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铝锂合金国产化已在路上
发布时间:2020-09-28  浏览次数:50

2020年9月28日 来源:邓雅静

“航空航天领域超轻量化的金属材料——铝锂合金,我们国家一直被美国全方位封锁和限制,特别是军用飞机、运载火箭、航天飞行器等国防领域应用的铝锂合金对中国是禁运的。”日前,中南大学教授、航天结构专家、湖南中创空天新材料股份有限公司(以下简称“中创空天”)总经理黄诚告诉笔者,“唯一开放、能够少量进口的渠道,就是民用飞机——国产客机C919机体采用的铝锂合金材料,但也面临着被美国断供的风险。”
受限于此,即使不久前发射了天问一号火星探测器的新一代长征五号运载火箭,也没能用上铝锂合金材料,无奈退而求其次,采用主流的铝铜合金,导致运载能力一直捉襟见肘。
无米难为炊。没有材料做基础,后续的结构件的制造就难以成炊,这对于航空航天军用装备来说是最致命的。
目前,我国虽然已经制造出芯级直径为5米的火箭,但是还没有10米直径的重型运载火箭结构件制造能力;把“卡脖子”的铝锂合金材料用到10米直径的重型运载火箭结构上,并且实现超大直径结构的形性协同制造,高水平高可靠地降低箭体重量,可以大幅度提升进入空间的能力。
此项“卡脖子”技术难题,湖南正在勇挑重担,有望在3年内打破国际垄断。
探究:制造大国
产业链里的又一短板

铝是地球上含量最丰富的金属元素,高于铁,具有质量轻、比强度高、耐腐蚀、易循环再回收利用的优势,铝及铝材被广泛应用于航空航天、国防军工以及国民经济的各个领域。近年来,我国铝及铝材的制造已经迅速发展成为世界第一大制造国。
然而,深入探究,当下,国内的铝合金材料行业正上演着冰火两重天的怪象:一方面,中低端的铝合金材料加工如火如荼,产能普遍过剩;另一方面,部分高技术含量、高精度、高质量的铝合金严重依赖进口,甚至被欧美主要的生产厂商垄断。
对此,中南大学教授、轻合金材料专家黄元春分析指出,由于中国铝工业起步较晚,技术相对落后,且自主创新力不足,新合金研发基本是跟踪国外产品,加上国外对关键技术进行封锁,导致我国中低端铝材产品充斥市场,多种铝材过剩;同时,对于航空航天、国防军工、交通运输等领域的高端铝材仍处于不稳定生产或者成品率低的状态,甚至部分铝材还不能制造,尤其在超大规格的2XXX系、7XXX系高端铝材的高综合性能制造技术方面长期处于瓶颈。
民用领域,汽车用的高端铝合金板,高铁、地铁的列车车体用的高端铝合金材料,绝大部分都依赖进口。装备制造供应链上游的材料短板也在产业企业界取得了共识。8月21日召开的湖南省属国有资本布局优化和结构调整座谈会上,中车株洲电力机车有限公司副总经理、财务总监熊锐华,中国铁建重工集团股份有限公司党委副书记、执行董事贺勇军等都不约而同地提出了装备制造业核心零部件的短板问题,建议政府加强支持核心零部件的研制和产业发展。
值得注意的是,国家统计局在2018年11月公布的《战略性新兴产业分类》2018版,新增了新型铝合金制造、高品质铝铸件、铝锻件和铝型材制造类目。高端的铝合金新材料短板,被国家上升到了更高的高度。
追溯:铝锂合金
为何备受美欧国家器重和封锁

锂是自然界最轻的金属元素,研究表明,在铝合金中每加入1%的锂,可使铝合金密度降低3%,模量提高6%。与传统航天通用的高性能2系、7系铝合金相比,铝锂合金具有质量更轻,模量更高,更易实现航天装备的高可靠、轻量化制造。
数据显示,航天运载器每减轻1kg,其发射费用可节省约2万美元。上世纪90年代,美国航天飞机超轻贮箱使用2195铝锂合金替代2219合金实现减重3.4吨,可以使发射成本节省6800万美元,按照当时的汇率计算,相当于节约了至少5.5亿元。
因此,针对在航空航天、轨道交通、船舶运输等应用领域的急迫减重需求领域,铝锂合金的应用能够带来相当可观的经济效益。
“轻质、高比强度、高比刚度,就凭这些优点,所有的交通运输都推崇这个材料。”黄元春一语中的,此外,铝锂合金具有卓越的抗腐蚀性能和耐疲劳特性,又利于延长设备的使用寿命。
作为目前世界上最先进的铝合金材料,铝锂合金已经发展到了第四代。然而,由于锂元素特有的化学活性高、密度低等物理性质,导致铝锂合金从成分设计、熔铸、塑性成形到热处理,各个环节的加工难度和技术复杂性都远远大于其它铝合金材料。全球目前只有5家企业可以生产铝锂合金:美铝、俄铝、法铝、加铝和中铝。
中国中铝旗下西南铝业拥有国内唯一的一条铝锂合金生产试验线,但仍面临着成品率低、制造成本极高的尴尬,且不能实现批量化稳定生产。
进入2000年以后,中南大学科研攻关突破了2195铝锂合金成形技术,性能达到国际标准。经过10多年的发展,目前我国2195铝锂合金的制造技术已经基本成熟,但要完全追赶上美欧国家,还需要一个工程化产业化的过程。
科研土壤:湖南加速培育
高端铝合金新材料产业链

笔者看到,在岳阳城陵矶新港区,中创空天新材料产业化基地建设项目,一条铝锂合金生产线正在紧锣密鼓的组建,按照进度,预计明年9月正式投产。
这条高科技含量的生产线承载着全国的期待。铝锂合金一旦在湖南实现规模化生产,我国高端装备制造产业供应链上,高品质、高性能铝合金材料及构件制造被“卡脖子”的历史将告终结,制造成本也将直线下降,为产业结构升级以及节能减排创造更高的经济效益。
湖南不仅有工程机械、轨道交通装备、中小航空发动机等制造业硬科技的实力,还有着发展高端铝合金新材料的科研土壤。
近年来,以钟掘院士科研团队为首,中南大学轻合金研究所在轻合金领域的科研能力基本达到了国际一流水平,特别是对铝、镁、钛等轻合金材料制造全过程的研究,形成了新型高性能轻合金材料设计技术、高效熔体净化技术、超声波均质铸锭铸造技术、新型铝锂合金熔铸技术、大型材料构件一体化制造技术与热处理技术等百余项核心专利与技术群。
中创空天新材料产业化基地建设项目正是融合了政府、高校、科研院所与企业多方智慧与力量的结晶。
2019年底,在湖南省委军民融合办、省国资委、岳阳市政府、中南大学、航天科技集团一院、湖南高新创业投资集团有限公司等协同支持下,以混合所有制方式,共同发起设立中创空天,致力于解决高端铝合金材料及构件制造技术“卡脖子”问题,同时促进民用高端装备制造产业链转型升级。
疫情考验:今年年底正常投产
刚刚问世的中创空天,就面临着2020年新冠肺炎疫情的考验。中创空天一方面积极与岳阳市政府对接,严抓各项防疫要求;另一方面,在保障所有员工各类防疫物资的情况下,工程建设、市场开拓、技术准备、运营管理等各线于2月10日正式全面开工。防疫与生产齐头并进,中创空天是岳阳地区首个开工的重点建设项目,并确保了疫情期间的“零感染”。
“上半年坚持克服了疫情带来的不利影响,确保今年计划目标任务如期完成。”黄诚介绍,目前,整个产业化基地建设的速度非常快,800多亩地,厂房建设有条不紊。项目一期把超大规格的2XXX系、7XXX系铝材制造技术瓶颈的突破和工程化作为生产经营的主要目标之一。正在建设的5条生产线,包括自主构建高性能铝合金熔铸、大型锻压件与环筒件、大型高精度薄壁件、大规格复杂断面挤压型材等智能化生产线,将从今年年底到2021年7月分批陆续投产。
其中,高性能(2XXX系、7XXX系)铝合金铸锭生产线,可生产铸锭最大直径1.4米,为航空航天超大型构建提供原材料。
高性能大型复杂断面型材生产线,可实现高品质铸锭均热处理、模具精确控温加热与型材高精度高性能热处理,所配套精整设备能够实现挤压成形铝型材的牵引、淬火、冷却、传送、拉伸、切割、检验等,主要生产2XXX系、7XXX系铝合金型材,用于高品质航空航天、军工产品以及高端民用产品。
铝锂合金铸锭生产线,可生产铝锂合金扁锭规格500mm(厚)×1600mm(宽)和圆锭规格Φ500mm(直径)以上,年产量可达7000吨,为航空航天高端装备用高比强度、高比刚度的先进铝锂合金材料及构件制造提供有力支撑。
值得一提的是,针对传统铝加工企业和空天装备制造企业供需长期脱节、材料加工周期长、构件品质难保证、供货能力不稳定等问题,中创空天以钟掘院士提出的“空天装备流变制造科学与工程”为核心原理,在全球率先创新材料加工与构件制造一体化模式,促进空天装备制造产业链与铝合金加工产业链交叉融合。
幕后机制:协同创新生态保障
技术产业化高质量落地
让人不解和好奇的是,是什么力量驱动着新生的中创空天跨过新冠肺炎疫情阻力,保持快速高效运转?
“我们前期筹备过程中也在不断的思考,如何让中创空天做到科研团队和企业的深度融合?”中创空天董事长刘敬东坦言,改革开放40多年以来,产学研一体化模式探索的先例很多,高端技术科研产业化过程中不乏成功的案例,但更多的是失败,很多项目最后都变成了镜花水月。
对于中创空天,湖南高新创业投资集团有限公司在顶层设计过程中,发挥了重要作用。
高新创投主要从三个方面建立责任共担与成果共享的协作机制,构建协同创新生态。
第一,完全比照混合所有制,考虑研发团队个人的股权结合。中创空天以国有资本牵头,集合知识产权资本与社会资本力量创建了股权多元化的混合所有制:其中,湖南高新创业投资集团有限公司占股35%,湖南城陵矶临港新区开发投资有限公司持股15%,中南大学资产经营有限公司持股6%,钟掘院士创新团队持股14%,核心管理团队持股5%。
“这个项目应该说是完全实现了科研团队和企业的深度融合,甚至是完全融合,充分调动拥有知识产权的技术团队的积极性,保证军民两用技术扎实高效转化。”刘敬东说。
第二,与一流机构、一流技术及一流团队合作。中创空天有机结合了钟掘院士团队世界一流技术储备、中南大学国家级科研创新平台、湖南唯一的省级国有创投机构以及中国航天科技集团等高端市场需求。
第三,对标国内上市公司优秀企业模式,建立现代企业管理体系,管理指标参照科创板标准实施。资本是逐利的,该项目拟总投资67亿元,分两期建设,总体达产后年产值将达到100亿元。按照测算,中创空天从现在运行到第3年也就是2022年左右基本能达到盈亏平衡。
今年上半年,尚在建设期的中创空天就获得了国家开发银行以及工农中建四大国有银行共计近30亿元授信。
随着高端铝合金新材料军民两用制造技术的补齐,湖南的制造业产业链进一步延长。以此为根基,未来,我们国家的深空探测、登月工程的结构材料将迎来一个很大的跃进。高铁、地铁、汽车、轮船等国民经济各个领域的升级换代进程也将加速实现,从而创造更大的经济效益和环保效应。