；另3臺(tái)為36MN、25 MN、16MN的各1臺(tái)，由天津市天鍛壓力機(jī)有限公司制造。

江蘇太平洋精鍛股份有限公司

江蘇太平洋精鍛股份有限公司位于江蘇省姜堰開(kāi)發(fā)區(qū)，2022年6月1日開(kāi)工建設(shè)，投資7.188億元，建成后可年產(chǎn)500萬(wàn)件新能源汽車鍛件，工廠占地143畝，總建筑面積約8.5萬(wàn)m2。

第二重型制造有限公司鍛造廠

第二重型制造有限公司鍛造廠有自制的800MN、200MN的模鍛機(jī)各1臺(tái)，200MN的于2011年投產(chǎn)，800MN的于2013年投產(chǎn)；還有2臺(tái)自由鍛造機(jī)，120MN與160MN的各1臺(tái)。該廠總鍛造力1280MN，是世界第二大企業(yè)。總鍛造力最大的企業(yè)是美國(guó)的拉斐特?cái)D壓鍛造公司，估計(jì)總鍛造力近2000MN，其航空航天鋁合金鍛件產(chǎn)量估計(jì)占美國(guó)的50%左右。

安大航空鍛造產(chǎn)業(yè)園

安大航空鍛造產(chǎn)業(yè)園位于貴州省安順市。安順在貴州中部偏西，是黃果樹(shù)大瀑布所在地，飛機(jī)制造業(yè)是其主要工業(yè)之一，2018年12月26日，航空鍛造產(chǎn)業(yè)園區(qū)（一期）舉行了奠基儀式，有3臺(tái)鍛壓機(jī)，一期工程為“民用航空環(huán)形鍛件生產(chǎn)線建設(shè)項(xiàng)目”，瞄準(zhǔn)國(guó)際民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)鍛件市場(chǎng)，從市場(chǎng)需求出發(fā)，應(yīng)用新一代信息技術(shù)和先進(jìn)制造工藝，以數(shù)字化貫通全過(guò)程，實(shí)現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)全過(guò)程、管理決策全流程的精細(xì)化、可視化，打造一座符合多品種、小批量柔性智能化生產(chǎn)要求的民用航空器環(huán)形鍛件的數(shù)字化工廠。

山東固德鎂鋁有限公司

山東固德鎂鋁有限公司于2015年投產(chǎn)，有天津市天鍛壓力機(jī)有限公司制造的100MN、36MN、0.63MN的鍛壓機(jī)各1臺(tái)，生產(chǎn)能力為3.5kt/a。

渤海活塞股份有限公司

渤?；钊煞萦邢薰臼鞘澜绲诙笃囦X合金活塞生產(chǎn)企業(yè)，航空器上用的不多?；钊怯?032鋁合金鍛造的，在T6狀態(tài)應(yīng)用?；钊挥诎l(fā)動(dòng)機(jī)的心臟，其工作質(zhì)量直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。鋁合金是制造活塞的上乘材料，因?yàn)樗馁|(zhì)量輕和熱導(dǎo)率高。4032合金是一種Al-Si-Mg-Cu-Ni系合金，它的注冊(cè)成分（質(zhì)量%）：（11.0～13.5）Si、1.0Fe、（0.50～1.3）Cu、（0.8～1.3）Mg、0.10Cr、（0.50～1.3）Ni、0.25Zn，其它雜質(zhì)單個(gè)0.05，總計(jì)0.15，其余Al。4032合金的固溶處理溫度（520±5）℃，其過(guò)燒溫度530℃。

西飛公司鍛壓公司

西安飛機(jī)制造公司在西安市閻良有一個(gè)鋁合金鍛壓廠，有3臺(tái)鍛壓機(jī)。

中國(guó)的高強(qiáng)高韌-低淬火敏感性

航空鋁合金

中國(guó)有研科技集團(tuán)有限公司（原北京有色金屬研究總院）下屬的有色金屬材料制造加工國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室以熊柏青教授領(lǐng)導(dǎo)的鋁合金研發(fā)團(tuán)隊(duì)為首，經(jīng)過(guò)深入研究，研發(fā)出有中國(guó)特色的高強(qiáng)韌低淬火敏感性航空鋁合金。截至2018年9月，該產(chǎn)品已獲得12個(gè)國(guó)家（美國(guó)、法國(guó)、英國(guó)、加拿大、德國(guó)、挪威、澳大利亞、意大利、西班牙、奧地利、日本和中國(guó)）的專利授權(quán)，是中國(guó)首個(gè)獲得國(guó)際發(fā)明專利大范圍授權(quán)的航空鋁合金。該合金的成分（質(zhì)量%）：Zn（7.5～8.4）、Mg（1.65～1.8）、Cu（0.7～1.5）、Zr（0.03～0.20）；同時(shí)應(yīng)滿足10.6%≤W（Zn+Mg+Cu）≤10.8%，5.5≤W（Zn）/W（Mg）+100W（Cu）≤5.7。

生產(chǎn)能力計(jì)算

鋁合金鍛件生產(chǎn)能力計(jì)算是一個(gè)很復(fù)雜的問(wèn)題，幾乎無(wú)法得出一個(gè)較為準(zhǔn)確的計(jì)算式，只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)部門給出的數(shù)據(jù)進(jìn)行大致的匡算。筆者根據(jù)東北輕合金、西南鋁、山東宏山航空鍛造有限公司、山東航橋新材料有限公司的數(shù)據(jù)：共有14臺(tái)鍛壓機(jī)，總鍛造力1830MN，總生產(chǎn)能力53kt/a，由此得出匡算產(chǎn)能20t/（MN·a）（見(jiàn)表16）。

表16 4個(gè)鍛壓廠的概況

中國(guó)自2013年800MN鍛壓機(jī)投產(chǎn)以來(lái)，就已成為全球鍛造機(jī)制造和鋁合金鍛件生產(chǎn)領(lǐng)跑者，雖然中國(guó)能制造所有的鍛造設(shè)備，但畢竟現(xiàn)代化鋁鍛造工業(yè)才只有60余年，積累的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比尚有一定差距，仍需奮楫篤行不怠，乘勢(shì)而上開(kāi)新局。