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中國網財經4月2日訊(記者李春暉)鋁合金具有低密度、易加工、可回收、原料資源豐富等特點，20世紀中期以來，高強鋁合金一直是全世界航空航天飛行器結構件制造的首選材料，也是各國新材料研發的必爭之地。但是我國在這一領域起步晚、基礎薄弱，長期處于跟蹤研仿，沒有產品定價權、經濟效益差。
如今，這一局面被徹底打破。中國有研科技集團有限公司(簡稱“中國有研”)率先工業化開發出全新一代高強鋁合金——高鎂輕強鋁，已獲得國內國際發明專利授權，從而使我國在這一領域邁入了世界領先行列。
從跟跑到并跑，再到“唯我獨有”，中國有研走過了哪些心路歷程？近日，中國網財經記者跟隨國資委新聞中心組織的“走進新國企·科技創新主力軍”調研活動，實地探訪中國有研所屬有色金屬結構材料全國重點實驗室，聽研發人員講述這一路走來的熱忱與堅守。
世界航空航天飛行器用高強鋁合金材料研發從20世紀30年代起步，前50年各國專注于提高鋁合金的剛度、強度、抗腐蝕和耐損傷等可靠性，后50年聚焦于飛行器的燃料節約和有效裝載提升，要求鋁合金結構件自身進一步減重。
到21世紀初，美國、德國、法國分別發展了第四代7xxx系高強鋁合金，具有高強韌-低淬火敏感性特征，用于超大規格結構件制造，支撐了結構件整體化設計減重。
但在同一時期，我國僅能生產第一代、第二代7xxx系高強鋁合金，且品種規格不全。“國外上世紀70年代能干的事情，我們到21世紀初還不會干。那時候我們的基礎非常薄弱。”中國有研科技委副主任、有色金屬結構材料全國重點實驗室主任熊柏青回憶。
兩個代際的差距，使“追趕”成為我國研發人員的迫切任務。從2000年開始，中國有研開始與大型企業聯合攻關，用了10年時間，全面掌握了第三代7xxx系高強鋁合金的工業化成套制造技術，并實現了對第一代、第二代7xxx系鋁合金工業化技術的補充完善。
“第四代的難點在于不僅要攻關制造工藝，還必須避開國外的成分專利保護。”熊柏青回憶，當時西方國家對第四代7xxx系高強鋁合金的專利保護堪稱“天羅地網”，“上百條權利要求，覆蓋了能夠形成第四代7xxx系高強鋁合金的所有方面的要素，成分范圍、工藝范圍等等全部包括。”
有三年多的時間，熊柏青一直與國外專利“死磕”，天天抱著國外專利琢磨，生生把自己從一名科研專家“磨”成了知識產權法律專家。終于，中國有研找到了突破口，打破了國外在材料技術和知識產權的雙重壟斷，使國產第四代7xxx系高強鋁合金實現產業化、填補了國內空白，有力支撐了國產大飛機研制和發展。
經過新世紀以來20年的快速發展，中國的高強鋁合金技術和產品、生產企業和產業規模已能夠與西方國家并駕齊驅。但是在2020年以后，全世界航空航天飛行器用高強鋁合金的發展似乎都進入到瓶頸階段。
“若繼續按照當前已知的路徑發展(7xxx系/2xxx系IA1-Li系)，則成本越來越高、用途越來越窄、與碳纖維復合材料競爭越來越被動。”熊柏青稱，當時國際上還沒有一種綜合性能優異、減重效果顯著、成本低廉、適合大批量生產的新一代高強鋁合金材料。中國和其他國家一樣，都走到了技術“無人區”。
親歷了中國航空航天飛行器用高強鋁合金材料20多年來的發展，熊柏青對于中國企業一路追趕的“苦”深有感觸。“國內企業長期處于跟蹤研仿，產品缺乏定價權。一旦中國攻關成功，國際同行就大幅降價，企業沒有嘗到經濟效益的‘甜頭’。”
這樣的經歷讓他萌生出一種想法：“我們能不能跳出國際上現有的高強鋁合金材料體系，開展原始創新？我們能不能率先開發出更輕、更強，性能更優異的新一代高強鋁合金？”
從終端需求來看，結構輕量化是航空航天飛行器的永恒發展方向。大型客機機體結構每減重1kg，每年可節約2000美元運營成本；運載火箭結構減重1kg，可減少2萬美元發射成本；彈道導彈末級結構減重1kg，可增加射程15-20km。
在這一需求引導下，熊柏青把目光落在了鎂。鎂是鋁合金中的主要合金元素之一、也是中國的優勢資源，密度僅為1.74g/m3，鋁合金中每增加1wt%鎂、密度可下降接近0.5%，對于減重非常有利。
但是在現有體系的鋁合金之中，鎂的添加量存在技術上限。一旦超出添加上限，將嚴重惡化鋁合金的綜合性能。
突破鎂的添加上限，打造出高鎂含量的新一代高強鋁合金材料，成為中國有研新的攻關方向。
“十四五”以來，中國有研通過理論計算+實驗驗證，突破鎂元素在鋁基體中的室溫固溶度極限，原創開發出低密度-高強高韌-高鎂含量鋁合金——又稱“高鎂輕強鋁”，與第三代和第四代7xxx系高強鋁合金相比，高鎂輕強鋁具有更佳的綜合性能匹配，而密度卻降低了5-10%！
在前期實驗室基礎研究十分充分基礎上，2023年在大型企業現場，工業化試制出了第一批高鎂輕強鋁預拉伸厚板、擠壓型材、自由鍛件。
中國有研在大型企業現場工業化試制出的高鎂輕強鋁大規格鑄錠(中國有研供圖)
“高鎂輕強鋁”還打出了一場知識產權“翻身仗”。它的中國發明專利已獲授權、國際PCT發明專利已獲公告——權利要求全面覆蓋了新型合金成分范圍和制備加工工藝參數范圍，可有效防止侵權仿制，不僅使我國跳出了長期跟蹤研仿西方國家7xxx系、2xxx系、Al-Li系高強鋁合金技術和產品的傳統發展路徑，而且使我國在國際上率先給自己的高強鋁合金產品技術撐起了知識產權保護傘。
與所有的7xxx系、2xxx系、第三/四代Al-Li系鋁合金相比，“高鎂輕強鋁”更輕、能夠獲得更佳的結構件設計減重效果，并且有望實現一種合金成分+不同的熱處理狀態，即可獲得多個2xxx系和7xxx系鋁合金的性能——達到“一材多用”，有潛力成為航空航天應用領域的主干鋁合金材料。
從最初的“望其項背”追趕，到如今的世界領先，回顧這一路走來的歷程，熊柏青表示，科研人員一定要有永不服輸、勇攀高峰的精神。材料領域的技術創新，一定要做到“非用不可、唯我獨有”，這樣才能真正搶占未來先機。
當前，中國有研正在按照中國航空航天飛行器和高鐵列車制造企業等提出的要求，提供典型規格的預拉伸厚板、擠壓型材、鍛件等工業化試制產品，開展典型件加工和綜合考核驗證，力爭“十五五”期間實現全面裝機應用。
