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超强耐蚀无磁铝合金资料先容

  超强耐蚀无磁铝合金材料介绍_材料科学_工程科技_专业资料。文档均来自网络,如有侵权请联系我删除文档

  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(6.0 ×10 cm /g,称“无磁” ) ,强度 600MPa 以上(超强) ,抗应力腐蚀性 能大于 10MPa·m 。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 640~675MPa,屈 服强度 605~630 MPa, 延伸率 10~12%, 抗应力腐蚀性能大于 15 MPa?m , 磁化率在 4.11×10 -8 1/2 1/2 -7 3 cm /g 以下,这些高综合性能指标对推进航天器 3 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(-0.5×10 cm /g) 、 Al2CuMg(-0.907×10 cm /g) 、MgZn2(0.007×10 cm /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 -6 3 -6 3 -6 3 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111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 ZL6.5 , ZL4.1,ZL4.9 和研究论文。 纯铝的磁化率约为 6.0×10 cm /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θ ,S,η , 111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 (-0.5×10 cm /g) 、 Al2CuMg(-0.907×10 cm /g) 、MgZn2(0.007× -6 3 -6 3 -7 3 10 cm /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度和强111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111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 : ZL5.8 , ZL4.3 , ZL9.0 和研究论文。 小角度晶界、 纤维组织和强的111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111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:ZL7.X,ZL5.6,ZL0.8, ZL1.3 和研究论文。 -6 3 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:2005 年以来为我厂批量供货的超强耐蚀无磁铝 合金Φ 22mm、 Φ 25mm、 Φ 30mm、 Φ 35mm、 Φ 40mm、 Φ 70mm、 250mm×250mm ×150mm 和 400mm×400mm×200mm 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 中国航天科技集 团 XX 研究院 XXX 厂 中国空间技术研 铝合金 XXXX 件 2002 年 8 月 焦定江 运载火箭和神舟飞船 1984 年 至 今 应用单位联系 人/电话 李苑 经济、社会效益 (万元) 应用单位名称 应用技术 应用的起 止时间 应用单位联系 人/电话 经济、社会效益 (万元) 究院 北京卫星制造厂 无磁高端超强铝合金材 料 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 西南铝业(集团) 铸锭均匀化、固溶、时 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 粗晶环控制技术 2007 年 5 月 效及淬透深度测量技术 铸锭均热/加热等技术 2008 年 6 月 2004 年 6 月 2004 年 3 月 2002 年 8 月 张绍政 戴 进 新增利润:387.1 新增税收: 74.7 游江海 黄平 李 彬 新增利润:4961 新增税收:957.5 新增利润:3326.7 新增税收: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 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 用于连接件 的无磁铝合 金 国家 ( 区) ZL20071 0034536 .5 ZL20071 0081164 .1 ZL20071 0082364 地 授权号 授权 日期 2009 年 4 月 29 日 2010 年 8 月 4 日 2010 年 2 证书编号 国 密 3343 ( 已 密) 国 密 5046 ( 已 密) 国 密 4187 第 号 解 第 号 解 第 号 权 利 人 发明人 发明专利 中国 中 南 大学 张新明,陈明安, 周卓平,唐建国, 李国峰 尹登峰,李大河, 方可伟,余志明, 杨为一 张新明,李国峰, 朱航飞 发明专利 精密铝合金 及制备方法 一 种 Al-Zn-Mg-C 中国 中 南 大学 中 南 大学 发明专利 中国 知识产权 类别 知识产权具 体名称 u 系合金 铝-锌-镁铜合金铸锭 的均匀化热 处理方法 超 高 强 AlZnMgCu 合 金的固溶加 热方法 一种 7XXX 系 铝合金热处 理方法 测量铝合金 材料淬透深 度的装置及 方法 提高铝合金 材料淬透深 度的淬火方 法 制备面心立 方金属细晶 板材的方法 及模具 铝合金板的 淬火装置及 方法 国家 ( 区) .9 地 授权号 授权 日期 月 17 日 2010 年 2 月 17 日 2010 年 2 月 17 日 2010 年 2 月 17 日 2010 年 1 月 6 日 2010 年 6 月 16 日 2008 年 6 月 25 日 2009 年 3 月 31 日 证书编号 ( 已 密) 国 密 4186 ( 已 密) 国 密 4189 ( 已 密) 国 密 4188 ( 已 密) 解 第 号 解 第 号 解 第 号 解 权 利 人 发明人 发明专利 中国 ZL20071 0081845 .8 ZL20071 0081844 .3 ZL20071 0081337 .X ZL20071 0034410 .8 ZL20091 0042965 .6 ZL20061 0031359 .0 ZL20091 0043001 .3 中 南 大学 发明专利 中国 中 南 大学 张新明,邓运来, 游江海,刘胜胆, 张勇,陈明安,周 卓平 张新明,邓运来, 刘文辉,刘胜胆, 游江海,张勇,陈 明安,周卓平 张新明,张小艳, 刘胜胆 发明专利 中国 中 南 大学 发明专利 中国 证书号第 587989 号 证书号第 638771 号 证书号第 406621 号 证书号第 724173 号 中 南 大学 张新明,邓运来, 郑玉林,游江海, 张勇 张新明,邓运来, 熊创贤,张勇,万 里,游江海, 张新明,杜予喧, 叶凌英,罗志辉, 周卓平 张新明,邓运来, 张勇,熊创贤,万 里,曹盛强,刘胜 胆,张劲 发明专利 中国 中 南 大学 发明专利 中国 中 南 大学 发明专利 中国 中 南 大学 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 111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: ZL6.5, ZL4.9 , ZL5.8 , ZL4.3 , ZL7.X , ZL5.6 , ZL0.8,ZL1.3,ZL9.0。 曾获国家科技奖励情况:①强化高压电容铝箔立方织构的机理、 关 键 技 术 及 产 业 化 ,2004 年 1 月 20 日 , 国 家 科 技 进 步 二 等 奖,2003-J-215-2-07-R01;②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(ZL4.1) 。 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 铝合金成分设计, 实施了超强耐蚀无磁铝合金弱磁强111织构的挤压 技术以及高温预析出时效热处理技术。对所列发明点 1 和发明点 2 做 出了创造性贡献。是下列专利的主要发明人, ZL6.5 , ZL5.8。 4. 朱耀明,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。1958 年中南矿冶学院本科毕业,金属热处理专业。 对本项目技术创造性贡献:研制了一种无磁铝合金成分与制备方 法, 并且是 MB96-1 标准的主要制订者; 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”的负责人,1984 年鉴定验 收。并从 1996 年开始负责或指导无磁铝合金合金产品试制到 2005 年 9 月。 5. 郑玉林,男,南南铝业股份有限公司高级工程师。1984 年 7 月 获中南大学学士学位,材料学专业。 对本项目技术创造性贡献:参加无磁铝合金研制并主持无磁铝合 金材料生产,是测量无磁铝合金材料淬透深度的装置及方法 (ZL0.8)的主要发明人,解决了厚截面大规格无磁铝合 金材料性能均匀性制备的难题,对发明点 3 做出了创造性贡献。 6. 刘胜胆,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。2007 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:超强耐蚀无磁铝合金材料预回复多级 固 溶 技 术 、 高 温 预 时 效 热 处 理 技 术 专 利 ( ZL5.8 , ZL4.3 , ZL7.X ,ZL1.3 )的主要 发明人,主持超强耐蚀无磁铝合金材料组织与性能的检测、分析与评 估工作,揭示了无磁铝合金组织与性能的相互关系。本人对所列发明 2 和发明 3 做出了创造性贡献。