从跟跑到“唯我独有” 中国有研新一代高强铝合金材料抢占未来先机
中国网财经4月2日讯(记者李春晖)铝合金具有低密度、易加工、可回收、原料资源丰富等特点，20世纪中期以来，高强铝合金一直是全世界航空航天飞行器结构件制造的首选材料，也是各国新材料研发的必争之地。但是我国在这一领域起步晚、基础薄弱，长期处于跟踪研仿，没有产品定价权、经济效益差。
如今，这一局面被彻底打破。中国有研科技集团有限公司(简称“中国有研”)率先工业化开发出全新一代高强铝合金——高镁轻强铝，已获得国内国际发明专利授权，从而使我国在这一领域迈入了世界领先行列。
从跟跑到并跑，再到“唯我独有”，中国有研走过了哪些心路历程？近日，中国网财经记者跟随国资委新闻中心组织的“走进新国企·科技创新主力军”调研活动，实地探访中国有研所属有色金属结构材料全国重点实验室，听研发人员讲述这一路走来的热忱与坚守。
从零基础开始追赶
世界航空航天飞行器用高强铝合金材料研发从20世纪30年代起步，前50年各国专注于提高铝合金的刚度、强度、抗腐蚀和耐损伤等可靠性，后50年聚焦于飞行器的燃料节约和有效装载提升，要求铝合金结构件自身进一步减重。
到21世纪初，美国、德国、法国分别发展了第四代7xxx系高强铝合金，具有高强韧-低淬火敏感性特征，用于超大规格结构件制造，支撑了结构件整体化设计减重。
但在同一时期，我国仅能生产第一代、第二代7xxx系高强铝合金，且品种规格不全。“国外上世纪70年代能干的事情，我们到21世纪初还不会干。那时候我们的基础非常薄弱。”中国有研科技委副主任、有色金属结构材料全国重点实验室主任熊柏青回忆。
两个代际的差距，使“追赶”成为我国研发人员的迫切任务。从2000年开始，中国有研开始与大型企业联合攻关，用了10年时间，全面掌握了第三代7xxx系高强铝合金的工业化成套制造技术，并实现了对第一代、第二代7xxx系铝合金工业化技术的补充完善。
第二个10年，中国有研向第四代7xxx系高强铝合金材料发起“冲锋”。
“第四代的难点在于不仅要攻关制造工艺，还必须避开国外的成分专利保护。”熊柏青回忆，当时西方国家对第四代7xxx系高强铝合金的专利保护堪称“天罗地网”，“上百条权利要求，覆盖了能够形成第四代7xxx系高强铝合金的所有方面的要素，成分范围、工艺范围等等全部包括。”
有三年多的时间，熊柏青一直与国外专利“死磕”，天天抱着国外专利琢磨，生生把自己从一名科研专家“磨”成了知识产权法律专家。终于，中国有研找到了突破口，打破了国外在材料技术和知识产权的双重垄断，使国产第四代7xxx系高强铝合金实现产业化、填补了国内空白，有力支撑了国产大飞机研制和发展。
“非用不可、唯我独有”
经过新世纪以来20年的快速发展，中国的高强铝合金技术和产品、生产企业和产业规模已能够与西方国家并驾齐驱。但是在2020年以后，全世界航空航天飞行器用高强铝合金的发展似乎都进入到瓶颈阶段。
“若继续按照当前已知的路径发展(7xxx系/2xxx系IA1-Li系)，则成本越来越高、用途越来越窄、与碳纤维复合材料竞争越来越被动。”熊柏青称，当时国际上还没有一种综合性能优异、减重效果显著、成本低廉、适合大批量生产的新一代高强铝合金材料。中国和其他国家一样，都走到了技术“无人区”。
亲历了中国航空航天飞行器用高强铝合金材料20多年来的发展，熊柏青对于中国企业一路追赶的“苦”深有感触。“国内企业长期处于跟踪研仿，产品缺乏定价权。一旦中国攻关成功，国际同行就大幅降价，企业没有尝到经济效益的‘甜头’。”
这样的经历让他萌生出一种想法：“我们能不能跳出国际上现有的高强铝合金材料体系，开展原始创新？我们能不能率先开发出更轻、更强，性能更优异的新一代高强铝合金？”
从终端需求来看，结构轻量化是航空航天飞行器的永恒发展方向。大型客机机体结构每减重1kg，每年可节约2000美元运营成本；运载火箭结构减重1kg，可减少2万美元发射成本；弹道导弹末级结构减重1kg，可增加射程15-20km。
在这一需求引导下，熊柏青把目光落在了镁。镁是铝合金中的主要合金元素之一、也是中国的优势资源，密度仅为1.74g/m³，铝合金中每增加1wt%镁、密度可下降接近0.5%，对于减重非常有利。
但是在现有体系的铝合金之中，镁的添加量存在技术上限。一旦超出添加上限，将严重恶化铝合金的综合性能。
突破镁的添加上限，打造出高镁含量的新一代高强铝合金材料，成为中国有研新的攻关方向。
“十四五”以来，中国有研通过理论计算+实验验证，突破镁元素在铝基体中的室温固溶度极限，原创开发出低密度-高强高韧-高镁含量铝合金——又称“高镁轻强铝”，与第三代和第四代7xxx系高强铝合金相比，高镁轻强铝具有更佳的综合性能匹配，而密度却降低了5-10%！
在前期实验室基础研究十分充分基础上，2023年在大型企业现场，工业化试制出了第一批高镁轻强铝预拉伸厚板、挤压型材、自由锻件。
中国有研在大型企业现场工业化试制出的高镁轻强铝大规格铸锭(中国有研供图)
“高镁轻强铝”还打出了一场知识产权“翻身仗”。它的中国发明专利已获授权、国际PCT发明专利已获公告——权利要求全面覆盖了新型合金成分范围和制备加工工艺参数范围，可有效防止侵权仿制，不仅使我国跳出了长期跟踪研仿西方国家7xxx系、2xxx系、Al-Li系高强铝合金技术和产品的传统发展路径，而且使我国在国际上率先给自己的高强铝合金产品技术撑起了知识产权保护伞。
与所有的7xxx系、2xxx系、第三/四代Al-Li系铝合金相比，“高镁轻强铝”更轻、能够获得更佳的结构件设计减重效果，并且有望实现一种合金成分+不同的热处理状态，即可获得多个2xxx系和7xxx系铝合金的性能——达到“一材多用”，有潜力成为航空航天应用领域的主干铝合金材料。
从最初的“望其项背”追赶，到如今的世界领先，回顾这一路走来的历程，熊柏青表示，科研人员一定要有永不服输、勇攀高峰的精神。材料领域的技术创新，一定要做到“非用不可、唯我独有”，这样才能真正抢占未来先机。
当前，中国有研正在按照中国航空航天飞行器和高铁列车制造企业等提出的要求，提供典型规格的预拉伸厚板、挤压型材、锻件等工业化试制产品，开展典型件加工和综合考核验证，力争“十五五”期间实现全面装机应用。
（来源：中国网）
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