维普资讯 http://www.cqvip.com 第３５卷第２期 有色金属加工 ＶｏＩ．３５ Ｎｏ．２ ２００６年４月 ＮＯＮＦＥＲＦＩＯＵＳ ＭＥＴＡＬＳ ＰＲＯＣＥＳＳＩＮＧ Ａｐｒｉｌ ２００６ 铝合金空间结构材料的研究开发及展望 孙德勤，潘琰峰，高 健，吴文祥，曹春艳 （苏州有色金属加工研究院，江苏苏州２１５０２１） 摘要：铝合金空间结构在体育、娱乐、环保等大跨度标志性建筑中应用前景广阔。研究与开发新型Ａ１一Ｓｉ— Ｔｊ变形铝合金，对于进一步拓展铝合金材在空间结构领域的应用范围具有重要意义。ＡＪ—ｓｉ—Ｔｉ铝合金具有 中等或中等以上强度，生产工艺较为简单，生产成本较低。通过进一步的研究与开发，使其具有更好的力学 性能，可满足建筑模板、铝结构网架等的性能要求。 关键词：空间结构；Ａ１一Ｓｉ—Ｔｉ；发展与应用 中图分类号：ＴＧ１４６．２ １ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７１，６７９５（２００６）０２。０００５．０３ 项工程中得到应用。例如，１９９６年建成的天津市平津 １ 引言 战役纪念馆是我国首幢铝合金三角形网格单层球面 网壳建筑；上海国际体操中心主馆采用铝合金扇形三 铝及铝合金在建筑业的应用已有１００多年的历 向型——葵花三向型网格单层球面网壳，铝合金网壳 史。建筑铝材主要用于建筑物构架、屋面和墙面的围 的自重比同等跨度的钢网壳至少要轻５０％以上；１９９９ 护结构、道路桥梁的跨式结构、存储仓库等『ｌ。】。与普 年建成的上海杂技馆也采用了铝合金扇形三向型 通钢结构和不锈钢结构相比，铝合金结构具有不可比 ——葵花三向型网格单层球面网壳；此外，上海浦东 拟的优点：①重量轻、比强度高，可减轻建筑物的总重 游泳馆屋盖、上海ＡＰＥＣ会议主会场、上海科技馆椭圆 量，同时在强度、变形、稳定等方面具有较高的安全储 形球体、湖南省新址大厅顶部网壳结构屋盖、北 备；②外观好，与不锈钢及其他金属材料相比，具有截 京航天城、天津海关东港业务楼（图１）等，也都采用了 然不同的光泽与质感，且造价低于不锈钢结构；③耐 铝合金结构。这些工程的质量可靠性和安全性均达 腐蚀性能好、免维护，尤其适用于在较强腐蚀环境下 到了设计要求，其耐久性远远超过钢结构，特别是其 使用的建筑结构，例如游泳场馆、化工行业和煤炭行 外观和装饰效果可与不锈钢相媲美，而造价则低于不 业的厂房和仓库，以及海洋气候条件下的结构物等； 锈钢 ‘一引。 ④废铝易回收再生利用，有利于资源的合理利用及环 尽管国内建筑铝结构的应用刚刚开始，但是它与 境保护；等等。 ２０世纪８０年代铝合金门窗开始代替钢制门窗一样， 本文简要介绍铝合金空间结构的应用现状和发 有着广泛的应用前景和巨大的市场。 展趋势，以及新型铝合金空间结构材料的开发。 ３研究Ａｌ—ｓｉ—Ｔｉ多元变形合金的优势 ２铝合金空间结构材料的应用现状 早在２０年前就已诞生了含Ｔｉ铝硅合金，经技术 铝合金空间结构具有钢结构不可比拟的优势，而 鉴定证明，完全可应用于门窗及其他方面，但由于当 且现代感强，施工便捷，在体育、演艺、环保等大跨度 时人们对该合金的认识不足，没有引起足够的重视。 标志性建筑中应用前景广阔 Ｊ。近年来，国外大型空 试验证明，这种合金可以轧制成板材，也可以挤压成 间建筑的网壳结构已大量采用铝合金构件，如铝结构 各种管、棒、型材，且无需中间退火，可直接将挤压管 桥、铝穹顶结构、铝网架等。丰田博物馆、康涅狄格大 坯拉拔成一定尺寸规格的管材。该合金的成型性极 学及夏威夷大学竞技场、贝尔竞技中心等，是铝合金 好，型材可一次弯成９０。而不开裂；各项机械性能优于 空间结构的典型应用实例。 工业纯铝，与６Ａ０２接近，可作为６Ａ０２的代用品；由于 近年来铝合金空间结构在我国获得了长足的发 含有钛而具有很高的耐磨、耐腐蚀性能。 展，铝合金网架结构、铝合金穹顶结构等已在国内多 这种合金经挤压变形和固溶处理后的力学性能 维普资讯 http://www.cqvip.com ６ 有色金属加工 第３５卷 较高，抗拉强度可达３２０ ＭＰａ以上，延伸率在１０％左 右，表面硬度可达到９０ ＨＢＳ。与常用的６０６３合金（Ｔ６ 状态下 ＝２４０ ＭＰａ，占＝１２％，硬度７０ ＨＢＳ）相比，其 抗拉强度和硬度较高，伸长率稍低¨ 。通过调整热处 理制度，其性能还会得到进一步改善，而且生产成本 低于６０６３合金。 （ａ）北京航天城２０００ｍｚ全铝合金网架 （ｂ）天津海关东港业务楼简壳铝台金网架及采光屋面 图１ 铝台金空间结构应用实例 ２１世纪经济的飞速发展使得规模庞大的体育赛 场、会议展览中心、候机大厅、飞机库等建筑获得了快 速发展。这些建筑都毫无例外地要求有一个大的活 动空间，因而跨度大、自重轻、造型富于变化的空间结 构成为首选，这就为空间结构材料提供了很大的发展 与应用空间 Ｊ。目前的建筑空间结构使用的材料主 要是普碳钢或不锈钢。其中，管件（或杆件）主要采用 Ｑ２３５和Ｑ３４５，用量大致占总量的８Ｏ％，尺寸规格为 ￣Ｉ￣４８×３．５ ｉｎ／ｎ～￣Ｉ￣４８０×２５ ｌｎ／ｎ，尺寸越大，性能要求越 高。 研究与开发网架结构用高性能铝合金，替代传统 的钢结构材料，不仅可以实现结构的轻量化，而且可 以降低安装工作强度，减少维护费用。因此，开发新 型铝合金网架结构材料具有非常重要的现实意义。 ４研究与开发Ａｌ—Ｓｉ—Ｔｉ多元变形合 金的措施 Ａｌ—ｓｉ—ｒｒｉ合金具有良好的铸造性能和力学性 能，而且生产成本较低 引，但将其作为变形铝合金的 研究还比较少。虽然有人曾研究开发出了硅含量为 ５％的Ａｌ—Ｓｉ—Ｔｉ变形铝合金，通过工艺控制提高了Ｔｉ 元素分布的均匀性，并将其挤压成管材，但该研究未 对这种合金进行更深入的探索。 开发新型Ａｌ—Ｓｉ—Ｔｉ变形合金的主要关键是成 分设计及工艺制度的研究与开发，通过成分控制及相 变控制获得良好的组织形态，以满足建筑行业对铝型 材越来越高的性能要求。 ４．１ 化学成分控制与微合金化 Ａｌ—ｓｉ合金中，ｓｉ是主要合金化元素，可以改善 合金的流动性、降低热裂倾向、减少疏松等。随含硅 量的增加，合金的强度有所提高，但共晶相将以粗大 的针状或板条状析出，对基体有割裂作用，致使合金 的力学性能特别是塑性降低。因此，要获得较高的力 学性能及良好的变形能力，必须将合金中的硅含量控 制在合理的范围内，同时通过添加微合金化元素及控 制工艺过程，控制共晶相的析出数量、形态及分布状 态。 Ｔｉ是作为细化元素加入的。向铝合金熔体中加 入少量的钛，可在熔体中形成大量细小弥散的Ａｌ Ｔｉ 相，为合金熔体提供异质形核质点，从而达到细化晶 粒、提高力学性能的目的。钛在铝中的固溶度为 ０．１５％－９ Ｊ。高于此含量时，随着温度的下降，有Ａｌ，Ｔｉ 相析出。如果析出的Ａｌ，Ｔｉ相数量多且细小，弥散分 布于整个熔体中，可使晶粒得到细化。当钛含量增加 时，在降温过程中析出的Ａｌ Ｔｉ相数量将迅速增加，细 化能力大大增强，晶粒尺寸显著减小。但当钛含量增 加到一定值时，铝液中的Ａｌ ｒｒｉ相粒子的弥散度过高 而发生聚集，形成尺寸较大的Ａｌ ｒｒｉ相并逐渐下沉，从 而增大成分的不均匀性¨ 。因此，合金中的钛含量也 应控制在适当的范围内。 Ｍ Ｃｕ作为辅助元素加入，目的在于进一步提高 力学性能。但Ｍ ｃｕ元素的加入也会对合金的变形 能力产生不利影响，而且Ｍｇ、Ｃｕ元素对变形后强化相 的析出状态也有一定的影响，因此Ｍ ｃｕ元素须控制 在合理的范围。 Ｚｒ、Ｂ等元素是铝合金常用的添加剂。一般情况 下Ｂ元素与Ｔｉ同时加入。ｚｒ可以和铝形成ＺｒＡ１ 化 合物，阻碍再结晶过程，细化再结晶组织。因此，应尝 试在Ａｌ—Ｓｉ—Ｔｉ合金中加入一定量的ｚｒ元素。但Ｚｒ 在铝合金中的偏析现象比较突出，因此采用何种加入 方式，如何防止元素的偏析，是研究中要解决的问题 之一 维普资讯 http://www.cqvip.com 第２期 有色金属加工 ７ 稀土元素加入到铝合金中可起到微合金化的作 用；稀土元素与氢气及许多非金属有较强的亲和力， 能生成高熔点化合物，故有一定的除氢、净化作用；同 时，稀土元素化学活性极强，可以在长大的晶粒界面 上选择性地吸附，阻碍晶粒的生长，使晶粒细化，有变 质作用ｎ ；还可以显著改善铝合金的金相组织，改善 铝合金的耐热性、塑性，提高合金的硬度、强度和 韧性。 Ｆｅ是铝一硅合金中的有害元素，它的存在不仅对 合金的强度没有任何帮助，还会大大降低合金的变形 能力，因此需采取一定的措施将Ｆｅ含量降低到Ｏ．２％ 以下。 ４．２合金的熔炼与铸造工艺 从Ａｌ—Ｓｉ相图（图２）可以看出，亚共晶成分的Ａｌ —ｓｉ合金液固相线间温度范围较小，具有良好的铸造 性能。熔炼工艺的关键在于化学成分的均匀化、熔体 净化、过滤等，其中Ｔｉ元素的偏析问题比较突出。目 前常用的方法是以Ａｌ—Ｔｉ或Ａｌ—Ｔｉ—Ｂ中间合金的 形式添加细化剂。这种加入方式，Ｔｉ的偏析现象比较 突出，且Ｔｉ的形态多为粗大针状或块状，起不到组织 强化与细化晶粒的作用。有资料提出，采用钛盐 （Ｋ ＴｉＦ６等）细化剂可以使Ｔｉ含量均匀、稳定；郑州轻 金属研究院利用电解加钛方式也获得了良好效果 。 考虑到大多数铝加工企业的生产条件，还需研究 一种经济有效的Ｔｉ元素加入方式。 由于铝合金熔体具有明显的吸气现象，同时为进 一步消除杂质元素的影响，需对熔体进行精炼。中间 合金的加入顺序和方式对元素的烧损有一定影响，为 保持合金成分的稳定性，需对中间合金的加入进行合 理控制。 Ａｌ—Ｓｉ—Ｔｉ合金的铸造性能较好，但对其半连续 铸造工艺的研究几乎还是空白，因此需从控制晶粒度 及组织均匀性着手，进一步研究其收缩凝固特性，以 及浇注温度、浇注速度、冷却方式等工艺参数对合金 铸锭组织的影响，改进铸造工艺。 ４．３热处理工艺 为提高合金的塑性，降低变形抗力，铸锭经过切 头尾后，需进行均匀化处理，要求铸锭内外温度尽可 能均匀，以防止挤压过程中变形 不均匀性，从而减 小内应力。这就要求制定合理的均匀化制度。再结 晶温度是制定热加工工艺的关键参数，但目前对Ａｌ— ｓｉ—Ｔｉ合金的变形过程研究不多，因此需对该合金的 再结晶温度及其再结晶行为展开研究，为制定合理的 加工工艺提供理论基础。 （ｓｉ）％ Ｋ ２０ ４０ ６０ ８０ Ｊｌ 一一 —１ 液体 ／ ／ ／ ／ ｌ２７０Ｋ ｝８．８％ 液体一 Ａｌ ／ Ｉ ／ 液体－ Ｓｉ Ｓｉ 、 ８５０Ｋ 约９ １ ）．５％ ｌ ｋ Ｉ ％ ｌ Ａｌ—ｓｊ ｌｌ ｌ Ｉ 『 Ｉ 『 Ｉ Ａｌ ４０ ５０ （Ｓｉ）／％ 图２ ＡＩ—Ｓｉ＝兀相图 Ａｌ—Ｓｉ—Ｔｉ合金含有多种强化元素，它们大部分 与其它元素相互作用而形成起强化作用的析出相。 如何控制合金的最终组织形态（特别是析出相的数 量、大小、分布形态等），最终获得良好的力学性能和 阻尼性能，需要通过热处理工艺（包括固溶温度、固溶 时间、淬火制度、冷却速度等）来控制。 ５ Ａｌ—Ｓｉ—Ｔｉ多元变形合金的前景展望 目前，空间结构向着轻量、大跨度方向发展，迫切 要求降低结构自重。其途径，一方面是研制运用轻质 高强的新型建筑材料，另一方面是开发合理的结构形 式。研究高性能的Ａｌ—Ｓｉ—Ｔｉ变形合金，目的在于开 发高性能网架结构材料，代替钢材用于建筑桁架结 构，满足空间结构轻量化的发展需求，进一步开拓铝 合金材料在建筑领域的应用空间。同时，采用铝合金 材代替钢材，可以提高建筑结构的耐腐蚀性能，增加 结构的稳定性，从而降低维护与维修费用¨ 。而且， 由于铝合金质量轻，可降低安装过程的劳动强度，提 高安全性。因此，无论是对施工单位，还是使用单位， 都具有重要意义。 建筑业的发展势头强劲，研究开发新型 —Ｓｉ—ｎ 铝合金建筑材料，用于中等或中等以上强度要求的场合， 对于进一步扩大铝合金的应用范围是非常有意义的。 参考文献 ［１］沈世钊．大跨空问结构的发展——回顾与展望［Ｊ］．土木工程学报， １９９８，３１（３）：５一ｌ４． 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ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｂｙ ２２．３％ａｎｄ ７４．７％ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｗｈｉｃｈ ｗｅａｋｅｎｓ ｔｈｅ ｂａｄ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ ｄｅｆｅｃｔｓ，Ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔ ａｌｓｏ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ，ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｈｉｇｈ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｆｌｕｘ ｐｕｒｉｉｆｃａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｇｒａｉｎ ｒｅｆｉｎｉｎｇ ａｎｄ ｍｏｄｉｆｉａｃｔｉｏｎ ｂｙ ａｄｄｉｎｇ ＲＥ ｃａｎ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｏｖｅｒａｌｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｈｉｇｈ ｓｔｅｒｎｇｔｈ ｒｄｏ ｆｏｒ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｐｕｒｐｏｓｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｌｕｍｉｎｕｍ ｒｄｏ ｆｏｒ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｐｕｒｐｏｓｅ；ｍｅｌｔ ｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ；ｇｒａｉｎ ｒｅｆｉｎｉｎｇ；ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ；ＲＥ；ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｐｒｏｐｅ哪 （上接第７页） ［４］郝成新。钱基宏，赵鹏飞，等．铝合金网架结构的应用研究［Ａ］．管结 ［９］马润香，刘忠侠．王明星。等．不同加钛方法对６０６３合金细化的研究 构学术交流会论文集［Ｃ］．陕西西安。２００１． ［Ｊ］．特种铸造及有色合金。２００４，（５）：５７—５８． ［５］李丽娟。谢志红，郭永昌．铝合金双层球面网壳结构的抗震性能分 ［１Ｏ］刘庆德．亚共晶铝硅合金中钛偏析的控制［Ｊ］．特种铸造及其合金， 析【Ｊ］．甘肃工业大学学报，２００３。２９（３）：１１０一ｌ１２． ２０００，（５）：３３—３４． ［６］曾银枝，钱若军．铝合金穹顶的试验研究［Ｊ］．空间结构。２００２，１６ ［１１］肖亚庆．铝合金技术实用手册［Ｍ］．北京：冶金工业出版社，２００５． （４）：４７—５２． ［１２］王成之．可用于汽车零部件制造的铝硅钛合金［Ｊ］．中国金属通报， ［７］关绍康 姚波，沈宁福，等．新型铝硅钛多元合金管材的研究［Ｊ］． ２００４（２６）：１５—１６． 热加工工艺，１９９９，（６）：４７—４８． ［１３］王明星，翁永刚，刘志勇．铝硅钛合金的疲劳性能［Ｊ］．郑州大学学 ［８］杨升，杨冠群。杨巧芳．电解法生产铝硅钛多元合金述评［Ｊ］．铸 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