广西南南铝加工有限公司，是一家集研发生产和经营为一体的大型铝合金材料制造企业，它的许多产品被广泛应用于航空、汽车、船舶、泛半导体等领域，可以说天上飞的，地上跑的，手上用的很多都能看到这家企业产品的影子。在近日公布的2022 年度广西科学技术奖奖励名单中，由广西南南铝加工有限公司牵头推进的《高品质铝合金大规格铸锭制备及成果转化》项目，荣获了广西科学技术进步奖一等奖。这一项目不仅解决了多年以来国内同行业“卡脖子”的技术难题，填补了国内空白，还打破了国家重要战略材料长期依赖进口的局面。
铝合金是铝与其他金属元素以一定比例混合而成的合金。纯净的铝金属又轻又软，没有一般金属的硬度，但往里面添加了铜、锌等金属后，就会变得坚硬的同时，又保持了铝金属原有的耐腐蚀、比重轻和延展性好等特点。因此，铝合金被广泛应用于建筑、航空、汽车、机电等领域，在我国，它的需求量仅次于钢铁，我国也因此成为铝合金制造大国。根据添加金属的分类和比例，铝合金产品又被分为不同的种类，被用于不同的工业领域。
在分类众多的铝合金产品当中，高端铝合金是指具有较高的技术难度、准入门槛和较高附加值的铝合金材料。大规格、高纯净、高均匀铝合金铸锭是制备航空航天、轨道交通、汽车轻量化等装备用高端铝材的关键基础材料，属于国家战略材料的一类。如何改变这一战略材料长期依赖进口的局面，一直是国内铝合金行业的共同难题，也是制约铝合金行业技术的瓶颈。过去，受到铝合金铸锭质量及规格的制约，我国高铁铝合金枕梁、轴箱体等材料，以及部分航空用铝合金材料长期依赖进口，极大地影响了我国重大工程的实施。
为了做到重要战略材料的自主可控，实现大规格高品质铝合金制备技术突破是迫在眉睫、势在必行。南南铝加工的技术研究团队抱着不服输的劲头，毅然接受了这一艰巨的挑战。
铝合金铸锭的生产制备一般流程主要有配料、熔炼、保温、铸造、均匀化退火、机加工等环节。航空航天铝合金是在高端领域应用的典型代表，航空航天铝合金厚板需要突破大规格高洁净铝合金铸锭制备技术、强应变轧制技术、残余应力评估与消减技术、精密热处理技术等技术方面的难题。
航空航天用超高强铝合金需要添加的合金元素比例较高，随着合金化程度的提高，铝合金在熔炼过程中吸氢的几率增大，熔体中氢气、金属杂质等渣含量等可引起铝铸锭产生气泡、夹杂、疏松、裂纹、白斑等产品缺陷，因此需要在生产中严格控制铸锭中的气体和渣含量。
我们使用混合气体进行多级精炼，气体通过转子进入液态金属中。加入的混合气体形成细微的气泡，带动夹杂物、其他杂质上浮，达到净化金属液体的作用。采用多级静电除氢系统，通过炉内精炼和在线除气精炼，使得铝熔体氢含量≤0.08毫升/100克铝，大大减少了高合金化铸锭产生内部质量缺陷的可能性。
南南铝加工的技术团队通过开发高合金化铝熔体净化技术，很好地控制了氢含量和渣含量，生产出的铝合金在拉伸性能、断裂韧性、疲劳性能、成型性能、焊接性能、氧化性能等方面都得到极大改进，达到国际领先水平。在攻克熔体净化这一难题后，如何解决大规格高合金化铝铸锭生产过程中极为普遍的开裂难题，成为技术团队重点攻关的方向。
高合金化铝合金铸锭铸造过程极易开裂，并且随着铸锭尺寸的增大，开裂的倾向更大。根据实践中得出的经验，开裂问题和生产过程中的铸造温度、铸造速度、冷却水都有着密切的关系，尤其是冷却水直接影响着开裂的程度。
为了做到完全无裂，技术团队的熔铸小组仔细研究，在结晶器内添加滤网，防止杂质堵塞出水口造成铝锭冷热不均；拓宽排水系统，避免冷却水溢出导致铝锭局部受冷。在经历700多次技术攻关后，熔铸小组成功开发出可移动刮水环铸造技术，这意味着已经向成功迈进了一大步。
正式熔铸前进行了最后一次实验，就在距离成功只有咫尺之遥的关键时候，却发生了意想不到的情况。当锭铸造长度达到400毫米时，我们发现了漏铝的紧急情况，导致了不得不暂停此次实验。
漏铝是熔铸环节中的另一大难题，当冷却水接触到从结晶器中流出形成的扁锭时，在扁锭外围引起快速地凝固和收缩，造成锭尾变形，也就是末端向上翘曲。发生翘曲后，部分铝水从铸锭和结晶器缝隙中流出就产生了漏铝。漏铝出现的原因有很多，熔铸小组经过层层排查后发现，问题出现在水流量控制器上。由于实验次数过多，水流量控制器内水垢堆积，水流量偏差影响了结晶器的导热性，导致了漏铝的发生，这也迫使熔铸小组不得不更换生产线。随后，他们选择了装备最为成熟的6号生产线，但这也让熔铸小组压力又增加了一层。
为解决新出现的问题，熔铸小组几乎吃住都在模拟实验室内。冷却水强度、铸造速度、填充时间，他们对每个重要参数和操作细节都做了反复地推敲和论证，做好了充分的准备。2018年5月25日，铸造试验再次启动，铝水从流槽注入结晶器，随着时间慢慢推移，铸锭长度一点点随之增加。两个小时后，铸锭达到设定长度，最终一次性成功铸造宽度2520毫米的世界最大规格7050铝合金扁锭。这是新的世界纪录，实现了中国在该项技术的“领跑”。
对于高品质铝合金，由于加入合金元素比较多，规模生产过程容易造成组织成分的不均匀性，这就会影响铸锭的质量及变形加工工艺。且随着合金化程度的提高和铸锭尺寸的增大，不均匀性现象会更加严重。成分和组织均匀性对大规格铝合金铸锭最终产品的质量有决定性影响，而铸锭质量的高低又与铝合金板材的加工成材率和使用性能密切相关。
在铸造较大规格铸锭时，通过结晶器的冷却，由于铸锭芯部与外壁冷却速度的差异，将不可避免地导致铸锭凝固组织和成分的不均匀，而这种不均匀程度往往随着铸造锭的尺寸增大而变得更加严重。随着铝合金铸锭凝固壳层的增厚，传热系数减小，芯部和表层晶核的形核率和长大的不一致将导致铸锭晶粒大小、形状也随之发生变化。而这些最终将导致铝合金铸锭的一致性变差，引起铝合金铸锭加工的性能也随之变差，最终导致产品性能的不均匀。
项目组针对这些问题，开展了结晶器改造、铸造参数优化研究，通过一次间接式缓冷对冷却水进行加热，减小一次间接冷却跟二次直冷的温度梯度差，极大细化内部晶粒，有效提高了结晶器中铝合金熔体的温度分布均匀性，降低边部与芯部区域的冷却温度梯度，最终达到提升合金成分及组织均匀性的目的。解决了大规格高品质铝合金铸锭生产相关的一系列技术难题，开发出高品质铝合金铸锭生产技术，部分技术指标填补了国内外空白。项目开发的铸锭用于生产航空航天、汽车轻量化、3C泛半导体等装备用高端铝材，促进了我国铝加工工业技术水平的提升。项目得到了科技厅等相关政府部门的高度肯定，荣获2022年度广西科学技术进步一等奖。
得益于此科研项目的技术突破，南南铝加工成功生产了超高强、耐热7系铝合金锻件，航空用大规格高性能7系铝合金板材，新能源汽车用6系板材等一系列用于国家重点领域的铝合金产品，成功打破国外技术垄断。其中铝合金超大规格扁锭制备方法等7项技术获得国家发明专利授权。
目前，南南铝加工在大规格铸锭的制备技术方面已走在了世界前列，但在航空航天工业中极具应用前景的轻质铝锂合金的熔铸方面，熔铸装备水平和生产技术水平与国外仍存在较大的差距。未来我们将联合国内外相关单位在铝锂合金的生产工艺技术方面加强攻关，力争弥补差距，为推动我国航空航天事业的发展做出自己的贡献。
