الألومنيوم هو أكثر العناصر المعدنية وفرةً في القشرة الأرضية. وهو المعدن اللاحديدي الثاني من حيث الإنتاج والاستخدام في العالم بعد الفولاذ. كثافته منخفضة، حيث تُشكل حوالي ثلث كثافة الفولاذ. ولأن الألومنيوم النقي لينٌّ وقليل المتانة، فإن إضافة كميات قليلة من عناصر مثل المغنيسيوم والنحاس والزنك والسيليكون والليثيوم إليه تُحسّن أداء سبائك الألومنيوم. تُعد سبائك الألومنيوم أكثر المواد الإنشائية المعدنية اللاحديدية استخدامًا في الصناعة نظرًا لخصائصها الميكانيكية الممتازة ومقاومتها للتآكل. وقد استُخدمت على نطاق واسع في صناعات البناء والفضاء والسيارات وتصنيع الآلات وبناء السفن والصناعات الكيميائية.
تتمتع سبائك الألومنيوم بخصائص ممتازة في الميكانيكا والكيمياء:
① الجوانب الميكانيكية، تنعكس بشكل رئيسي في الكثافة المنخفضة، والقوة العالية، والمرونة العالية، وما إلى ذلك. يتمتع الألومنيوم بكثافة منخفضة وأخف وزناً من المعادن الأخرى، فقط 1/4 من الفولاذ، لذلك فهو مناسب للاستخدام في المجالات ذات المتطلبات العالية للوزن الخفيف؛
② من حيث الخواص الكيميائية، تُشكّل سبيكة الألومنيوم طبقة أكسيد كثيفة على سطحها في الهواء، مما يحميها من الأكسدة العميقة. لذلك، تتميز بمقاومة ممتازة للتآكل وتركيب كيميائي مستقر للغاية.
③تتميز سبائك الألومنيوم بمرونة عالية، ويمكن معالجتها في أشكال متنوعة. كما تتميز بموصلية كهربائية وحرارية ممتازة، مما يجعلها مستخدمة على نطاق واسع في الصناعة، وتحتل المرتبة الثانية بعد الفولاذ في الاستخدام.
يوجد حاليًا في الصناعة أكثر من 250 سبيكة ألومنيوم بتركيبات مختلفة. ولتسهيل التمييز، تعتمد الصين طريقة التصنيف الدولية رباعية الأرقام، وفقًا لتركيبات السبائك المختلفة، لتسهيل وضع العلامات على مواقع الإنتاج، وإدارة الذاكرة والحسابات. تشمل سبائك الألومنيوم المستخدمة في الصناعة العسكرية بشكل رئيسي سبائك الألومنيوم-الليثيوم، وسلسلة 2XXX (A1-Cu-Mg) وسلسلة 7XXX.
الطلب في السوق واتجاه تطوير مواد سبائك الألومنيوم المختلفة
سبائك الألومنيوم من سلسلة 2XXX
تتميز سبائك الألومنيوم من سلسلة 2XXX (A1-Cu-Mg) بقوة شد عالية، ومتانة، ومقاومة للتعب، ومقاومة ممتازة للحرارة، وخصائص معالجة ولحام، وتُستخدم على نطاق واسع في صناعات الطيران والفضاء والسيارات والأسلحة. وتشمل الدرجات الرئيسية 2A01، 2A02، 2A06، 2A11، 2A12، وغيرها. وقد طُوّرت سلسلة من السبائك لتحسين القوة، ومطابقة المتانة، وتحمل التلف، مثل سبائك 2024، 2124، 2524، 2324، وغيرها.
تتطور نماذج المعدات الصينية نحو خفة الوزن، وطول العمر، والموثوقية العالية، والتكلفة المنخفضة، وتتطلب متطلبات عالية لصلابة الكسر، ومقاومة انتشار الشقوق، ومقاومة التآكل لمادة هيكل الطائرة. بناءً على صفيحة سبائك الألومنيوم 2024-T351 السميكة، طورت الدول الأجنبية سبائك الألومنيوم 2324 و2624 وغيرها من سبائك الألومنيوم عالية التحمل للسطح السفلي للجناح، بدرجات متفاوتة من القوة، والمتانة، ومقاومة التعب، ومقاومة التآكل، وحققت نجاحًا في التركيب والتطبيق. تعمل الصين حاليًا على تطوير سبائك الألومنيوم عالية التحمل من سلسلة 2XXX. في المستقبل، سيكون السبائك الدقيقة المركبة اتجاهًا مهمًا لتطوير سبائك الألومنيوم عالية القوة من سلسلة Al-Cu-Mg.
سبائك الألومنيوم من سلسلة 4XXX
في الوقت الحاضر، تُستخدم سبائك Al-Si شديدة التصلب وقليلة التصلب بشكل رئيسي في مكابس السيارات في الصين. ومع ذلك، مع التحسين المستمر لمتطلبات أداء المحرك، يصعب تلبية هذه المتطلبات. تتميز سبائك Al-Si شديدة التصلب بكثافة منخفضة، ومعامل تمدد خطي صغير، ومقاومة تآكل أعلى، وثبات حجمي، وهي مادة مثالية للمكابس مقارنةً بسبائك Al-Si شديدة التصلب. تم إنتاج مكابس سبائك Al-Si شديدة التصلب بكميات كبيرة في الخارج، وتم تطبيقها على الشاحنات والسيارات، مثل سبيكة A390 في الولايات المتحدة، وسبائك AC9A وAC8A (ZL109) في اليابان، وسبائك A390 في أستراليا. ومع ذلك، يوجد حاليًا عدد قليل من الشركات المصنعة في الصين التي تنتج مكابس سبائك Al-Si شديدة التصلب، ويعتمد معظمها على الواردات. بالإضافة إلى ذلك، هناك فجوة كبيرة بين مواد سبائك الألومنيوم لشواحن توربينية السيارات والدول الأجنبية. تعتمد مواد سبائك الألومنيوم عالية الأداء لشواحن توربينية السيارات بشكل رئيسي على اليابان ودول أخرى. ولذلك، فمن الضروري تطوير مواد سبائك الألومنيوم الرئيسية للسيارات من أجل المكابس عالية الأداء ومروحات الشاحن التوربيني.
سبائك الألومنيوم من سلسلة 5XXX
تتميز سبائك الألومنيوم والمغنيسيوم، وخاصةً سبائك الألومنيوم والمغنيسيوم ذات المحتوى العالي من المغنيسيوم، بقوة نوعية عالية وقابلية لحام جيدة ومقاومة للتآكل، وستصبح مواد تنافسية للغاية في المستقبل في مجالات الطيران والفضاء والقطارات عالية السرعة والمحيطات وغيرها من المجالات. في الوقت الحاضر، تعتمد صفائح سبائك الألومنيوم والمغنيسيوم ومقاطعها وأسلاك اللحام المستخدمة في الطيران والفضاء والقطارات والمحيطات وغيرها من التطبيقات بشكل رئيسي على الواردات. تحتكر شركة ALCOA في الولايات المتحدة سوق أسلاك اللحام عالية الجودة بشكل أساسي. تعتمد سبائك ER5183 وER5356 بشكل رئيسي على الواردات، ويمثل حجم الواردات حوالي 70٪ من مبيعاتها. تعتمد سبائك الألومنيوم والمغنيسيوم المستخدمة في السفن بشكل رئيسي على روسيا. تتميز السبائك التقليدية ذات المحتوى العالي من المغنيسيوم بتشعبات متطورة، وفصل طوري يوتكتيكي شديد، وأداء تشكيل ضعيف. لا تزال طرق المعالجة الحالية تعاني من العديد من المشاكل، مثل الأداء المنخفض، والجودة الظاهرة الرديئة، وطول العملية، وعدم استقرار الجودة، وانخفاض العائد. يمكن للتصلب والتشكيل شبه السريع أن يمنع ترسب المغنيسيوم، وفي الوقت نفسه، يمكن تنظيمه للحصول على بلورات دقيقة متساوية المحاور وأطوار نانوية مترسبة، مما يُحسّن أداء المادة وتجانسها بشكل كبير. لذلك، من المتوقع أن يُلبي تطوير تقنية البثق والدرفلة الانسيابية المستمرة للتصلب شبه السريع لسبائك الألومنيوم والمغنيسيوم عالية الأداء الطلب على سبائك الألومنيوم والمغنيسيوم عالية الجودة.
سبائك الألومنيوم من سلسلة 6XXX
تُعد مواد سبائك الألومنيوم من سلسلة 6XXX مواد رئيسية في مجالات النقل بالسكك الحديدية والسيارات والإلكترونيات وما إلى ذلك. منذ ثمانينيات القرن العشرين، طورت دول ومناطق متقدمة مثل أوروبا والولايات المتحدة واليابان سبائك الألومنيوم للسيارات، وسجلت درجات مثل 6009 و6016 و6010 و6111 و6022 و6082، وشكلت نظام إنتاج وتطبيق كامل نسبيًا لألواح هياكل السيارات والبثق والمطروقات وما إلى ذلك. وقد بدأ البحث والتطوير الصناعي لألواح هياكل السيارات والمطروقات من سبائك الألومنيوم من سلسلة 6XXX في الصين للتو، وهناك فجوة واضحة. اقترحت وزارة الصناعة وتكنولوجيا المعلومات الصينية تطوير صفائح سبائك الألومنيوم للسيارات التالية: 6016-S، 6016-IH، 6016-IBR، 6A16-S، 6A16-IBR، 6022، إلخ. تتميز صفائح سبائك الألومنيوم النموذجية من سلسلة 6XXX باستطالة A50 لا تقل عن 25%، وقيمة r لا تقل عن 0.60، وقوة خضوع 60 يومًا (Rp0.2) لا تقل عن 140 نيوتن/مم²، وزيادة في قوة خضوع تصلب الطلاء لا تقل عن 80 نيوتن/مم². استجابةً للاحتياجات المختلفة، أصبح تطوير تقنيات تصميم وتحضير ومعالجة سبائك الألومنيوم من سلسلة 6XXX اتجاهًا حتميًا في التطوير.
سبائك الألومنيوم من سلسلة 7XXX
تتميز سبائك الألومنيوم من سلسلة 7XXX بمقاومة جيدة للتآكل الناتج عن الإجهاد، وهي الأقوى بين سبائك الألومنيوم. وهي معترف بها دوليًا كمواد أساسية في صناعة الطيران. مؤخرًا، طورت دول أجنبية سبيكة 7055 (Al8Zn-2.05Mg-2.3Cu-0.16Zr)، التي يتجاوز إجهاد خضوعها 620 ميجا باسكال في حالة T77511. تُستخدم هذه السبائك في طائرات بوينج 777، وتُقلل وزنها بمقدار 635 كجم. في الوقت الحالي، تفتقر الصين إلى تصميم وتجهيز وتكنولوجيا معالجة سبائك الألومنيوم من سلسلة 7XXX للطيران، وتعتمد بعض المنتجات اعتمادًا كليًا على الواردات. نظرًا لكثرة سبائك سبائك الألومنيوم من سلسلة 7XXX، وتعدد عناصرها، ونطاق التصلب الواسع، وإجهاد الصب الكبير، وسهولة أكسدة/فصل عناصر السبائك، فإن الجودة المعدنية للسبائك رديئة، وأداء التشكيل في درجة حرارة الغرفة منخفض، ومن ثم فإن تطوير سبائك ألومنيوم جديدة من سلسلة 7XXX أمر بالغ الأهمية.
سبيكة الألومنيوم والليثيوم (Al-Li)
سبائك الألومنيوم والليثيوم هي أسرع المواد خفيفة الوزن نموًا في مواد الطيران في السنوات الأخيرة. تتميز بخصائص الكثافة المنخفضة ومعامل المرونة العالي والصلابة النوعية العالية والأداء الجيد للتعب ومقاومة التآكل. بعد استبدال سبائك الألومنيوم التقليدية، يمكن تقليل الكتلة بنسبة 10٪ ~ 20٪ ويمكن زيادة الصلابة بنسبة 15٪ ~ 20٪. في أوائل القرن الحادي والعشرين، أطلقت شركة ALCOA الأمريكية "خطة ALCOA Aviation 20/20"، بهدف تقليل تكلفة ووزن سبائك الألومنيوم للطيران بنسبة 20٪ لكل منهما خلال 20 عامًا. طورت Constellium سبائك الألومنيوم والليثيوم 2050 و 2198 (Al-Cu-Li-Mg-Ag) ذات الكثافة المنخفضة والمتانة العالية وتحمل التلف العالي. يوجد عدد قليل جدًا من درجات سبائك Al-Li التي تم تطويرها بشكل مستقل في الصين، وقد تم استخدام سبيكة 1420 فقط. يتم توفير سبائك الألومنيوم والليثيوم المستخدمة في طائرة الركاب C919 من قبل Alcoa. محليًا، لا يُنتج سوى أنواع محدودة من السبائك، مثل 1420 و2195 و2197 و2A97، وتُنتج السبائك المسطحة فقط بأبعاد أقل من ((310~400)×1280×4000) مم، والسبائك الدائرية بأبعاد أقل من φ650 مم. لم تُنتج السبائك المسطحة (2B16) التي يزيد سمكها عن 60 مم وعرضها عن 1500 مم، والسبائك (2B16) التي يزيد قطرها عن 1500 مم، للاستخدام في تطبيقات الطيران المتطورة، صناعيًا حتى الآن. لذلك، من الأهمية بمكان تطوير تصميم جديد لسبائك الألومنيوم-الليثيوم، وتقنيات تحضير السبائك فائقة الحجم، والمعالجة العميقة.
سبائك الألومنيوم المقاومة للحرارة
تُعدّ سبائك الألومنيوم المقاومة للحرارة مواد أساسية في مجالات الفضاء والسيارات والنقل بالسكك الحديدية وغيرها، وذلك من خلال تنظيم عناصر مثل السيليكون والحديد والنيكل والفضة والمعادن النادرة، مما يجعلها مقاومة للأكسدة والزحف في درجات الحرارة العالية. تشمل سبائك الألومنيوم التقليدية المقاومة للحرارة: 2519، 2618، 2219، 2D70، وغيرها. مع التطور السريع في صناعتي الفضاء والسيارات، ازدادت متطلبات سبائك الألومنيوم المقاومة للحرارة. يتميز الجيل الجديد من الطائرات المقاتلة بسرعة طيران عالية، وتتجاوز درجة حرارة تشغيل هيكل الطائرة 150 درجة مئوية. حاليًا، تقل درجة حرارة الاستخدام طويل الأمد لسبائك الألومنيوم المقاومة للحرارة، مثل 2618 و2D70، عن 150 درجة مئوية. من الضروري تطوير سبائك ألومنيوم جديدة مقاومة للحرارة.
سبيكة Al-Sc ذات محتوى منخفض للغاية من السكانديوم (Sc)
تتميز سبيكة Al-Sc بخصائص ممتازة، مثل القوة العالية، والمرونة الجيدة، ومقاومة التآكل، وقد أصبحت جيلاً جديدًا من المواد خفيفة الوزن المستخدمة في صناعة الطائرات والسفن، بعد سبيكة Al-Li. تزيد قوة شد سبيكة Al-Mg، التي تحتوي على كميات ضئيلة من السكانديوم، بنسبة 30% عن قوة شد سبيكة 5083، كما أن مقاومة الخضوع لها أكثر من ضعفها. تُضاهي قابلية اللحام بها سبائك سلسلة 5XXX التقليدية، وتكاد تكون خصائصها الميكانيكية للمنطقة المتأثرة بالحرارة واللحام مساوية لخصائص المصفوفة، كما أن مقاومتها للتآكل تُضاهي مقاومة سبيكة 5083. يمكن أن يُؤدي استبدال سبائك سلسلة 5XXX أو 6XXX في تصنيع مكونات الطائرات إلى خفض كبير في الوزن، كما أنها مادة فائقة الجودة للسيارات ومركبات السكك الحديدية. تُعد روسيا رائدةً عالميًا في تطوير سبائك الألومنيوم المحتوية على سكانديوم، حيث أنتجت سبائك Al-Mg-Sc، وAl-Mg-Li-Sc، وAl-Zn-MgSc، وAl-Zn-Mg-Cu-Sc، وAl-Cu-Mg-Sc، بمحتوى سكانديوم يتراوح بين 0.18% و0.5%. ولتشجيع استخدام سبائك الألومنيوم-سكانديوم في صناعات الطيران والسيارات، أدرجت وزارة الصناعة وتكنولوجيا المعلومات الصينية سبائك الألومنيوم المحتوية على سكانديوم كإحدى المواد الجديدة ذات الأولوية في التطوير. وتزخر الصين بموارد سكانديوم، وقد أنشأت خط إنتاج عالي النقاء لاستخلاص أكسيد سكانديوم، مما مهد الطريق لتطوير سبائك الألومنيوم-سكانديوم.
سبائك الألومنيوم ذات الختم الساخن بدرجة 500 ميجا باسكال للسيارات
لا يزال هناك نقص في مواد سبائك الألومنيوم عالية القوة بالختم الساخن في الصين. يُعدّ الجمع بين المواد الجديدة وتطوير عمليات التشكيل الجديدة وسيلةً فعّالة لحل مشكلة تشكيل أجزاء السيارات المصنوعة من سبائك الألومنيوم عالية القوة. إن التركيز على سبائك سلسلة 7XXX، والاستكشاف النشط لسبائك 2XXX، وتطوير سبائك الألومنيوم بدرجة 500 ميجا باسكال للختم الساخن، كلها عوامل تُنبئ بآفاق واعدة لتصنيع أجزاء السيارات ذات الأشكال المعقدة.
المواد المركبة القائمة على الألومنيوم
صفائح مركبة متعددة الطبقات من الألومنيوم والفولاذ: أصبح الترابط الفعال بين أسطح الألومنيوم والفولاذ أحد المعوقات أمام تخفيف وزن الهياكل الفوقية للسفن الكبيرة. يوفر وصلة الانتقال المركبة من الألومنيوم والفولاذ، المستخدمة في لحام هياكل الألومنيوم والفولاذ، حلاً بديلاً عن عملية التثبيت التقليدية بالمسامير. طورت هوندا تقنية ربط من الفولاذ والألومنيوم ستُستخدم عالميًا في هياكل السيارات المنتجة بكميات كبيرة. حاليًا، تُستورد وصلات الألومنيوم والفولاذ المركبة المستخدمة في الصين بشكل رئيسي من الخارج، ويصل سعرها إلى 4×10 5 يوان صيني/طن. مع تطور السفن الكبيرة، تتطلب وصلات الانتقال درجات حرارة لحام أعلى، وإجهاد تحمل أكبر، وواجهات ربط أقوى، لذا هناك حاجة ماسة إلى وصلات ألومنيوم وفولاذ عالية الأداء.
وقت النشر: ٨ مارس ٢٠٢٥
