鋁合金材料的應(yīng)用領(lǐng)域及加工成形技術(shù)分析

萬 達(dá)

（中鋁材料應(yīng)用研究院有限公司，北京 102209）

鋁合金材料與其他同類型單質(zhì)材料相比，它在性能上有明顯優(yōu)勢，至少不弱于其他材料，同時鋁合金在體積、自重等方面更加突出，說明鋁合金材料在同等體積的情況下，性能表現(xiàn)將更加突出。由此說明鋁合金材料具有較高的應(yīng)用價值，對其進行研究與分析，有助于鋁合金材料的進一步發(fā)展。

1 鋁合金材料優(yōu)勢特征

在材料應(yīng)用角度上鋁合金材料所具備的優(yōu)勢特征繁多，但其中較具代表性的為密度小、力學(xué)性能優(yōu)異、耐腐蝕性強、導(dǎo)熱性能好、可塑性突出，下文將對五大特征進行分析。

1.1 密度小

金屬材料密度的大小關(guān)系到材料的強度，密度越小則強度越大，否則越小，在這層關(guān)系下鋁合金作為一種合成金屬材料，其密度遠(yuǎn)小于普通鋼材，說明鋁合金的強度更大，即鋁合金的材料密度大致為2.7g/m3，而普通鋼材的密度普遍為7.8/m3，可見鋁合金密度大約占鋼材密度的1/3。鋁合金因較小密度展示出來的高強度深受不同領(lǐng)域喜愛，這是鋁合金材料能在不同領(lǐng)域中受到青睞的關(guān)鍵因素。

1.2 力學(xué)性能優(yōu)異

力學(xué)性能普遍是指力學(xué)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、強度大小及力的傳導(dǎo)性，在普遍的應(yīng)用中穩(wěn)定性越強越好、強度越大越好、傳導(dǎo)性越符合應(yīng)用要求越好，根據(jù)該邏輯鋁合金材料較于其他合成金屬材料，其力學(xué)性能各指標(biāo)表現(xiàn)非常優(yōu)秀，即普通合成金屬材料（以不銹鋼為例）一般具有一定的脆性，因此力學(xué)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性相對低，實際強度也有相同表現(xiàn)，而在這兩種表現(xiàn)下，普通材料通常不具備良好的力學(xué)傳導(dǎo)性，傳導(dǎo)過程中容易出現(xiàn)較大的晃動率，使得傳導(dǎo)力增大，這在某些應(yīng)用領(lǐng)域中可能會威脅到整體結(jié)構(gòu)安全，而鋁合金材料在合成工藝中加入了一些強化元素，使其脆性大幅降低，因此穩(wěn)定性、實際強度大幅提升，力學(xué)傳導(dǎo)中也不會出現(xiàn)過大的晃動，能夠穩(wěn)定的實現(xiàn)傳導(dǎo)，易于力學(xué)參數(shù)控制。

1.3 耐腐蝕性強

絕大部分應(yīng)用領(lǐng)域?qū)饘俨牧系哪透g性都有較高要求，原因在于金屬材料同樣都用于外側(cè)結(jié)構(gòu)，說明材料在主體存放、運作時會與外界因素接觸，而外界因素中就存在腐蝕性元素，若金屬材料的耐腐蝕性不強，則代表材料在短時間內(nèi)會失去應(yīng)有功能，應(yīng)用主體自然無法繼續(xù)使用，說明此類金屬材料的使用壽命不長。這一條件下，鋁合金材料較于其他多數(shù)金屬材料有一個特殊的功能，即當(dāng)鋁合金暴露在大氣環(huán)境中時，其外層會形成氧化膜，氧化膜能夠在較大程度上阻隔腐蝕性元素對鋁合金表面的侵蝕，使得鋁合金材料具有較強的耐腐蝕性，而其他多數(shù)金屬材料并不具備這一功能，尤其是單質(zhì)金屬材料，相比之下說明鋁合金材料具有耐腐蝕性上的優(yōu)勢。

1.4 導(dǎo)熱性能好

在一些特殊的應(yīng)用領(lǐng)域中對金屬材料的導(dǎo)熱性有一定要求，材料不但要具備穩(wěn)定傳遞熱能的作用，在耐熱性上也要有突出表現(xiàn)，而鋁合金材料的導(dǎo)熱性非常優(yōu)秀，在導(dǎo)熱過程中期熱能損失率很低，同時鋁合金材料耐熱性也比較強，這種表現(xiàn)與純鋁材料相比就成為了一種優(yōu)勢，即純鋁材料的熱能損失率較高，耐熱性較低，在長時間的溫度作用下容易出現(xiàn)變形、變質(zhì)問題。

1.5 可塑性突出

在不同應(yīng)用領(lǐng)域當(dāng)中金屬材料必須根據(jù)應(yīng)用要求來進行加工，否則將不具備適用性，而加工就非常考驗材料的可塑性，若材料可塑性低，則加工范圍就會受到限制，強行加工可能會導(dǎo)致材料損壞、報廢，同時對可塑性低的材料進行加工還存在較大的難度。這一條件下，鋁合金材料的可塑性就非常突出，在加工過程中基本可以做到任意彎曲，且在小幅彎曲加工中還能進行一定程度上的調(diào)整，使得加工容錯率更高，可見鋁合金材料具有可塑性上的優(yōu)勢。

2 鋁合金材料應(yīng)用領(lǐng)域

鋁合金材料的優(yōu)異性能表現(xiàn)使得此類材料具有較高的應(yīng)用價值，因此被廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域中，其中比較常見的有航空機械制造、電器設(shè)備制造、汽車制造、裝飾、金屬包裝、建筑門窗、電子等，下文將對各應(yīng)用領(lǐng)域中鋁合金材料的表現(xiàn)進行分析。

2.1 航空機械制造

航空機械非常緊密，因此在某些部件制造當(dāng)中對材料有很高的要求，如材料必須具備優(yōu)異密封性、突出的耐腐蝕性等，由此對照鋁合金材料的優(yōu)勢特征分析可知，鋁合金材料全面滿足航空機械某些部件的制造要求，被廣泛應(yīng)用于航空機械制造領(lǐng)域中。例如現(xiàn)代很多飛機在儀器倉、燃油箱部件制造中都使用了鋁合金，此類材料的使用全面保障了兩個部件的密封性，使得飛機儀器任意狀態(tài)下都能正常運作，燃油也能穩(wěn)定供給，為飛機運作穩(wěn)定性、安全性提供了良好幫助，其中鋁合金制造的燃油箱還體現(xiàn)了此類材料的耐腐蝕性，即飛機燃油本身就是一種腐蝕性物質(zhì)，長期與某個物體接觸會對其造成油污腐蝕，但鋁合金在自身氧化膜功能下能夠極大的延緩腐蝕速度，保障了燃油箱的使用壽命，同時也避免了突發(fā)性燃油箱泄露的風(fēng)險[1]。

2.2 電器設(shè)備制造

鋁合金材料在電器設(shè)備制造領(lǐng)域中同樣展現(xiàn)出了較高的應(yīng)用價值，尤其針對一些特殊電器設(shè)備，如取暖器、散熱器等，此類電氣設(shè)備目的在于對熱能的控制，因此在運作過程中熱能必然會經(jīng)過材料，這時就非?？简灢牧系膶?dǎo)熱性能，而鋁合金材料良好的導(dǎo)熱性能就與此類電器設(shè)備運作要求相符，能夠保障熱能損失率處于低水準(zhǔn)，同時還能很好的將熱能傳遞出去。此外值得注意的是，鋁合金材料在電器設(shè)備制造領(lǐng)域中的應(yīng)用非常廣泛，除了取暖器、散熱器等家用設(shè)備以外，在電力工程設(shè)備中還可以應(yīng)用于配電箱制造、電纜制造等方面。

2.3 汽車制造

汽車作為現(xiàn)代大眾化的一種交通工具，它在制造生產(chǎn)中必須考慮汽車的安全性、舒適性等，而汽車制造時的材料對這些考慮要點的影響很大，如材料強度不足必然導(dǎo)致汽車安全性不足、材料力學(xué)傳導(dǎo)性不足及自重過大必然導(dǎo)致汽車舒適性不足，同時自重過大還會對汽車動力造成負(fù)擔(dān)，使得汽車在制造中必須提高動力，否則在行駛過程中容易出現(xiàn)動力不足的現(xiàn)象。這一條件下，根據(jù)鋁合金材料的特征表現(xiàn)可知，此類材料強度突出、力學(xué)傳導(dǎo)性良好、自重很輕，因此可以避免以上問題發(fā)生，被廣泛應(yīng)用于汽車制造領(lǐng)域中，如汽車車身制造等[2]。

2.4 裝飾

裝飾領(lǐng)域中可使用的材料有很多，但出于裝飾要求材料在可塑性上必須有特殊表現(xiàn)，如顏色可塑性及著色性能、造型可塑性等。這一條件下，鋁合金材料的氧化膜具有良好的著色性能表現(xiàn)，因此能夠很好的讓顏料附著在表面，說明其具有良好的顏色可塑性，同時鋁合金材料中的軟鋁合金非常易于加工，利用器械可以根據(jù)裝飾要求來構(gòu)建各種造型，說明此類材料造型可塑性強，因此被廣泛應(yīng)用于裝飾領(lǐng)域。

2.5 金屬包裝

某些產(chǎn)品比較特殊不能使用常規(guī)的紙質(zhì)、塑料包裝材料來存放，而需要使用金屬材料，原因在于此類產(chǎn)品在高溫下容易變質(zhì)，或者需要冷藏，而常規(guī)包裝材料的導(dǎo)熱性不強，密封性一般，可塑性不足，因此無法使用，而金屬材料在這三點上更加優(yōu)秀。但值得注意的是，金屬材料可能會因為某些因素而生銹，這時將影響到內(nèi)部的產(chǎn)品，所以針對此類產(chǎn)品必須慎重選擇金屬包裝材料，而鋁合金不但具有其他金屬材料的優(yōu)勢，同時其氧化膜還能避免生銹，因此被廣泛應(yīng)用于此類產(chǎn)品的金屬包裝中。例如現(xiàn)代比較常見的易拉罐飲料就是鋁合金制的，且易拉罐還體現(xiàn)了鋁合金的可塑性。

2.6 建筑門窗

建筑門窗是建筑的功能設(shè)備，兩者的材料對建筑內(nèi)部安全、環(huán)境質(zhì)量、能源消耗等存在影響，即材料強度低則很容易被人破壞，容易引發(fā)內(nèi)部安全問題；材料密封性與導(dǎo)熱性將決定室內(nèi)保溫、通風(fēng)情況的好壞，對建筑室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量造成影響；當(dāng)材料密封性與導(dǎo)熱性良好，則建筑內(nèi)部環(huán)境優(yōu)秀，人們對電氣設(shè)備的依賴將下降，起到節(jié)省電能的作用，否則會加大電能消耗。這一條件下，鋁合金優(yōu)秀強度能夠避免建筑門窗處出現(xiàn)內(nèi)部安全問題，良好的密封性與導(dǎo)熱性可起到優(yōu)化環(huán)境質(zhì)量、降低能源消耗的作用，因此被廣泛應(yīng)用在建筑門窗領(lǐng)域中[3]。

2.7 電子

電子設(shè)備生產(chǎn)制造中必須使用到金屬材料，但材料必須具備良好的導(dǎo)電性、耐熱性、散熱性，否則可能會導(dǎo)致設(shè)備運作異常，或者出現(xiàn)溫度過高的現(xiàn)象，這都是人們不樂于看見的。而鋁合金材料在導(dǎo)電性上就非常突出，其電阻率在各類金屬材料中有明顯優(yōu)勢，同時良好的導(dǎo)熱性能可保障電子設(shè)備耐熱性、散熱性處于高水平，可見鋁合金材料對電子設(shè)備是有益的，因此被廣泛應(yīng)用。例如現(xiàn)代智能手機的電池框架就是鋁合金制的。

3 鋁合金材料加工成形技術(shù)

鋁合金材料在不同領(lǐng)域中有不同的作用表現(xiàn)，因此在各領(lǐng)域中要采用不同的加工成形技術(shù)來實現(xiàn)應(yīng)用目的，具體技術(shù)大體可以分為四類，分別為軋壓成形、鑄造、擠壓成形、3D打印，各技術(shù)應(yīng)用方式見下文。

3.1 軋壓成形

軋壓成形技術(shù)具有兩種應(yīng)用形式：

（1）主要利用摩擦力將鋁合金加工件帶入旋轉(zhuǎn)空間，隨后在空間旋轉(zhuǎn)過程中向加工件施加壓力，促使鋁合金的橫斷面減小而形變，最終實現(xiàn)成形。

（2）利用高溫使鋁合金軟化，隨后利用壓力對鋁合金進行塑形。兩種形式中，前者加工效率更快，但無法對鋁合金進行精密塑形，后者加工效率偏慢，但可以進行精密塑形[4]。

3.2 鑄造

鑄造技術(shù)是鋁合金加工中最為常見的加工成形技術(shù)，通過該項技術(shù)能夠?qū)X合金制成多種復(fù)雜零部件，以便于鋁合金在各領(lǐng)域中的應(yīng)用。加工中首先需要將鋁合金融化，使其處于液態(tài)，其次將液態(tài)鋁合金澆入零部件模具中定形，凝固后脫模就完成了成形加工，同時在凝固過程中還可以加入一些特定物質(zhì)，促使鋁合金凝固后有更突出的功能表現(xiàn)，這種方法常用于鋁合金氣密載體加工中。

3.3 擠壓成形

擠壓成形不適用于精密加工要求中，但在管狀、空心、實心鋁合金材料中有突出表現(xiàn)，能夠高效率的完成加工[5]。過程中首先要配置一個擠壓筒，隨后將定胚鋁合金放入筒中，其次利用軸承加工裝置在擠壓筒外向定胚施加一定壓力，促使其在形狀與尺寸上形變，達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)后消除壓力，去除定胚即可。

4 3D打印

3D打印技術(shù)是現(xiàn)代新出現(xiàn)的鋁合金加工成形技術(shù)，其主要是根據(jù)鋁合金加工設(shè)計圖來建立3D模型，隨后根據(jù)模型中的各個平面結(jié)構(gòu)，通過高能激光束聚焦對鋁合金金屬粉末進行掃描、融化、堆疊，由此實現(xiàn)加工成形的印象技術(shù)。3D打印雖然新穎，但目前在鋁合金加工中并不常見，原因在于該項技術(shù)尚不成熟，實際應(yīng)用容易出現(xiàn)誤差，因此要慎重選擇。

5 結(jié)語

綜上，本文對鋁合金材料的優(yōu)勢特征進行了分析，樹立了此類材料的基本概念，隨后根據(jù)各項優(yōu)勢特征闡述了鋁合金的應(yīng)用領(lǐng)域，可知在各領(lǐng)域中鋁合金的優(yōu)勢特征表現(xiàn)突出，具有較高的應(yīng)用價值，最后文中分析了鋁合金材料加工成形技術(shù)，通過技術(shù)加工可使鋁合金滿足各應(yīng)用領(lǐng)域的要求。總體而言，鋁合金材料在不同領(lǐng)域中起到了推動領(lǐng)域發(fā)展的作用，其應(yīng)當(dāng)?shù)玫酵茝V。