话说国内航空航天铝合金锻造产业

在各个领域，铝合金锻件用量不多，但是这些构件很重要，因为都是受力结构件。如今，西南铝业（集团）有限公司的锻件装在了成千上万架国外飞行器上，宏山航空锻造有限公司则即将成为世界第二大铝合金锻造厂。但尽管如此，中国在锻造铝合金研发和锻造工艺创新方面与国外先进水平相比还有一定差距。本文对中国铝合金锻造产业的发展现状作了简洁描述。

可锻性

金属的可锻性是指对其进行塑性加工获得合格工件难易程度的工艺性能。可锻性好的金属易于塑性加工成形，否则不适合于塑性加工成形。衡量金属可锻性高低可用其塑性和变形抗力综合衡量。塑性高，变形抗力小，则认为其有好的可锻性，反之则差。金属的可锻性高低取决于金属的属性和加工条件。

变形铝合金都有不错的可锻性，可用各种锻造工艺（自由锻、模锻、辊锻、辗压、旋压、环轧等）生产各种形状和类形的锻件。7XXX系和5XXX系合金的可锻性最差，而6XXX系合金的可锻性最好，2XXX系、4XXX系、8XXX系合金的可锻性居中。铝合金的可锻性除与本身化学成分有关外，还与变形温度、变形速度和应力状态密切相关。

铝合金的可锻性均随着温度的升高而增大，但温度的影响程度各有所不同。对于难锻的7XXX系合金，流动应力随温度发生的变化要更大一些，这就是它们锻造温度范围较窄的原因。锻造工艺除温度外，另外两个关键因素是模具温度和变形程度。这是锻造是否顺利的三要素。

变形速度是单位时间内的变形程度，对可锻性的影响有两个方面：一方面由于材料变形速度的增大，恢复和再结晶来不及克服加工硬化，材料塑性下降、变形抗力上升，可锻性变差；另一方面，材料在变形过程中，用于塑性变形的能量有一部分转变为热能，产生热效应，使金属温度上升，变形速度越大，热效应越明显，金属塑性上升，变形抗力下降，可锻性增强。铝合金锻件是由多种设备制备的，有的应变速率很快，如锻锤的≥1/10s；有的则相当慢，如液压机的却≤0.1/s。

工艺参数

工艺参数是指锻造温度、变形速度和变形程度。它们对材料可锻性和锻件的组织及性能有很大影响。确定锻造工艺的焦点就是确定工艺参数。选择参数的主要依据是合金相图、塑性图、变形抗力图和再结晶图。

锻造温度范围

锻造温度范围是指始锻温度和终锻温度之差。合金相图是确定此温度范围的主要参考依据，可以粗略地确定此温度范围，然后通过合金的塑性、变形抗力图和加工再结晶图加以精确化。确定锻造温度范围的基本原则为：合金在锻造温度范围内具有良好的塑性和较低的变形抗力；温度范围宜尽可能宽些，以减少加热次数；能保证锻件具有细晶粒组织和高的力学性能；易操作。常用铝合金的锻造温度见表1。

表1 铝合金的锻造温度范围

变形速度

变形速度是指单位时间内变形程度变化量，不等于设备工作速度，它与坯料尺寸有关。变形速度与锻造锤头或压力滑块的运动速度和坯料尺寸的关系为：

式中V为滑块（横梁、锤头）或工具的运动速度，m/s；Ho为毛坯原始高度，m。

由上式可知，当安于锤头或压力机滑块上的工具的运动速度相等时，坏料高度愈小，变形速度愈大；坯料尺寸相同，工具运动速度愈大，变形速度也愈大。

研究指出，变形速度对铝合金塑性和变形抗力有一定影响，大多数合金化程度低的铝合金随变形速度的增加，在锻造温度范围内的工艺塑性没有明显下降。但是，对那些成分复杂合金化程度高的铝合金，从静载变形到动载变形，工艺塑性下降，允许变形程度从80%降到40%。此外，从静载荷变形转为动载变形，铝合金的变形抗力将增大0.5～2倍。另外，为了提高所允许的变形程度和生产率，降低变形抗力，改善锻件组织，最好在水压机上锻造和模锻铝合金。

变形程度

铝合金的锻造变形程度可分为每次工作行程变形程度和总变形程度。每次工作行程的最大变形程度可根据该合金的塑性图和锻件形状确定。铝合金的允许变形程度取决于合金的成分和锻压机的变形速度，一般都随合金的合金化程度的上升和变形速度的上升而下降。

铝合金锻件的力学性能随变形程度的变化而有规律地变化。锻造的变形程度不仅决定了锻件的力学性能，而且决定了锻件的各向异性。锻造2A11合金的试验表明，在小变形和中等变形时，各向强度均随变形程度增加而上升，各向强度相差不大，但伸长率降低却较大；变形程度为80%时，锻件纵向性能趋于最大值；变形程度为60%～70%时横向力学性能达到最大值；再加大变形程度，由于纤维组织的形成，锻件强度剧烈下降。因此，在锻造的所有阶段单方向的压缩变形都不得大于60%。可见，为了2A11合金能获得足够大的力学性能和尽可能小的各向异性，铸锭的变形程度不宜小于65%。

若锻造用的原材料为铸锭时，在满足锻件尺寸和形状前提下，应尽可能地采用小的铸锭，因为锭的原始组织对锻件的组织和力学性能均有相当大的影响。

锻造变形速度和变形程度

表2 锻坯在不同锻压机上的典型变形速度

表3 允许锻造变形程度范围

铝合金锻造变形速度见表2，允许锻造变形程度范围见表3。

较新与先进的锻造工艺

锻造是以锤击或压制法对坯料施加压力，使之发生塑性变形的加工方法。锻造加工具有适应性强，能生产各种金属材料不同形状和尺寸的工件（锻件）；在保证设计强度的前提下可以减轻零件质量、节约材料和机械加工时间；生产效率高、可进行大批量生产；能较好地改善材料的组织性能等优点。同时，锻造加工也有设备庞大复杂、能耗大、效率低、成本高等不足。

锻造加工历史悠久，早在公元4000多年前的新石器时代末期，人类就锤击天然红铜制造装饰品和用品，中国在公元前11世纪就出现了锻造工艺。按使用设备和工具的不同，可将锻造分为自由锻和模锻。模锻又可分为开式模锻和闭式模锻。随着科学技术的发展进步，模锻技术也在不断地发展，出现了精密模锻、等温模锻、多向模锻、液态模锻、高速模锻、粉末模锻、辊锻等。

精密模锻

生产与成品零件尺寸很接近的少切削或无切削锻件的模锻。根据温度的不同，在大于再结晶温度时进行的称热精密模锻；在稍小于再结晶温度进行的称中温精密模锻；在室温进行的称冷精密模锻。精密模锻的特点：材料利用率大，尺寸精度和表面质量高，金属流线合理，能提高工件的承载能力。这对锻造费工时及性能要求较高的零件如齿轮、涡轮、叶片和航空航天器工件等都具有重要意义。精密模锻有开式和闭式两种。

等温模锻

等温模锻是在将模具加热到与所加工金属的变形温度同等温度时以低应变速率进行的锻造。其原理是，利用金属材料在适当的高温和应力下，经长时间的保温发生蠕变，或利用具有应变速率敏感材料和相变材料等所出现的超塑性条件，实现薄壁、高筋、形状复杂或难变形金属的成形。等温模锻的关键是带有感应加热器或电阻加热器加热模具。该法的应用越来越广泛，不但可以加工难变形的金属与合金，而且能以小设备锻制投影面积大而薄的锻件。

等温模锻有两个关键因素：坯料保持恒温和低的变形速率。恒温可以保证坯块的最佳变形塑性和小的变形抗力以及为动态恢复再结晶提供足够的能量；低的变形速率为动态恢复再结晶提供了充足的时间，使坯块一直处于再结晶状态，同时保证了坯块在锻造过程中各部分变形温度及温升大体一致，获得组织均匀的锻件，整体性能良好。所以温度和变形速率的精准控制能保证等温锻造顺利地进行。由于采取了这些控制措施，在锻造过程中坯块变形抗力与常规锻造相比，大幅度降低，使用小的设备可以生产大投影面积的模锻件，设备投资大大下降。

等温模锻一要锻压机，二要模具。锻造设备通常采用能调速能保压的液压机，因为等温锻造要求锻造过程中坯块变形速率慢，依据等温锻造的变形抗力确定设备锻造力。通常等温模锻的单位压力为常规模锻的1/5～1/10。此外，液压机要有顶出装置，应有足够的空间安装模具及加热的辅助工装设备。压机上、下模具装于基板上，应有冷却循环系统，确保锻压机组件在工作时不受模具加热装置的热影响。

等温锻造主要问题之一就是模具材料的选择及其加工制造，要求材料在锻造温度下具有一定的强度安全系数，在高温下能长期稳定工作，且不被氧化，目前用的为镍基高温铸造钢。

中国等温模锻技术研究始于20世纪70年代，北京航空材料研究院、西北工业大学、南昌航空航天大学、上钢五厂、航空148厂、航空3007厂等相继研发和生产铝、钛和粉末冶金等的航空航天等温锻件。

多向模锻

多向模锻是在多柱塞机上利用几个冲头从不同方向同时或依次对模具内的坯料加压，制取复杂形状的精密锻件的工艺。多向模锻按分模面布置分为水平分模面、垂直分模面和同时两种分模面模锻3种。多向模锻一般在液压机上进行，用机械压力机的不多。多向模锻特点：既可以制备中小尺寸锻件，也可以制造尺寸较大的锻件；由于变形时呈强大的三向应力状态，金属塑性显著提高，可以锻造温度范围窄、塑性差的难变形合金；能锻出组织性能好、尺寸精准、无飞边无模锻斜度的实心及空心锻件；节约金属，锻件取出方便，没有成形好的锻件可进行第二次、第三次锻造，直至合格为止；对多工步模锻，有利于实现机械化和自动化。

液态模锻

液态模锻是对注入模槽内的合金熔体施加压力，使其在冷凝和结晶过程中产生塑性变形而成为工件的一种锻造工艺，实质上就是压铸和锻造合二为一。液态模锻按施压方式分为3种：平头加压法、异形冲头加压法、间接法。该法应用于锻造困难、锻件质量不易合乎要求，而模锻成本又过高的锻造上，是在压力铸造的基础上逐步发展起来的，但又与压力铸造不同，不仅是把熔体压入模内冷凝成形，而是在熔体注入凹模后先行压铸，随后继续加压使之成形。其实质是对熔体或半固态熔体加压力使其结晶，并在压力下变形，改变了金属在正常状态下的结晶组织。这就形成了晶粒在结晶过程中不断地被压碎而细化，铸态树枝晶粒变成细小等轴晶粒，在随后的冷却收缩中仍被压缩，只要压力足够，就能将缩孔、气孔、疏松等缺陷压合，使力学性能比压铸件的高。与常规热模锻相比，液态模锻能耗低、设备锻压力小、金属消耗也低。但用此工艺生产时，由于易产生裂纹、脱模也不易，制品质量不如常规锻造的，故应用受到一定限制。

高速模锻

高速模锻的特点：锤头质量轻，速度极快。其主要有两大类：高速高能型和内燃机型。前者的工作原理是先贮存足够的能量，然后突然释放，获得非常高的速度（12m/s～24m/s），采用单次对击式锻锤，在小的空间内实现锻模内金属坯料的成型。后者的工作原理同内燃机一样，锤头在燃气压力推动下实现锤锻，而后由空气压力复位。

高速模锻最重要的特点是金属在高速条件变形时，其流动性得到改善，塑性提高，因而适于锻造难变形的合金，以及形状复杂、偏差要求高、断面薄的翼形锻件，在某些情况下，还能细化锻件晶粒、提高强度。目前，此工艺主要用于锻造叶片、齿轮、翼形件等。另外，高速模锻时，成形速度极高，对模具冲击很剧烈，模具易损坏。

粉末模锻

粉末模锻以金属粉末为原料，经过压制、烧结、模锻等工序制成所需形状和性能锻件的工艺，保持了粉末冶金压实制坯的优点，又发挥了锻造变形的特点。其材料利用率高，可达90%以上；力学性能高，材质均匀无异向性，锻件耐磨性大大提高；精度高，表面光洁，利于复杂形状锻件的成形；简化了生产工艺，生产效率高，易实现自动化；模具使用寿命长。

辊锻

辊锻是上世纪末与21世纪初发展起来的新型近净成形技术。坯料在一对反向旋转模具的作用下产生塑性变形所需产品的成形工艺。目前，辊锻成形技术主要用于制备长轴类锻件，生产线投资不大，可大批量生产复杂锻件；用于制备精密成形的板片类零件，如叶片成形，以及带筋条的钣金件。中国“奋进”号航天飞船外贮箱的Al-Li合金“Y”形框和对接环就是辊锻的。

辊锻机由电动机和齿轮驱动一对轧辊作相对旋转，辊上装有扇形模，坯料放于辊间，由摩擦力咬入模具间，在辊的压力下发生塑性变形，压力可达1MN。

辊锻可以制备锻坯，也可以锻制锻件。辊锻时，冷的或热的坯料在装有圆弧形模块的一对旋转着的锻辊中通过，模槽使其发生变形，从面制成锻件或锻坯，如扳手、剪刀、肋板、麻手钻、柴油机连杆、履带、拖拉机链轨节、涡轮机叶片等。辊锻变形是一个连续的静压过程，没有冲击和振动，其优点如下：

（1）设备压力小，因为锻压过程是逐步地连续地进行，变形时模具仅与坯料部分接触，所以不需要大的锻压机；（2）劳动条件好，可以实现机械化与自动化生产；（3）设备结构简单，不太笨重，对厂房和基础要求较低；（4）工件不重，生产效率高；（5）模具不用高档工具钢制造，可用球墨铸铁或冷硬铸铁制造，机械加工量不大，生产成本较低。

不过，辊锻主要用于锻制长轴工件，如用于锻制复杂的工件，还需要在压力机上进行整形。

旋转锻

旋转锻为在多头对击的旋转锻机上生产精密轴类件的一种回转成形工艺，又称径向锻造。旋转锻造时，坯料受到几个锤头沿径向对称高速锤打，直径减小，轴向延伸。锻造时坯料与锤头之间有相对旋转运动和轴向运动。按锻造温度可将旋转锻造分为冷锻、温锻和热锻，空心件的锻造可分为无芯棒锻造和有芯棒锻造。旋转锻造已普遍用于机床、汽车、航空航天器、枪炮和其它机械的实心台阶轴、锥形轴、空心轴、膛线枪管和炮管等零件的生产。

半固态模锻

半固态模锻是美国麻省理工学院弗莱明斯教授于1972年发明的，自上世纪90年代以来已成为一种先进成熟的工艺，特别是在铝合金领域。该工艺是将预先铸造的有细小均匀球状等轴晶粒组织的锭坯加热到有5（体积）%～50（体积）%液体的固—液状态下一次模锻成近成品尺寸零件的半固态成形工艺，又称流变模锻或触变模锻。半固态材料在相当小力的作用就能发生流变或变形。半固态模锻工艺具有一系列优点，与常规工艺生产的车轮、电器零件性能的比较见表4及表5。

表4 半固态模锻和金属模铸造铝合金汽车车轮的性能比较图片

表5 半固态模锻和机械加工电器零件的性能比较图片

模锻润滑

模锻润滑是利用润滑剂减少锻模模槽与被锻金属间摩擦的一种工艺技术。采用良好的润滑剂可以降低锻模磨损，延长使用期限；降低变形抗力、变形不均匀性和变形能消耗；促进金属流动，使其良好地充满型腔，保证锻件形状规整、尺寸精准；使锻件易脱模，减少粘模。锻造润滑剂一般应同时具备润滑、隔离、脱模及冷却功能，在使用过程中，残留在模膛中的灰渣应少，对锻模和工具无腐蚀作用，无毒，烟气少，可喷涂，价格合理等。润滑剂的涂敷状况对锻造质量和成品率也有较大影响，润滑剂涂得多或不均匀,非但不能改善流动，反而会阻碍金属流动或使金属紊乱而导致锻件出现折叠、涡流、穿流或晶粒不均匀等缺陷。

铝合金锻件在航空航天器上的应用

铝材在航空航天器上的应用首推轧制材（板、带、箔），其次是挤压材（管、棒、型、线、紧固件），锻件的用量不多，却很重要，因为锻件都是受力的结构件。在飞行器用的铝材中，据笔者估计，锻件的用量恐怕还不到铝材总用量的15%，个别情况例外。

目前，在航空航天器中得到应用的Al-Li合金有：美国的Weldalite 049、2090、2091、2094、2095、X2096、2197；欧洲铝业协会（EAA）中英国的8091，法国的8093，俄罗斯的BAД23。

铝材在飞行器上的应用情况见表6～表12。其中，Weldalite 049合金锻件的力学性能见表10。8090-T852 Al-Li合金锻件的力学性能见表11。锻件的应力腐蚀开裂性能比较见表12。

表6 一些民机的用材结构

表7 俄罗斯民机用铝材结构

表8 航空航天铝合金锻件的合金与状态图片

表9 航空航天铝合金自由锻件的应力腐蚀开裂性能

表10 Weldalite049合金锻件的力学性能

表11 8090-T852合金锻件的力学性能

表12 航空航天器锻件的应力腐蚀开裂性能比较

常用锻造铝合金

常用锻造铝合金有近20种，都是典型的变形铝合金，有历史悠久的20世纪30年代面世的美国铝业公司发明的2014合金，也有新近20余年来研发的Al-Li合金，都在一些工业部门获得广泛应用，用于制造各种结构件。

2014合金

2014合金是一种资深的Al-Cu-Mg-Si-Mn系锻造铝合金，成分（质量%）：（0.5～1.2）Si、0.7Fe、（3.9～5.0）Cu、（0.4～1.2）Mn、（0.2～0.8）Mg、0.10Cr、0.25Zn、0.15Ti，其他杂质每个0.05，总计0.15，其余为Al。2014-T6状态材料的强度性能均比2017、2024、2082等合金的高，在高温下也有高的强度，但熔焊性能较差，抗蚀性较差，特别是抗应力腐蚀开裂能力较低，因而必须进行保护处理。该合金在工业领域有着广泛的应用，特别是在航空器与汽车制造中，锻造底盘与悬架件，以及航空器起落轮锻件。但后者因形状复杂、壁厚差大，在成形过程中金属变形量不均匀。沿轮辐内侧产生沿圆周方向的裂纹，可用自然时效法或低温时效法消除内应力。

2017A合金

2017A合金是1972年欧洲铝业协会（EAA）注册的Al-Cu-Si-Mn-Mg系合金，成分（质量%）：（0.2～0.8）Si、（3.5～4.5）Cu、（0.4～1.0）Mn、（0.4～1.0）Mg、0.10Cr、0.25Zn、0.25（Zr+Ti），其他杂质每个0.05，总计0.15，其余为Al。该合金有承受高动态载荷能力，在时效状态应用，屈服强度与6082合金得相当，但有更高的抗拉强度与伸长率，可熔焊性能欠佳，在腐蚀性环境中应用时，应进行防腐蚀处理，可用于锻制高负载汽车零件，当然也可以锻制航空器零件。在2017、6082、Alutex合金中，后者有最高的综合性能。

2024合金

2024合金是一个久经考验的铝合金，不含稀贵的合金化元素，又有全面的综合性能，只要有铝合金存在，它就是顶梁柱之一。它是1933年美国铝业公司发明的，至今已形成有12个成员的大家族：2024、2024A、2124、2124A、2224、2224A、2324、2424、2524、2624、2724、2824。2024合金的化学成分（质量%）：0.50Si、0.50Fe、（3.8～4.9）Cu、（0.3～0.9）Mn、（1.2～1.8）Mg、0.10Cr、0.25Zn、0.15Ti，其他杂质单个0.05，合计0.15，其余Al。2024合金的屈服强度比6082合金的高一些，抗拉强度和伸长率则更高，是制备高强度锻件的常用合金。

5754合金

5754合金是一种用精铝和精镁配制的高纯Al-Mg系合金，是1970年美国铝业公司注册的，已发展成为有13个成员的大家族，其中5054合金已淘汰，是铝合金中最大的一族，还有1个中国合金（5154C，2008年注册），它们的牌号：5154、5154A、5154B、5154C、5254、5354、5454、5554、5654、5754、5654A、5854。5754合金的化学成分（质量%）：0.40Si、0.40Fe、0.10Cu、0.50Mn、（2.6～3.6）Mg、0.30Cr、0.20Zn、0.15Ti、（0.1～0.6）（Mn+Cr），其他杂质单个0.05，合计0.15，其余为Al。该合金有良好的阳极氧化与可焊性，用于锻造内外装饰件。

6401合金

6401合金是1980年欧洲铝业协会在美国铝业协会公司注册的高纯度Al-Mg-Si系合金，化学成分（质量%）：（0.35～0.7）Si、0.04Fe、（0.05～0.20）Cu、0.03Mn、（0.35～0.7）Mg、0.04Zn、0.01Ti，其他杂质合计0.01，其余为Al。该合金的特点是抗蚀性强，表面处理性能优异，成形性好，用于锻造装蚀件，在T5、T6状态应用。

6063合金

6063合金是产量最大的变形铝合金，2022年全世界的产量超过22000kt，其中85%以上为挤压建筑型材，1954年在美国铝业协会注册，美国铝业公司研发，成分（质量%）：（0.2～0.6）Si、0.35Fe、0.10Cu、0.10 Mn、（0.45～0.9）Mg、0.10Cr、0.10Zn、0.10Ti，其他杂质单个0.05、合计0.15，其余为Al。该合金有优秀的成形性、可焊性、抗蚀性，适于电化学光亮处理和阳极氧化处理，适于制备高装蚀性锻件。

6061合金

6061合金是一种广为应用的中等偏高强度Al-Mg-Si-Cu系合金，美国铝业公司研发，化学成分（质量%）：（0.4～0.6）Si、0.7Fe、（0.15～0.4）Cu、0.15Mn、（0.8～1.2）Mg、（0.04～0.35）Cr、0.25Zn、0.15Ti，其他杂质单个0.05，合计0.15，其余Al。该合金有良好的综合性能：对海水有高的抗蚀性，比其他可热处理铝合金的都高，可焊性好；有高的承受静、动载荷能力。它的强度比6063合金的高得多，一般用于制备强度高、形状较为复杂的锻件，在T5、T6状态应用。6061合金在冷加工状态的变形能力较差。

6082型合金

6082型合金除基本合金元素外，还有两种成分稍有区别的Anticorodal-114、Anticorodal-117合金。它们的成分都位于6082合金标定成分范围内，都在T5、T6状态下应用，多用于制备汽车锻件。6082合金的标定成分（质量%）：（0.7～1.3）Si、0.50Fe、0.10 Cu、（0.4～1.0）Mn、（0.6～1.2）Mg、0.25 Cr、0.20Zn、0.10Ti，其他杂质单个0.05，合计0.15，其余为Al。它们的特点：能承受相当高的动、静载荷，抗蚀性高，可切削性能好，多用于锻造汽车安全系统零件及悬架零件等。

6110合金

6110合金是一种Al-Si-Mg-Cu系合金，美国合金，1979年注册，是一种较新的合金。其化学成分（质量%）：（0.7～1.5）Si、0.8Fe、（0.2～0.7）Cu、（0.2～0.7）Mn、（0.5～1.1）Mg、（0.04～0.25）Cr、0.20Ni、0.30Zn、0.15Ti，其他杂质单个0.05，合计0.15，其余为Al。6110合金的Si含量比6060、6061、6063合金的都高，杂质Fe、Zn等的含量也相当大，因此，配料时可用较多的废料。Si除形成Mg2Si外，还有相当多的过剩量存在，故6110合金有高的强度性能与良好的可切削性能，锻件在T5、T6状态应用。

6066合金

6066合金是一种Si含量最高的6000系合金，化学成分（质量%）：（0.9～1.8）Si、0.50Fe、（0.7～1.2）Cu、（0.6～1.1）Mn、（0.8～1.4）Mg、0.40Cr、0.25Zn、0.20Ti，其他杂质单个0.05，合计0.15，其余Al。其Si含量高，除形成Mg2Si，还可以形成复杂的四元相AlSiCuMn相与有相当多的游离Si存在，因此，合金有高的综合力学性能。模锻件的最低力学性能为：抗拉强度440MPa，屈服强度400MPa，伸长率8%，布氏硬度115。在T5、T6应用，有高的可切削性，由于合金元素含量高，承受静、动载荷的能力比其他6000系合金的都高，是一种常用的中强偏高的锻造铝合金。

7075合金

7075合金是航空航天工业用得最多的锻造铝合金，是一种Al-Zn-Mg-Cu系合金，美国、苏联和日本于1944年几乎同时完成该合金的定型，并立即用于制造飞机，在T6及T73状态下应用。该合金的成分（质量%）：0.40Si、0.50Fe、（1.2～2.0）Cu、0.30Mn、（2.1～2.9）Mg、（0.18～0.28）Cr、（5.1～6.1）Zn、0.20Ti、锻件的（Zr+Ti）0.25，其他杂质单个0.05，合计0.15，其余为Al。该合金的抗蚀性比2024、2014合金的高，但不如6082合金。7075-T6/T73合金锻件的最低力学性能为：抗拉强度530~455MPa，屈服强度410~385MPa，伸长率8%~6%，布氏硬度145~130。

7018合金

7018合金是一种Al-Zn-Mg-Mn系合金，是一种英国合金，1978年注册，在T5、T6状态应用，有较高的强度性能和良好的可焊性。该合金的化学成分（质量%）：0.35Si、0.45Fe、0.20Cu、（0.15～0.50）Mn、（0.7～1.5）Mg、0.20Cr、0.10Ni、（4.5～5.5）Zn、0.15 Ti、（0.10～0.25）Zr，其他杂质单个0.05，合计0.15，其余为Al。模锻件的最低力学性能为：抗拉强度410MPa，屈服强度360Mpa，伸长率10%，布氏硬度115在T5或T6状态应用。

7020合金

7020合金是一种Al-Zn-Mg系合金，并含有Cr、Zr、Ti，1972年在美国铝业协会公司注册，化学成分（质量%）：0.35Si、0.40Fe、0.20Cu、（0.05～0.50）Mn、（1.0～1.4）Mg、（0.10～0.35）Cr、（4.0～5.0）Zn、（0.08～0.20）Zr、（0.08～0.25）（Zr+Ti），其他杂质单个0.05，合计0.15，其余为Al。该合金在T5、T6状态应用，强度性能中等，可焊性良好，模锻件的最低力学性能为：抗拉强度350MPa，屈服强度280MPa，布氏硬度115。

7085和7185合金

7085和7185合金是美国铝业公司为空客公司研发的较新的航空航天合金，用于制造A380客机整体化、大型化结构锻件，max锻件厚度可达300mm，杂质含量很低。7085合金的成分（质量%）：Si0.06、Fe0.06、Cu（1.3～2.0）、Mn0.04、Mg（1.2～18）、Cr0.04、Zn（7.0～8.0）、Ti0.06、Zr（0.08～0.15），其他杂质单个0.05，合计0.15，其余为Al。

Al—Li合金

目前用Al-Li合金制备的航空航天器锻件合金有：

①高强度的8091-T625；②中等强度的2090-T85203、耐腐蚀的8090-T852、耐破坏性的2091-852；③高耐破坏性的8090-T652；④可焊性与低温性能良好的2090-T652；⑤超塑成形的2090-T65203。

海底声纳系统锻件

2020年，中铝西北铝业有限责任公司用引进的8MN模锻机为某型号驱逐舰海底声纳系统生产两种规格的约5000件高精度高质量锻件，是用晶粒细小均匀的铝合金锭坯锻造的，不但有高的力学性能，而且有良好的抗蚀性、导热性和无磁性。

典型航空航天器模锻件

高精模锻件

波音飞机用的大中型精密铝合金模锻件材料为7075-T6，具有尺寸偏差、形位公差、错移、表面粗糙度等的精度要求特别高，形状复杂、腹板薄、壁厚差大、筋条窄且深、拔模斜度小等特点，给终锻模的制造和锻造带来不少困难。精密模锻件及普通航空模锻件的结构及质量要求见表13。采用7075合金铸造锭或挤压棒作坯料，在60MN液压机上锻成锻坯，而后进行预锻→切边→终锻→切边→淬火→矫正→人工时效→清理表面→检验→交货。

表13 波音飞机公司精密及普通模锻件的结构参数及质量要求

火箭铝合金锻环。随着航天工业的发展，要求提供质量轻、比强度和比刚度高、耐腐蚀、耐疲劳、可进行表面处理的铝合金环形件和管形件，如锻环、锥形锻环、三角锻环、大型锻管等，用的合金有6061、6013、2014、2124、2618、5083、5056、7075、7475等。锻压工艺分别为：自由锻→压扁→机械加工；自由锻→机械加工→扩锻→精加工；自由锻→模锻→机加工；自由锻→环锻；自由锻→环锻→旋压。

2A14-T6、2A14-T652锻造锥环

锥形大型锻环的锻造难点不少，生产困难，由于应用领域特殊和应用条件恶劣，首先应选好材料。西南铝业（集团）有限责任公司选用2A14-T652合金自由锻造外形尺寸（φ1800～φ2100mm），高H（360mm～500mm）的优质锻件。

锻造工艺为：铸锭→均匀化退火→加热→锻造→机加工→加热→扩孔→机加工→固溶处理→冷变形→人工时效→取样→机加工→探伤→验收→交货。锥环锻件的力学性能见表14。

表14 锥环锻件的标定力学性能

注：σ6—抗拉强度；σ0.2—屈服强度；δ—伸长率；HB—布氏硬度。

2014-T652合金三角形锻环

三角形锻环是一种航天器零件，属1类件，必须进行技术条件和标准规定的各种检测和试验，材料为7075-T6或2014-T652（淬火+冷压+人工时效），力学性能见表15。铸锭应是优质的，氢含量＜0.18mL/100gAl，均匀化处理，预热后在60MN自由锻压机上镦粗压扁后冲孔，机加后在193mm厚度方向进行均匀的变形，固溶处理、人工时效和各种检测试验。

表15 2014-T652合金三角形锻环的最低力学性能

活塞模锻件

该模锻件采用11组不同的锻压工艺进行了Al-Si系合金（12.113%Si、1.506%Mg、1.034%Cu、0.996%Cr、1.047%Ni、0.506%、0.112%Fe、余量Al），采用10MN锻压机。研究指出，始锻温度465℃、终锻温度370℃，锻压变形量为9%时，活塞模锻件具有最佳的抗冲击性能和耐磨损性能。

锻压机

铝、镁、钛合金锻压机在朝着大型化、精密化、机械化和半自动化方向发展，最大的是中国的800MN的立式液压模锻机。全世界≥100MN的液压锻压机约36台，如美国的100MN、180MN、315MN、360MN、450MN立式液压机，法国的150MN、650MN液压机，德国的150MN、300MN液压机，俄罗斯的100MN、300MN、500MN、750MN等立式锻造液压机等。它们在结构设计、选材、机械、液压、控制系统方面有相当高的水平，可生产如下范围的轻合金模锻件。

max投影面积，m2 2.5～5

max长度，m 8～12

max宽度，m 2～3.5

腹板min厚度，mm 2.5～10

质量，kg，0.5～4000

目前，中国有各式各样的锻压机约210台，锻压厂约80个，开工率平均约60%。锻压力越大的锻造机开工率越低。中国在锻造机设计与制造方面居世界前列，特别是清华大学和第二重型机器制造集团在锻造机设计领域是世界的“旗手”。美国有49个锻压厂与冲挤厂（impact）。

全球最大的300MN等温锻造和常规锻造双模式于2021年2月在西安航空基地三角防务股份有限公司热试车成功，将满足航空发动机涡轮盘等温精密锻造以及大中型航空结构件普通模锻需求。该机是西安三角防务股份有限公司与清华大学天津高端装备研究院共同研发，采用清华大学钢丝预应力缠绕技术，突破了低速控制、平衡控制、保压控制等瓶颈，能够有效地提高设备刚度和使用疲劳寿命。

中国首台四柱下拉式100MN自由锻压机于2022年7月在陕西天成航空材料有限公司投产，主要用于制备钛合金锻件，同时配套1台250KN锻造操作机。该机地上高11.6m，地下高17m，总重约2800t。

中钛青锻装备制造有限公司位于青海省乐都工业园区，有1台清华大学设计的680MN/260MN多功能模锻/挤压机组。该公司于2021年4月14日成功生产出了国内最大最长高强度铝合金管材。由于采用了大挤压比，其综合力学性能提高10%以上，可完全满足超高强度铝合金在航空航天环、筒形锻件高强度、高韧性、高抗蚀性的技术要求，而且能满足优质、高效低成本的生产要求，也标志该公司已具备生产超大型各种超高强度铝合金管材、棒材、型材、锻件的能力，可满足国内外市场需求。

中国铝锻造工艺的发展

中国首个铝合金锻造项目——新风铝加工厂锻造车间

中国在解放前没有铝合金锻造产业，直到1961年，黑龙江省哈尔滨市国营新风铝加工厂（现名东北轻合金有限责任公司）锻造车间建成投产，中国才有了锻造工业。当时车间的设计和设备都是从苏联引进，有100MN、50MN、30MN、3MN模锻机各1台，靠模铣床2台。其设计生产能力为：模锻件3700t/a，自由锻件800t/a，生产的产品约90%供给航空与军工产业。1965年—1980年，模锻件的年平均成品率为57.25%，自由锻件的年平均成品率为81.35%。

东北轻合金有限责任公司的锻造车间、工艺管车间、铝粉和镁粉车间、镁合金熔铸车间等称为二期工程，于1958年6月10日开工建设，锻造项目于1961年投产。从此时起直至1970年7月1日，西南铝加工厂锻造车间投产为止，中国仅有这一个锻造项目。

西南铝业（集团）有限责任公司锻造项目

西南铝业（集团）有限责任公司（以下简称西南铝）锻造项目于1965年7月正式破士动工，历经5年建设，于1970年7月1日建成，有300MN八柱立式模锻水压机1台，60MN立式自由锻造水压机1台，都是第一重型机器制造厂生产的，形成锻件生产能力24.5kt/a。1979年10月，西南铝自筹资金开始建设100MN多向模锻水压机，于1980年12月29日试车成功。至此，西南铝共有3台锻造水压机，总锻造力460MN，锻件生产能力约30kt/a，可生产max投影面积1.2m2、最长7m的模锻件。一直到本世纪初，西南铝都是中国最大的铝合金锻造企业，但与美国20世纪70年代中期为止建成的最大的锻压厂——拉斐特（Lafayette）市的豪梅特宇航公司（Howmet Aerospace Inc.）相比，相差不小。该公司分管工程产品和锻件，专为航空航天工业服务，拥有20余台锻压机：30MN、40MN、80MN、150MN、350MN、500MN的各1台，7MN～10MN、13MN、16MN、20MN、25MN～30MN、40MN～60MN等机械压力机及6MN、8MN、18MN、36MN、110MN、150MN锻锤以及配套齐全的辅助设备和公共设施。中国制造ARJ21及C919飞机原型机所用的大多数铝合金挤压材和锻件都是该厂提供的。

西南铝研制的重型运载火箭用直径10m级铝合金环件

经过60多年的发展，西南铝、东北轻合金已成为航空航天铝合金锻件的领跑者。西南铝的优质锻件已装在成千上万架全世界翱翔蓝天的飞行器上。近些年来，西南铝和东北轻合金也解决了一系列重大技术难题，开发出一大批市场急需、代表国际国内先进水平、填补国内空白的新产品和新技术，成为中国铝加工技术进步和行业发展的旗帜。1987年和1992年，西南铝成为国内首家获得美国波音飞机公司精密航空模锻件、锻坯生产许可证铜牌企业；2014年，西南铝成功实现向法国空中客车公司供应锻件；2010年8月，西南铝成为赛峰公司锻件供应商；2013年1月，西南铝成为庞巴迪公司战略合作伙伴。在保障国家航空铝材需求的同时，西南铝开始瞄向民用航空市场，早在2017年就与中国商飞公司合作研发航空铝合金和Al-Li合金。

国产大飞机C919项目实行全球采购。西南铝于2015年为首款C919提供了30个规格锻件。西南铝生产的锻件已实现向C919项目批量供货。2020年初，欧洲ABB公司已向西南铝颁发铝合金锻件许可证。西南铝现已形成航空航天、国防军工、交通运输、包装印刷、电子信息、建筑装饰铝材等6大系列支柱产品。该企业先后为国内第一座高能加速器、“东风”“长征”系列火箭、“天宫”系列目标飞行器、“神舟”系列飞船、“嫦娥”系列探月卫星、新型飞机、舰船、国产大飞机、“天眼”等数十项航空航天、国防军工和国家重点建设项目提供了上千个品种的高性能、高品质关键铝材。产品还出口全球近50个国家和地区。西南铝生产的世界最大的重型运载直径10m级铝合金环件，是用2219合金锻制的。

2021年，西南铝航天铝合金锻环顺利通过了工信部第五批制造业单项冠军产品审核，荣获“制造业单项冠军产品”称号，这是西南铝首次荣获此项荣誉。目前，西南铝是中国少数能够生产5m级铝合金整体锻环的企业之一和全球能够生产10m级铝合金整体锻环的企业。中国在用的各类运载火箭所需的铝合金锻环95%由西南铝提供。2018年3月，西南铝轧制厂、锻造厂、挤压厂顺利通过了Nadcap热处理现场审核。

3D打印10m级火箭连接环件

2020年后期，中国国家增材制造创新中心、西安交通大学卢秉恒院士团队利用3D打印技术制成了世界上首件10m级高强铝合金重型运载火箭连接样件。该样件利用电弧熔丝增减材一体化制造技术，在整体制造的工艺稳定性、精度控制及变形与应力调控等方面均实现了重大技术突破。目前，采用增减材一体化制造技术成功完成超大型环件属国际首创。该成果将会助力增材制造为中国航天事业发光发热，同时为中国航天事业中重大零件的快速制造提供技术支撑。

首套Al-Li合金大型锻件

2021年初，应用于航空航天等高端领域的大直径Al-Li合金棒材及管材，在河北宏润核装备科技股份有限公司挤压完成。此前，Al-Li合金大型锻件只有美国和俄罗斯具备较为成熟的生产制造能力。这种材料比纯Al还轻3%，挤压成型后，强度提高6%，比Al-Cu、Al-Mg合金的强度高。大直径Al-Li合金棒材的下线，为实现直径4m～7m铝合金环形锻件高精度高性能设计制造提供了有力保障。

首件3.35mAl-Li合金箱底在703所下线

中国首件火箭燃料贮箱Al-Li合金箱底于2020年8月在中国火箭技术研究院703研究所成功下线，箱底直径3.35m。过去该产品是由多块成形料焊成的，生产周期长达80～90天，而703所牵头联合总体设计部采用总体旋锻成形工艺只要15～20天就能制造1件，减重15%以上，运载效率提升20%。旋锻成形工艺就是一块厚板在一个数控程序内，通过一个成形模，历经一次装卡，一步整体成形，工序少、周期短、可靠性高，没有一道焊缝。据悉，该所将继续试制5mAl-Li合金箱底。

山东宏山航空锻造有限公司

山东宏山航空锻造有限公司即原南山铝业集团锻造厂。南山铝业于今年1月30日发布公告称，其与中国航空工业集团有限公司旗下中航重机签署《合作框架意向协议》，将设立全资子公司，暂定名为山东宏山航空锻造有限责任公司，并将锻造分公司的相关资产转入其中，后续由中航重机上述子公司购买80%股权。南山铝业锻造分公司位于南山航空产业园，集中厚板项目、挤压项目于一体的航空铝材园区。中航重机主营锻铸造、液压环控等业务，主要产品包括飞机机身机翼结构锻件、中小型锻件、航空发动机轴类和环形锻件等。

南山锻造公司是法国设计的，有4台锻压机；2台模锻机，1台125M N、1台500MN，从德国辛贝尔普公司引进；2台自由锻造机，1台25MN、1台60MN，由德国韦普科海得里克公司设计制造。该公司锻件的设计生产能力14kt/a。

2017年10月，南山锻造公司与英国罗尔斯·罗伊斯公司（RR，Rolls-Royce，也可以称罗罗公司），签署了发动机旋转件供应合同；2018年7月，又与罗罗公司达成轴类锻件供货协议，进一步扩大了产品供应范围。罗罗公司是世界顶尖的航空与汽车发动机制造企业，产品能获得它的认可与长期批量供货，就等于拿到可以进入世界任何一家需要铝合金锻件企业的通行证；2018年6月，与法国赛峰公同签署了起落架锻件供货合同。

山东航桥新材料有限公司

山东航桥新材料有限公司位于山东省邹平县，是北京航空材料研究院与魏桥铝电集团的合资企业，投资2亿元，于2016年8月投产，锻件生产能力10kt/a，有4台锻压机：1台500MN，由第一重型机器制造有限公司设计制造；另3台为36MN、25 MN、16MN的各1台，由天津市天锻压力机有限公司制造。

江苏太平洋精锻股份有限公司

江苏太平洋精锻股份有限公司位于江苏省姜堰开发区，2022年6月1日开工建设，投资7.188亿元，建成后可年产500万件新能源汽车锻件，工厂占地143亩，总建筑面积约8.5万m2。

第二重型制造有限公司锻造厂

第二重型制造有限公司锻造厂有自制的800MN、200MN的模锻机各1台，200MN的于2011年投产，800MN的于2013年投产；还有2台自由锻造机，120MN与160MN的各1台。该厂总锻造力1280MN，是世界第二大企业。总锻造力最大的企业是美国的拉斐特挤压锻造公司，估计总锻造力近2000MN，其航空航天铝合金锻件产量估计占美国的50%左右。

安大航空锻造产业园

安大航空锻造产业园位于贵州省安顺市。安顺在贵州中部偏西，是黄果树大瀑布所在地，飞机制造业是其主要工业之一，2018年12月26日，航空锻造产业园区（一期）举行了奠基仪式，有3台锻压机，一期工程为“民用航空环形锻件生产线建设项目”，瞄准国际民用航空发动机环锻件市场，从市场需求出发，应用新一代信息技术和先进制造工艺，以数字化贯通全过程，实现企业生产经营全过程、管理决策全流程的精细化、可视化，打造一座符合多品种、小批量柔性智能化生产要求的民用航空器环形锻件的数字化工厂。

山东固德镁铝有限公司

山东固德镁铝有限公司于2015年投产，有天津市天锻压力机有限公司制造的100MN、36MN、0.63MN的锻压机各1台，生产能力为3.5kt/a。

渤海活塞股份有限公司

渤海活塞股份有限公司是世界第二大汽车铝合金活塞生产企业，航空器上用的不多。活塞是用4032铝合金锻造的，在T6状态应用。活塞位于发动机的心脏，其工作质量直接影响发动机的性能。铝合金是制造活塞的上乘材料，因为它的质量轻和热导率高。4032合金是一种Al-Si-Mg-Cu-Ni系合金，它的注册成分（质量%）：（11.0～13.5）Si、1.0Fe、（0.50～1.3）Cu、（0.8～1.3）Mg、0.10Cr、（0.50～1.3）Ni、0.25Zn，其它杂质单个0.05，总计0.15，其余Al。4032合金的固溶处理温度（520±5）℃，其过烧温度530℃。

西飞公司锻压公司

西安飞机制造公司在西安市阎良有一个铝合金锻压厂，有3台锻压机。

中国的高强高韧-低淬火敏感性

航空铝合金

中国有研科技集团有限公司（原北京有色金属研究总院）下属的有色金属材料制造加工国家重点实验室以熊柏青教授领导的铝合金研发团队为首，经过深入研究，研发出有中国特色的高强韧低淬火敏感性航空铝合金。截至2018年9月，该产品已获得12个国家（美国、法国、英国、加拿大、德国、挪威、澳大利亚、意大利、西班牙、奥地利、日本和中国）的专利授权，是中国首个获得国际发明专利大范围授权的航空铝合金。该合金的成分（质量%）：Zn（7.5～8.4）、Mg（1.65～1.8）、Cu（0.7～1.5）、Zr（0.03～0.20）；同时应满足10.6%≤W（Zn+Mg+Cu）≤10.8%，5.5≤W（Zn）/W（Mg）+100W（Cu）≤5.7。

生产能力计算

铝合金锻件生产能力计算是一个很复杂的问题，几乎无法得出一个较为准确的计算式，只能根据经验和设计部门给出的数据进行大致的匡算。笔者根据东北轻合金、西南铝、山东宏山航空锻造有限公司、山东航桥新材料有限公司的数据：共有14台锻压机，总锻造力1830MN，总生产能力53kt/a，由此得出匡算产能20t/（MN·a）（见表16）。

表16 4个锻压厂的概况

中国自2013年800MN锻压机投产以来，就已成为全球锻造机制造和铝合金锻件生产领跑者，虽然中国能制造所有的锻造设备，但毕竟现代化铝锻造工业才只有60余年，积累的技术和经验，与发达国家相比尚有一定差距，仍需奋楫笃行不怠，乘势而上开新局。