【鋁博士網(wǎng)】位于布魯內(nèi)爾倫敦大學(xué)的肯聯(lián)鋁業(yè)大學(xué)技術(shù)中心（UTC）將為肯聯(lián)鋁業(yè)提供學(xué)術(shù)和研究支持，以更好地設(shè)計(jì)、開發(fā)鋁合金與汽車結(jié)構(gòu)組件并制作原型。與此同時(shí)，該大學(xué)開設(shè)了“先進(jìn)金屬鑄造中心”（AMCC），專注于為汽車和軌道行業(yè)開發(fā)輕質(zhì)、高性能鋁合金。
水力壓裂技術(shù)是一項(xiàng)應(yīng)用于低豐度、低滲透油氣田的增效開采技術(shù)。該技術(shù)通過向井內(nèi)注入較高壓力（～70MPa）的壓裂液將地層壓裂，利用壓裂液中的支撐劑充填裂縫來改變油氣的滲流方式以實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)。在施工過程中，需采用壓裂球和橋塞等工具對(duì)不同作業(yè)層的施工管柱進(jìn)行封堵。由普通合金制成的壓裂球等工具如果滯留井中，會(huì)降低油井產(chǎn)能。而壓裂球一旦卡在封隔器上，則需用特殊工具切削，既延長了施工周期又提高了施工成本。針對(duì)上述問題，國外石油公司研發(fā)出了可溶解的壓裂球（樹脂、鎂或鋁復(fù)合材料），但可溶解橋塞和球座等工具尚未開發(fā)成功。
壓裂技術(shù)在北美已廣泛應(yīng)用，雖然在我國也已有近40年的應(yīng)用歷史，但相關(guān)工具仍依靠進(jìn)口，嚴(yán)重限制了我國石油的增效開采。因此,研發(fā)具備可溶功能的壓裂工具對(duì)于保障我國油田的穩(wěn)產(chǎn)和高產(chǎn)有著十分重要的意義。
金屬所專用材料與器件研究部儲(chǔ)氫合金及應(yīng)用課題組利用已有的鋁水反應(yīng)研究基礎(chǔ)研發(fā)出在純水中即可溶解的可溶鋁合金材料，并且可調(diào)控該合金與水反應(yīng)的起始溫度和在水中的溶解速率。
通常，人們很難觀察到鋁在水中溶解，因?yàn)殇X表面連續(xù)而致密的氧化膜阻礙了鋁水反應(yīng)。如果將鋁與一些低熔點(diǎn)金屬（Ga、In、Sn）合金化，則由這些低熔點(diǎn)金屬在鋁晶粒表面上形成的界面低熔點(diǎn)相將破壞鋁表面氧化膜的連續(xù)性。課題組圍繞鋁水反應(yīng)的一些基本問題開展了系列工作，發(fā)現(xiàn)當(dāng)合金與水接觸時(shí)界面低熔點(diǎn)相中的鋁與水即發(fā)生放熱反應(yīng)，同時(shí)鋁晶粒中的鋁原子能夠向液態(tài)的界面低熔點(diǎn)相中不斷擴(kuò)散。借助低熔點(diǎn)相對(duì)鋁氧化膜的破壞和對(duì)鋁原子的傳輸作用，鋁可持續(xù)與水反應(yīng)。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，鋁水反應(yīng)的起始溫度與界面低熔點(diǎn)相的熔點(diǎn)密切相關(guān)，并且界面低熔點(diǎn)相的熔點(diǎn)可通過合金的成分進(jìn)行調(diào)控，而反應(yīng)速率與覆蓋于鋁晶粒表面上的低熔點(diǎn)相面積成正比。此外，課題組還研究了Cu、Mg、Zn和Ti等其他合金元素對(duì)合金溶解性能的影響，發(fā)現(xiàn)這些金屬對(duì)鋁水反應(yīng)的起始溫度及反應(yīng)速率亦有不同程度的影響。
可溶鋁合金作為結(jié)構(gòu)件使用除了要求具備良好的溶解性能外，還須兼?zhèn)渥銐蚋叩膹?qiáng)度和一定的塑性。為了滿足可溶鋁合金的溶解性能和力學(xué)性能，合金中需同時(shí)添加低熔點(diǎn)金屬（Ga、In、Sn）和多種強(qiáng)化合金元素。但是分布于鋁合金晶界上的低熔點(diǎn)相通常對(duì)合金的強(qiáng)度和塑性不利，尤其是對(duì)塑性損害極大。另一方面，強(qiáng)化合金元素在強(qiáng)化合金的同時(shí)也改變合金的溶解性能。因?yàn)檫@兩類合金元素所發(fā)揮的作用相互制約，所以選擇合適的合金元素種類、含量和比例以平衡溶解性能和力學(xué)性能，對(duì)合金制備至關(guān)重要。研究人員在大量實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上對(duì)合金成分進(jìn)行優(yōu)化，利用細(xì)化合金晶粒和提高鋁液質(zhì)量等途徑來改善合金的塑性，采用淬火和時(shí)效工藝對(duì)合金的綜合性能進(jìn)行調(diào)控，最終制備出滿足實(shí)際工況需求的鋁合金材料。
所研發(fā)合金的強(qiáng)度達(dá)350MPa以上，維氏硬度接近150，抗壓強(qiáng)度滿足水力壓裂要求。可溶合金的鋁水起始反應(yīng)溫度從室溫至85℃范圍內(nèi)可調(diào)，合金的溶解速率亦可根據(jù)不同工況調(diào)整。
與該課題組研制的可溶鋁合金相比，現(xiàn)行的樹脂和鋁復(fù)合材料類可溶材料雖然在強(qiáng)度上相當(dāng)，但前者需用特制的腐蝕液溶解，后者與水的起始反應(yīng)溫度和在水中的溶解速率均不易調(diào)控，而該合金顯示了優(yōu)異的綜合性能。此外，該合金可采用傳統(tǒng)工藝冶煉和鑄造成型，成本低，易達(dá)高產(chǎn)能，適合大規(guī)模應(yīng)用和推廣。
課題組與有關(guān)企業(yè)合作研發(fā)了壓裂球、球座和橋塞等多個(gè)產(chǎn)品。壓裂球已在大慶和長慶等油田獲得應(yīng)用，可溶鋁合金橋塞和球座也已通過大慶的井上實(shí)驗(yàn)測試。目前全球采用水力壓裂技術(shù)開采的油井粗略估計(jì)達(dá)幾十萬口，僅大慶就有近萬口，對(duì)可溶鋁合金有巨大的市場需求。
AMCC由布魯內(nèi)爾倫敦大學(xué)、捷豹路虎和肯聯(lián)鋁業(yè)管理，明年將會(huì)增加“先進(jìn)金屬加工中心”（AMPC），增加制造和測試鋁合金汽車結(jié)構(gòu)組件的能力?？下?lián)鋁業(yè)UTC提供“全集成的快速原型能力，從鋁合金開發(fā)到全組件制造”。它擁有工業(yè)規(guī)模的鋁鑄造和拉擠設(shè)備，這將幫助其減少輕質(zhì)汽車結(jié)構(gòu)零件用先進(jìn)鋁合金的開發(fā)時(shí)間。這里開發(fā)的技術(shù)將轉(zhuǎn)移到肯聯(lián)鋁業(yè)的計(jì)劃，以加速從研究到系列生產(chǎn)的周期。
圖 肯聯(lián)鋁業(yè)UTC擁有先進(jìn)鑄造與拉擠設(shè)備
肯聯(lián)鋁業(yè)的汽車結(jié)構(gòu)與工業(yè)業(yè)務(wù)部總裁表示：“作為全球汽車市場中領(lǐng)先的鋁結(jié)構(gòu)組件一級(jí)供應(yīng)商，以及行業(yè)中的創(chuàng)新領(lǐng)袖，我們對(duì)肯聯(lián)鋁業(yè)UTC將向汽車制造商提供的成果感到激動(dòng)?！蓖ㄟ^與布魯內(nèi)爾倫敦大學(xué)建立伙伴關(guān)系，肯聯(lián)鋁業(yè)正建立一個(gè)面向博士和博士后的助學(xué)金項(xiàng)目。15名公司研究人員、工程人員和技術(shù)人員組成的團(tuán)隊(duì)將應(yīng)用材料科學(xué)研究中的新發(fā)展來為未來車輛項(xiàng)目實(shí)踐解決方案。
肯聯(lián)鋁業(yè)旨在擴(kuò)展其6000系列合金業(yè)務(wù)，開發(fā)輕質(zhì)、高強(qiáng)鋁合金汽車結(jié)構(gòu)與碰撞管理系統(tǒng)，以提升燃油經(jīng)濟(jì)性并減少二氧化碳排放?？偛课挥诎⒛匪固氐さ目下?lián)鋁業(yè)是歐美中之間的第二大鋁合金生產(chǎn)商。它為航空航天、汽車和包裝市場供應(yīng)鑄鋁、擠制鋁以及鋁軋制品。其航空鋁合金產(chǎn)品廣泛用于波音787、空客A350、洛馬F-35以及龐巴迪C系列飛機(jī)。
圖 肯聯(lián)鋁業(yè)的AIRWARE型鋁合金在空客A350和龐巴迪C系列上應(yīng)用
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