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中國網(wǎng)財經(jīng)4月2日訊(記者李春暉)鋁合金具有低密度、易加工、可回收、原料資源豐富等特點，20世紀(jì)中期以來，高強鋁合金一直是全世界航空航天飛行器結(jié)構(gòu)件制造的首選材料，也是各國新材料研發(fā)的必爭之地。但是我國在這一領(lǐng)域起步晚、基礎(chǔ)薄弱，長期處于跟蹤研仿，沒有產(chǎn)品定價權(quán)、經(jīng)濟效益差。
如今，這一局面被徹底打破。中國有研科技集團有限公司(簡稱“中國有研”)率先工業(yè)化開發(fā)出全新一代高強鋁合金——高鎂輕強鋁，已獲得國內(nèi)國際發(fā)明專利授權(quán)，從而使我國在這一領(lǐng)域邁入了世界領(lǐng)先行列。
從跟跑到并跑，再到“唯我獨有”，中國有研走過了哪些心路歷程？近日，中國網(wǎng)財經(jīng)記者跟隨國資委新聞中心組織的“走進新國企·科技創(chuàng)新主力軍”調(diào)研活動，實地探訪中國有研所屬有色金屬結(jié)構(gòu)材料全國重點實驗室，聽研發(fā)人員講述這一路走來的熱忱與堅守。
世界航空航天飛行器用高強鋁合金材料研發(fā)從20世紀(jì)30年代起步，前50年各國專注于提高鋁合金的剛度、強度、抗腐蝕和耐損傷等可靠性，后50年聚焦于飛行器的燃料節(jié)約和有效裝載提升，要求鋁合金結(jié)構(gòu)件自身進一步減重。
到21世紀(jì)初，美國、德國、法國分別發(fā)展了第四代7xxx系高強鋁合金，具有高強韌-低淬火敏感性特征，用于超大規(guī)格結(jié)構(gòu)件制造，支撐了結(jié)構(gòu)件整體化設(shè)計減重。
但在同一時期，我國僅能生產(chǎn)第一代、第二代7xxx系高強鋁合金，且品種規(guī)格不全。“國外上世紀(jì)70年代能干的事情，我們到21世紀(jì)初還不會干。那時候我們的基礎(chǔ)非常薄弱?！敝袊醒锌萍嘉敝魅?、有色金屬結(jié)構(gòu)材料全國重點實驗室主任熊柏青回憶。
兩個代際的差距，使“追趕”成為我國研發(fā)人員的迫切任務(wù)。從2000年開始，中國有研開始與大型企業(yè)聯(lián)合攻關(guān)，用了10年時間，全面掌握了第三代7xxx系高強鋁合金的工業(yè)化成套制造技術(shù)，并實現(xiàn)了對第一代、第二代7xxx系鋁合金工業(yè)化技術(shù)的補充完善。
“第四代的難點在于不僅要攻關(guān)制造工藝，還必須避開國外的成分專利保護?！毙馨厍嗷貞?，當(dāng)時西方國家對第四代7xxx系高強鋁合金的專利保護堪稱“天羅地網(wǎng)”，“上百條權(quán)利要求，覆蓋了能夠形成第四代7xxx系高強鋁合金的所有方面的要素，成分范圍、工藝范圍等等全部包括?！?
有三年多的時間，熊柏青一直與國外專利“死磕”，天天抱著國外專利琢磨，生生把自己從一名科研專家“磨”成了知識產(chǎn)權(quán)法律專家。終于，中國有研找到了突破口，打破了國外在材料技術(shù)和知識產(chǎn)權(quán)的雙重壟斷，使國產(chǎn)第四代7xxx系高強鋁合金實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化、填補了國內(nèi)空白，有力支撐了國產(chǎn)大飛機研制和發(fā)展。
經(jīng)過新世紀(jì)以來20年的快速發(fā)展，中國的高強鋁合金技術(shù)和產(chǎn)品、生產(chǎn)企業(yè)和產(chǎn)業(yè)規(guī)模已能夠與西方國家并駕齊驅(qū)。但是在2020年以后，全世界航空航天飛行器用高強鋁合金的發(fā)展似乎都進入到瓶頸階段。
“若繼續(xù)按照當(dāng)前已知的路徑發(fā)展(7xxx系/2xxx系IA1-Li系)，則成本越來越高、用途越來越窄、與碳纖維復(fù)合材料競爭越來越被動?！毙馨厍喾Q，當(dāng)時國際上還沒有一種綜合性能優(yōu)異、減重效果顯著、成本低廉、適合大批量生產(chǎn)的新一代高強鋁合金材料。中國和其他國家一樣，都走到了技術(shù)“無人區(qū)”。
親歷了中國航空航天飛行器用高強鋁合金材料20多年來的發(fā)展，熊柏青對于中國企業(yè)一路追趕的“苦”深有感觸?！皣鴥?nèi)企業(yè)長期處于跟蹤研仿，產(chǎn)品缺乏定價權(quán)。一旦中國攻關(guān)成功，國際同行就大幅降價，企業(yè)沒有嘗到經(jīng)濟效益的‘甜頭’。”
這樣的經(jīng)歷讓他萌生出一種想法：“我們能不能跳出國際上現(xiàn)有的高強鋁合金材料體系，開展原始創(chuàng)新？我們能不能率先開發(fā)出更輕、更強，性能更優(yōu)異的新一代高強鋁合金？”
從終端需求來看，結(jié)構(gòu)輕量化是航空航天飛行器的永恒發(fā)展方向。大型客機機體結(jié)構(gòu)每減重1kg，每年可節(jié)約2000美元運營成本；運載火箭結(jié)構(gòu)減重1kg，可減少2萬美元發(fā)射成本；彈道導(dǎo)彈末級結(jié)構(gòu)減重1kg，可增加射程15-20km。
在這一需求引導(dǎo)下，熊柏青把目光落在了鎂。鎂是鋁合金中的主要合金元素之一、也是中國的優(yōu)勢資源，密度僅為1.74g/m3，鋁合金中每增加1wt%鎂、密度可下降接近0.5%，對于減重非常有利。
但是在現(xiàn)有體系的鋁合金之中，鎂的添加量存在技術(shù)上限。一旦超出添加上限，將嚴重惡化鋁合金的綜合性能。
突破鎂的添加上限，打造出高鎂含量的新一代高強鋁合金材料，成為中國有研新的攻關(guān)方向。
“十四五”以來，中國有研通過理論計算+實驗驗證，突破鎂元素在鋁基體中的室溫固溶度極限，原創(chuàng)開發(fā)出低密度-高強高韌-高鎂含量鋁合金——又稱“高鎂輕強鋁”，與第三代和第四代7xxx系高強鋁合金相比，高鎂輕強鋁具有更佳的綜合性能匹配，而密度卻降低了5-10%！
在前期實驗室基礎(chǔ)研究十分充分基礎(chǔ)上，2023年在大型企業(yè)現(xiàn)場，工業(yè)化試制出了第一批高鎂輕強鋁預(yù)拉伸厚板、擠壓型材、自由鍛件。
中國有研在大型企業(yè)現(xiàn)場工業(yè)化試制出的高鎂輕強鋁大規(guī)格鑄錠(中國有研供圖)
“高鎂輕強鋁”還打出了一場知識產(chǎn)權(quán)“翻身仗”。它的中國發(fā)明專利已獲授權(quán)、國際PCT發(fā)明專利已獲公告——權(quán)利要求全面覆蓋了新型合金成分范圍和制備加工工藝參數(shù)范圍，可有效防止侵權(quán)仿制，不僅使我國跳出了長期跟蹤研仿西方國家7xxx系、2xxx系、Al-Li系高強鋁合金技術(shù)和產(chǎn)品的傳統(tǒng)發(fā)展路徑，而且使我國在國際上率先給自己的高強鋁合金產(chǎn)品技術(shù)撐起了知識產(chǎn)權(quán)保護傘。
與所有的7xxx系、2xxx系、第三/四代Al-Li系鋁合金相比，“高鎂輕強鋁”更輕、能夠獲得更佳的結(jié)構(gòu)件設(shè)計減重效果，并且有望實現(xiàn)一種合金成分+不同的熱處理狀態(tài)，即可獲得多個2xxx系和7xxx系鋁合金的性能——達到“一材多用”，有潛力成為航空航天應(yīng)用領(lǐng)域的主干鋁合金材料。
從最初的“望其項背”追趕，到如今的世界領(lǐng)先，回顧這一路走來的歷程，熊柏青表示，科研人員一定要有永不服輸、勇攀高峰的精神。材料領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新，一定要做到“非用不可、唯我獨有”，這樣才能真正搶占未來先機。
當(dāng)前，中國有研正在按照中國航空航天飛行器和高鐵列車制造企業(yè)等提出的要求，提供典型規(guī)格的預(yù)拉伸厚板、擠壓型材、鍛件等工業(yè)化試制產(chǎn)品，開展典型件加工和綜合考核驗證，力爭“十五五”期間實現(xiàn)全面裝機應(yīng)用。
