加強高性能鋁合金研究 助力航空工業(yè)發(fā)展
——訪國家“千人計劃”專家，北京科技大學莊林忠教授

：在先進鋁合金的設計及先進工藝技術等的研究方面，您的團隊近幾年來主要有哪些創(chuàng)新性成果？

莊林忠：2010年，北京科技大學籌建了“先進材料工程技術基礎研究中心”，主要從事先進工業(yè)鋁合金材料和工藝的研究與開發(fā)。近幾年主要研究內容包括：

（1）先進鋁合金的設計新概念及應用研究。國際合金傳統(tǒng)的分類，是根據鋁合金中含有的主要金屬元素的不同進行分類的，可分為9個系列，即1000系列至9000系列，如航空航天用鋁合金主要包括2000系列（Al-Cu-Mg系）和7000系列（Al-Zn-Mg-Cu系）鋁合金。我們的研究亮點在于打破傳統(tǒng)合金設計理念，采用計算機輔助設計，突破傳統(tǒng)合金的分類界限，開發(fā)具有自主知識產權的新型高性能系列鋁合金。

合金的設計比較靈活，可任意添加金屬元素的種類和含量，通過計算機輔助設計，可計算所加元素的種類和含量是否合理，在較短時間內測試合金的設計是否達到預期的性能。既有利于提高合金的設計效率，又有助于提高合金的綜合性能。

首先是航空用先進鋁合金的研究：2xxx/7xxx系合金設計新概念。在此方面主要的研究方向為：在2xxx/7xxx系列合金中引入Ge/Si/Mg等元素；充分利用復相競爭形核機理；利用復相強化提高強度，改善析出形狀/分布提高斷裂韌性；應用于航空板材、工程板材、模具板材等新材料的開發(fā)。其次，是汽車用6xxx系鋁合金的多相協同強化研究。主要包括：6xxx系列合金中添加Zn等合金元素；多相競爭形核機理加速烤漆析出硬化；多相共存，顯著提高強度，改善綜合性能；應用于新型汽車板材等新材料的開發(fā)。再就是船舶板及裝甲板用新型5xxx系鋁合金研究。具體研究為：5xxx系列合金中引入Zn/Cu；降低合金中有效含Mg量及晶界析出分布改善抗晶界應力腐蝕能力；5xxx系列合金中引入高Zn：轉變非析出強化型合金為固溶強化/析出強化兼容的新合金；應用于船板、裝甲板及坦克底板等新材料開發(fā)。

（2）鋁合金用新型工藝基礎研究。在新型工藝基礎方面，主要涉及以下幾方面：高強度大規(guī)格7xxx系鋁合金鑄造工藝數值模擬；基于應變誘導析出細化鋁合金組織的原理與新工藝研究；新型超低溫變形工藝及機理研究；新型異步軋制工藝開發(fā)及變形控制機理研究。

：您多年來在國外學習和從事科研工作，從多年的經歷看，在您所研究的領域，國外在哪些方面領先于國內，國內還需要做出哪些努力？

莊林忠：（1）鋁合金的基礎理論研究方面。國內在這方面的研究較少，如合金的強化機理、熱處理理論、位錯理論等，研究較少且不夠深入，沒有形成完整的理論體系，而國外已建立了雄厚的鋁合金理論基礎。

（2）科研的管理方面。國外在做科研之前，首先從戰(zhàn)略層面進行規(guī)劃設計，制定企業(yè)技術路線圖，建立數據庫；每隔一兩年會組織相關人員對技術路線圖進行重新評估并對技術路線圖進行必要調整，目前國內很難做到這一點。國內的企業(yè)在做科研前很少有詳細的規(guī)劃，科研沒有延續(xù)性，研究目標和研究內容隨著人員的不同而隨時改變。

（3）新合金研發(fā)和標準方面。國外企業(yè)很重視技術研發(fā)，每年都會投資幾百萬進行新合金的開發(fā)，除不斷開發(fā)新合金、改良舊合金外，對每種合金根據用途和品種不同，制定相應內控標準。而國內企業(yè)在新產品開發(fā)過程，過度關注產品的產出結果，不注重研發(fā)過程，在新合金開發(fā)方面還處于仿制階段。

（4）生產設備方面。我國的生產設備與國外比存在兩極分化現象，有些設備相當于國外20世紀70～80年代水平，加工過程中材料綜合利用率低，能耗、物耗高，成本高，效益差；有些企業(yè)的設備是世界一流的進口設備，但卻沒有充分利用，多年來平均設備利用率較低（50%～60%），這就導致企業(yè)的成本高，折舊費高。

：我國先進材料的制備和生產水平正在逐步提高，但與國外先進材料比還有一定差距，特別是在航空航天領域，高端鋁材還是我們的短板，在高端鋁材研發(fā)中仍處于跟蹤仿制階段。針對這些差距，國內需要在哪些方面進行突破？

莊林忠：中國鋁加工業(yè)經過60多年的發(fā)展，已成為國際公認的鋁材生產大國。目前，無論是鋁合金熔煉設備、軋制設備還是鋁合金擠壓設備以及精整設備，現代化的一流鋁加工設備之數量對全球各國而言應該是最多的，但由于研發(fā)資金投入少、基礎研究薄弱，現代化一流設備只能大量生產性能不高的鋁材，像航空航天工業(yè)所用的高端鋁材仍是我們的短板。所以，我國要縮小與國外鋁業(yè)的差距，逐步實現高端鋁材的自主研發(fā)和生產，滿足國內在航空航天等領域對高性能鋁合金的重大需求，具體可從以下幾個方面著手：

一是可從戰(zhàn)略層面引導企業(yè)技術創(chuàng)新和研發(fā)，但要少干預，應該充分發(fā)揮企業(yè)的自主性，實現真正基于技術本身及市場需求的研發(fā)；二是增加科研投入，增強基礎理論研究，實現鋁合金研究的技術儲備，使科研具有延續(xù)性和可繼承性，逐步增強國內的研究實力和水平；三是高性能合金的開發(fā)和發(fā)展主要應圍繞提高材料的強度、塑性、韌性、耐蝕性以及疲勞性能等綜合性能來開展研究，其新型合金可通過調整合金成分、采用新的加工和制造技術等途徑進行開發(fā)；四是新鋁合金的研發(fā)不僅考慮其合金成分，而應該將合金成分、加工工藝及其應用3者結合起來，從根本上提高合金的綜合性能；五是新型鋁合金的研制要實現真正的產、學、研相結合，實施以自主知識產權為基點的原創(chuàng)性研發(fā)工作。

莊林忠：全面提高鋁合金的綜合性能仍將是今后一個時期國內外科研重點關注的焦點，也是我們關注的重點領域。我們的重點研究方向包括：一是突破傳統(tǒng)鋁合金的設計理念，結合專利數據庫和相圖計算創(chuàng)新性地設計開發(fā)新型合金，顯著提高合金的綜合性能；二是應用計算機輔助模擬指導工藝優(yōu)化。在新工藝探索研究方面，開發(fā)超低溫變形工藝、形變誘導變形工藝等，提高合金的加工性能和綜合使用性能；三是注重產、學、研結合，以自主知識產權為基點的原創(chuàng)性研究，更好地滿足國家對新材料的重大需求。