超强耐蚀无磁铝合金材料介绍

1、超强耐蚀无磁铝合金材料（推荐奖种：国家技术发明奖）一、项目名称超强耐蚀无磁铝合金材料二、主要完成人张新明（中南大学）,尹登峰（中南大学），陈明安（中南大学）,朱耀明（中南大学），郑玉林（南南铝业股份有限公司），刘胜胆（中南大学）三、项目起止时间1980年6月18日至2010年11月26日。四、具体计划、基金的名称和编号1.航天工业部项目（1980年）：仪表用低磁化率Al-Cu-Zn-Mg合金棒材研究；2.“863”计划项目： 航天器用无磁高强耐蚀铝合金XXXX件研制（2002AA741082）；3.“973”计划项目：提高铝材质量的基础研究（G1999064900）；4.“973”计划项目：高

2、性能铝材与铝资源高效利用的基础研究（2005CB623700）；5.中国空间技术研究院资助项目：航天器用无磁高强高韧耐蚀铝合金XXXX件研制（2002）；6.中铝资助项目：高强铝合金材料的淬透性研究（CHALCO-2007-KS-07）。五、项目简介我国发展的运载火箭、卫星、宇宙飞船等航天器、卫星等对材料提出了极低磁性、高强度和高耐蚀迫切需求，要求磁性低于纯铝（6.010-7cm3/g，称“无磁”），强度600MPa以上（超强），抗应力腐蚀性能大于10MPam1/2。国外对有关材料高度保密。此前国内使用不锈钢的磁性与密度高，钛材密度高，铍材制备有毒，LY12铝合金强度低且磁性不合要求，我国航天

3、重大工程的发展面临“无磁”轻质高强材料瓶颈问题！铝合金材料的强度、耐蚀性往往相互制衡，同时提高是铝合金材料领域的难题，实现超强、耐蚀、无磁三项性能协同难度更大！ 本项目历经30余年，针对不同型号的需求，先后创制了三种低磁化率铝合金材料，成功应用于嫦娥工程、神舟系列飞船、长征系列运载火箭及多种卫星的关键构件，多次重大发射均获得圆满成功，为我国航天事业的发展做出了重大贡献！其应用净化了航天飞行器磁环境，提高了安全裕度和可靠性，使失效问题根本解决，实现相应构件大幅度减重；超强耐蚀无磁铝合金性能指标已达抗拉强度640675MPa,屈服强度605630 MPa，延伸率1012%，抗应力腐蚀性能大于15

4、MPam1/2，磁化率在4.1110-8 cm3/g以下，这些高综合性能指标对推进航天器关键结构的优化设计奠定了坚实的材料基础！本项目发明的无磁铝合金材料成分、制备技术及其独特的高综合性能在国内外未见报道。本项目基于磁感强度叠加原理，引入抗磁元素，形成负的或小于纯铝磁化率、且能阻止位错切过或绕过的强化相，由低磁Al、Mg，抗磁Zn、Cu、Ag元素生成纳米共格/半共格Al2Cu（-0.510-6cm3/g）、 Al2CuMg（-0.90710-6cm3/g）、MgZn2（0.00710-6cm3/g）强化相；利用晶体磁性各向异性，引入Cr、Mn、Ti等微合金元素生成亚微米弥散相强化弱磁性方向基体

5、组织，发明Al-Zn-Cu-Mg-X(Ag、Cr、Mn、Ti)无磁铝合金成分。构建“微结构多尺度效应与晶体低能界面协同”提高强度、耐蚀性和降低磁性的多相组织模式，发明了超强耐蚀无磁铝合金材料制备的关键技术，包括：多级均匀化、分级加热固溶技术，制备出具有小角度晶界、纤维组织和强织构的材料，实现基体界面协同，强化超强耐蚀无磁性能；高温预析出时效技术，制备出具有晶内高密度共格/半共格、晶界不连续分布无磁强化相的材料，实现第二相界面协同，强化超强耐蚀性能；淬透层深度与残余应力协调的淬火技术，解决超强耐蚀无磁厚截面材料性能均匀性调控难题。上述关键技术已拓展应用到航空航天、交通运输等领域所需大规格高性能铝

6、合金材料的研制和生产，在西南铝业（集团）有限责任公司、南南铝加工有限公司等航空航天铝材骨干加工企业得到应用，促进我国铝合金加工技术进步及铝合金产品结构优化升级。 获授权发明技术专利10项；发表论文75篇，被SCI、EI检索52篇；材料已实现规模化生产，建立了生产工艺、技术标准及应用规范，已列入航天材料优选目录。六、主要技术发明发明点1：发明了三种高性能无磁铝合金成分，并构建了“微结构多尺度效应与晶体低能界面协同”提高材料高综合性能的原理，解决了超强耐蚀无磁铝合金成分与组织模式设计难题。学科：有色金属及其合金材料；旁证材料：授权专利ZL2.5，ZL2.1，ZL2.9和研究论文。纯铝的磁化率约为6

7、.010-7cm3/g。要使铝合金磁化率继续降低难度相当大，本项目 设计引入抗磁元素、形成负的或极低磁化率且具强化效应的多相组织 (如，S， 织构等)。本项目发明了三种高性能无磁铝合金。超强Al-Zn-Mg-Cu-X（Ag、Cr、Mn、Ti）合金由Al、Zn、Cu、Mg主合金元素生成负的或超低磁化率纳米共格/半共格强化相Al2Cu（-0.510-6cm3/g）、 Al2CuMg（-0.90710-6cm3/g）、MgZn2（0.00710-6cm3/g），在大大降低合金磁化率的同时能提高合金强度；Ag、Cr、Mn、Ti等微合金元素的加入还能生成其它亚微米弥散相，阻止再结晶，有利于形成高比例小角

8、度和强织构，协同提高强度、耐蚀性，进一步降低磁化率。构建了“微结构多尺度效应与晶体低能界面协同”来提高综合性能的原理，解决了超强耐蚀无磁铝合金成分、性能与组织模式设计难题，并提出了合金的特征微结构模型。发明点2：发明了多级均匀化、强剪切形变及预回复多级加热固溶的铝材制备系列技术，解决形成强织构、抑制再结晶的难题，为时效多相组织调控奠定基础。学科：有色金属及其合金材料；旁证材料：授权专利：ZL2.8，ZL2.3，ZL2.0和研究论文。小角度晶界、纤维组织和强的织构是实现多项性能协同的重要组织条件，控制材料加工过程中的再结晶是塑性加工技术的关键。抑制再结晶、消除挤压制品的粗晶环一直是铝材加工领域的

9、难题。本项目发明多级均匀化、强剪切形变及预回复多级加热固溶的系列技术：（1）多级均匀化，促进弥散相亚微米析出，解决抑制再结晶的第二相粗大、非均匀析出难题；（2）强形变控制挤压，解决强化纤维组织和织构形成的难题；（3）预回复多级加热固溶，降低形变储能、有效解决固溶和不发生再结晶的矛盾。发明点3：发明了先高压小流量、后低压大流量介质淬火，以及高温预析出时效系列热处理工艺技术，解决高综合性能、高均匀性材料淬火时效的难题。 学科：有色金属及其合金材料；旁证材料：授权专利：ZL2.X，ZL2.6，ZL2.8，ZL2.3和研究论文。厚截面大规格无磁铝合金材料淬火的关键是要解决沿厚向不均匀冷却导致整体性能下

10、降难题。时效的关键是要解决无磁强化相充分析出，但耐蚀性能大幅度下降的难题。针对上述难题，本项目发明了以下系列技术：（1）发明了先高压小流量、后低压大流量介质提高材料淬透层深度的工艺技术，以及淬透层深度测量方法与装置，为研发高均匀性超强铝合金厚截面材料提供了简便、高效、低成本的手段；（2）发明了高温预析出时效热处理技术，促使无磁强化相晶内高密度析出、晶界不连续析出，协同提高材料强度和耐蚀性能。七、推广应用情况、经济效益和社会效益1推广应用情况无磁铝合金已成功应用“嫦娥工程”、“神舟系列飞船”，也成功应用于“天宫一号”、长征系列火箭和重点遥感型号卫星、天绘卫星等多种国家重大工程。获得来自运载火箭技

11、术研究院XXX厂、中国航天科技集团公司等多次发来的感谢信和荣誉证书。超强耐蚀无磁铝合金材料已广泛推广应用于我国空间实验站的连接件、框类结构等关键部件。中国空间技术研究院已将超强耐蚀无磁铝合金材料列入航天五院的选材目录，继成功应用于XX-XX和XX-XX重点遥感型号卫星后，现已大量应用于遥感卫星系列、小卫星系列，并推广用作我国空间实验站的连接件、框类结构等关键部件。如，用超强耐蚀无磁铝合金材料代替卫星的钢丝衬套，使传统的埋置连接件失效问题得到根本的解决，极大地提高了航天器的安全裕度和可靠性，简化了工艺，提高加工效率50%，并实现埋构件减重5%10%，达到优化航天器结构件设计的目的。北京卫星制造厂

12、：2005年以来为我厂批量供货的超强耐蚀无磁铝合金22mm、25mm、30mm、35mm、40mm、70mm、250mm250mm150mm和400mm400mm200mm等多种规格型材、板材及锻件，已在多型号遥感卫星、小卫星系列上批量应用于连接件、舱段接头件，减轻结构件重量5%-10%。近六年的应用表明，该材料性能稳定，加工性能好，简化了连接件加工组装过程，提高加工效率50%，降低了成本。2社会效益与间接经济效益本项目历经30余年，针对不同型号的需求，创制的三种磁化率不断降低而强度不断提高的铝合金材料，解决我国发展的新型运载火箭、卫星、宇宙飞船等航天飞轻质高强“无磁”材料的瓶颈问题，已成功应

13、用于嫦娥工程、神舟系列飞船、长征系列运载火箭、各种卫星关键部件。净化了航天飞行器磁环境，使失效问题根本解决，简化工艺，并使相应构件大幅度减重，提高了飞行器有效载荷、精度、安全裕度和可靠性，为我国航天事业做出了重大贡献！超强耐蚀无磁铝合金设计与制备的科学原理与技术，已拓展到了航空航天、交通运输等领域所需高性能大规格铝合金材料的研制和生产，相关技术已在西南铝业（集团）有限责任公司、中铝西南铝板带有限公司、南南铝业股份有限公司、湖南卓聚新材料有限责任公司、广东兴发铝业公司得到应用，为这些企业提供了技术支撑并创造了巨大效益。主要应用单位及社会、经济效益应用单位名称应用技术应用的起止时间应用单位联系人/

14、电话经济、社会效益（万元）中国航天科技集团XX研究院XXX厂运载火箭和神舟飞船1984年至今李苑中国空间技术研究院铝合金XXXX件2002年8月焦定江北京卫星制造厂无磁高端超强铝合金材料2002年8月张绍政湖南卓聚新材料有限责任公司合金成分、均匀化、固溶、时效及淬透深度测量技术2004年3月戴进3新增利润：387.1新增税收： 74.7西南铝业（集团）有限责任公司铸锭均匀化、固溶、时效及淬透深度测量技术2004年6月游江海新增利润：4961新增税收：957.5中铝西南铝板带有限公司铸锭均热/加热等技术2008年6月黄平南南铝业股份有限公司粗晶环控制技术2007年5月李彬新增利润：3326.7新

15、增税收：835广东兴发铝业有限公司淬透性深度测量技术2006年1月吴锡坤8新增利润：2250.6新增税收：434.36八、主要知识产权证明目录知识产权类别知识产权具体名称国家（地区）授权号授权日期证书编号权利人发明人发明专利用于连接件的无磁铝合金中国ZL2.52009年4月29日国密第3343号（已解密）中南大学张新明，陈明安，周卓平，唐建国，李国峰发明专利精密铝合金及制备方法中国ZL2.12010年8月4日国密第5046号（已解密）中南大学尹登峰，李大河，方可伟，余志明，杨为一发明专利一种Al-Zn-Mg-Cu系合金中国ZL2.92010年2月17日国密第4187号（已解密）中南大学张新明，

16、李国峰，朱航飞发明专利铝-锌-镁-铜合金铸锭的均匀化热处理方法中国ZL2.82010年2月17日国密第4186号（已解密）中南大学张新明，邓运来，游江海，刘胜胆，张勇，陈明安，周卓平发明专利超高强AlZnMgCu合金的固溶加热方法中国ZL2.32010年2月17日国密第4189号（已解密）中南大学张新明，邓运来，刘文辉，刘胜胆，游江海，张勇，陈明安，周卓平发明专利一种7XXX系铝合金热处理方法中国ZL2.X2010年2月17日国密第4188号（已解密）中南大学张新明，张小艳，刘胜胆发明专利测量铝合金材料淬透深度的装置及方法中国ZL2.82010年1月6日证书号第587989号中南大学张新明，邓

17、运来，郑玉林，游江海，张勇发明专利提高铝合金材料淬透深度的淬火方法中国ZL2.62010年6月16日证书号第638771号中南大学张新明，邓运来，熊创贤，张勇，万里，游江海，发明专利制备面心立方金属细晶板材的方法及模具中国ZL2.02008年6月25日证书号第406621号中南大学张新明，杜予喧，叶凌英，罗志辉，周卓平发明专利铝合金板的淬火装置及方法中国ZL2.32009年3月31日证书号第724173号中南大学张新明，邓运来，张勇，熊创贤，万里，曹盛强，刘胜胆，张劲九、主要完成人情况1. 张新明，男，中南大学教授。二级单位：中南大学材料科学与工程学院。1987年获德国亚琛大学博士学位，材料加

18、工工程专业。对本项目技术创造性贡献：主持项目总体规划、制定研究方案与组织项目实施，发明了超强耐蚀无磁铝合金的成分及其材料加工技术。提出了超强铝合金力学性能、耐蚀性能与无磁性能界面协同提高的研究思路与技术方案，进行了合金成分设计，提出并建立了超强耐蚀无磁铝合金铸锭多级均匀化技术和弱磁强织构的挤压技术以及抗磁、低磁相的时效热处理技术。对所列发明点1、发明点2和发明点3做出了创造性贡献。是9个授权发明专利的第一发明人： ZL2.5, ZL2.9，ZL2.8，ZL2.3，ZL2.X，ZL2.6，ZL2.8，ZL2.3，ZL2.0。曾获国家科技奖励情况：强化高压电容铝箔立方织构的机理、关键技术及产业化,

19、2004年1月20日,国家科技进步二等奖,2003-J-215-2-07-R01；铝及铝合金现代化热连轧技术与工艺开发,2008年12月3日,国家科技进步一等奖，2008-J-215-1-02-R03。2. 尹登峰，男，中南大学副教授。二级单位：中南大学材料科学与工程学院。2010年获中南大学博士学位，材料学专业。对本项目技术创造性贡献：从2005年9月开始主持无磁铝合金生产试制至今，供神舟系列飞船和多种运载火箭应用。研究微量银对铝合金负磁相的析出机理及其对铝合金性能的影响规律，获得协同提高无磁铝合金强度、降低磁化率的效果。对所列发明点1、发明点2和发明点3做出了创造性贡献。高强无磁铝合金成分及其制备方法授权发明专利第一发明人（ZL2.1）。3. 陈明安，男，中南大学教授。二级单位：中南大学材料科学与工程学院。2003年年获中南大学博士学位，材料加工工程专业。对本项目技术创造性贡献：作为副组长承担并完成了863项目 “航天器用无磁高强耐蚀铝合金XXXX件的研制”项目；参与超强耐蚀无磁铝合