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合金元素添加技術的發展概況及發展趨勢展望

中鋁集團公司首席工程師、正高級工程師  林林

中間合金形式與合金元素添加劑形式是目前運用在合金冶煉中的兩種主要合金元素添加手段，二者用途趨于一致，但技術原理、應用效果等方面有所差異。基于上述兩種添加技術，目前我國主流合金元素添加類產品按照技術先進性與應用效果可分為中間合金式添加劑、普通合金元素添加劑、新型高濃度合金元素添加劑。

中間合金：即合金化型中間合金（又稱添加型中間合金），中間合金本質上屬于一種合金。在合金化過程中，如果直接以單質形式向熔體中添加合金元素，則需要大幅度提高熔化溫度并延長熔煉時間，導致低熔點金屬燒損加大，實收率低，同時造成合金元素在熱熔體中分布不均導致反復添加、爐前成分的多次調整，影響產品的生產效率，非均勻分布的合金元素也會降低合金材料性能。因基礎金屬熔點普遍低于合金元素其組分單質形式下的熔點，為降低熔化溫度、時間、生產成本，并獲得較為準確的合金成分，合金元素一般以中間合金的形式加入。以中間合金形式添加合金元素相較于金屬單質形式添加具有以下優點：①一定程度降低合金元素熔化溫度，減小材料燒損；②可較為準確地控制添加量，減少添加次數。但受制備工藝限制，中間合金式添加劑仍難以解決溶體雜質含量過高、熔化不均勻等問題，即存在以下缺點：①中間合金仍然是高溫熔煉的產物，本身含有大量氧化物、氫化物、氮化物就，此類雜質嚴重影響合金純凈度；②高溫熔煉的產物，生產高能耗、高排放，對環境影響較大。

合金元素添加劑：合金元素添加劑是一種將合金元素（普遍熔點較高）通過物理或化學方法制成微米級金屬粉末并搭配少量的助熔劑、高分子表面活性劑，通過粉末冶金混料、成型技術來實現高熔點金屬低溫熔化的一種金屬功能材料，具有合金元素濃度高、熔化時間短等特點，應用效果類似于中間合金式添加劑，區別在于：①合金元素添加劑在制備上無需高溫熔煉，相對綠色節能②所需熔化溫度相較于中間合金式添加劑更低、熔化時間更短，收得率更高③所煉制的合金雜質含量相對更低，純凈度更高，更能提高合金品質及性能。

合金元素添加類主要產品指標包括熔化溫度、熔化時間、收得率、產品純凈度等，熔化溫度指合金元素添加類產品為達到合金化所需的合金元素物質形態所需的熔化溫度，熔化溫度越低，合金中氧化物等雜質含量越少，合金純凈度越高，材料性能越好。不同類型合金元素添加劑因添加元素熔點的差異，熔化溫度不盡相同；熔化時間一般指合金元素添加劑中添加元素收得率達到95%以上（受元素偏析和檢測技術限制）并實現均勻分布所需的時間。收得率指一定時間內合金元素最終獲得量（實現合金化的量）與初始投入量之比，可以反映冶煉過程中合金元素添加劑是否完全熔化以及合金化過程中元素在熱熔體分布的均勻性，是合金元素添加劑產品技術體現的一個關鍵指標。主流合金元素添加劑通常會在產品中加入大量助溶劑來保證合金元素在熱熔體的熔化性能，但助溶劑含量過高會擠壓合金元素占比（濃度降低），且易導致助溶劑中的大量雜質被添加到合金中，降低了合金純凈度、影響合金性能。而提高合金元素濃度降低助溶劑含量則會影響合金元素在熱熔體中的熔化性能，對合金質量造成影響。因此合金元素濃度、收得率、熔化時間、熔化溫度，四者難以同時兼顧，這也是全球合金元素添加領域內歷來已久的一個技術性難題。

由于上述原因，也導致國內外主流的合金元素添加劑生產商提供的合金元素濃度水平普遍保持在75%-85%的水平。目前我國部分企業已在該技術領域取得突破，以高濃度、低溫、快速、高收得率等特點為代表的新一代合金元素添加劑量產并在國際先進鋁業制造巨頭的高端鋁合金生產中實現規模化應用，產品整體技術達到國際先進水平，部分技術指標處于國際領先地位。下表以鋁合金用元素添加劑為例，對基于兩種添加技術的三類產品技術表征進行了對比。因不同廠商技術手段和制備工藝參差不齊，所生產的同類型添加劑性能指標差異較大，且在實際生產中，下游合金冶煉工藝、冶煉設備、技術水平也會影響產品性能指標，故圖表僅供參考。

隨著高端制造對高性能合金材料需求的不斷增長，對我國高端鋁合金制備技術的發展速度、發展質量提出了新的要求，預計未來新型高濃度合金元素添加劑技術在我國能夠得到更廣泛的應用。