中外航空鋁材發展之比較

    鋁合金憑借密度小、強度適中、易加工成形、耐腐蝕性強,資源豐富、可回收性強等獨特的優勢,自1903年人類首次憑借動力裝置飛天以來,航空工業的發展就與鋁合金材料的應用結下了不解之緣.盡管近年來以碳纖維增強塑料為代表的復合材料在飛機上的比例有所上升,但性價比高的鋁合金仍占有絕對優勢,仍是航空器制造的主要關鍵性結構材料.在中國擁有自主知識產權的支線客機ARJ21-700與C919大型客機的用材中,鋁合金零部件的質量占到飛機總質量的68%~75%.從發展歷史來看,鋁合金材料與航空工業一直都是相輔相成的,二者升級換代相互促進.新型鋁合金的誕生造就了新一代飛機制造,更高性能的飛機又促進的新一代鋁合金的研發與應用.就民用飛機的發展而言,上世紀50年代與波音707相適應的是高強度變形鋁合金,而與目前空客A380飛機相對應的則是7085鋁鋰合金.從全球鋁加工產業和航空工業來看,變形鋁合金應用已經相當成熟,目前,新型飛機材料的需求,更主要體現在綜合性能更加優良的鋁鋰合金上.

    航空民機用鋁鋰合金的發展

    鋁鋰合金是美國鋁業公司在1983年新研發推出的航空7085鋁合金,于2002年在美國鋁業協會注冊,用于生產102~178毫米航空器厚板.鋁鋰合金是一種前所未有的超純7xxx系合金.鋰具有很大的化學活性,因此,鋁鋰合金必須在真空爐內熔煉,熔體也必須在有保護氣氛條件下進行鑄造,熔鑄工藝是生產鋁鋰合金最為關鍵的技術.鋰既能降低鋁的密度又能提高彈性模量.向鋁金屬中每添加1%的鋰,鋁合金的密度就下降約3%,而其彈性模量則會上升約6%,從而成為復合材料(碳纖維增強塑料)強有力的競爭產品.據波音飛機公司測試,采用鋁鋰合金制造波音飛機,其重量可以減輕14.6%,燃料節省5.4%,飛機制造成本可下降2.1%,每架飛機每年的飛行費用可降低2.2%.由于鋁鋰合金的成本大約只是復合材料(碳纖維增強塑料)的10%,因而在應用上具有明顯的比較優勢.2009年,鋁鋰合金被納入美國航天材料標準,目前,第三代鋁鋰合金已實現規模化工業生產,第四代鋁鋰合金研發已有了新成果.在新型飛機設計制造中,采用鋁鋰合金可使飛機鋁合金零部件的質量減輕14%~30%,已成為新一代航空器的關鍵性結構材料.

    航空鋁合金新的焦點是先進鋁鋰合金的研發與應用.據統計,美國鋁業公司是全球鋁鋰合金產能、產量最大的生產企業,約占全球的55%,俄羅斯聯合鋁業公司約占25%,其他企業合計約占20%.目前,全球主要已有7個工廠能生產鋁鋰合金軋制材,11個工廠能生產鋁鋰合金擠壓材,9個工廠可鍛制鋁鋰合金自由鍛件與模鍛件,其中包括我國的西南鋁業(集團)有限責任公司.

    盡管美國鋁業公司鋁鋰合金產量居全球首位,但仍在對鋁鋰合金進行擴能.如美國鋁業公司在拉斐特建立了世界產能最大的鋁鋰合金生產工廠,將生產的第三代鋁鋰合金部件提供給空客A380、A350、波音787等飛機制造商.

    2013年中期,美國鋁業公司完成了位于英國基茨格林工廠鋁鋰合金產能的擴張;對達文波特軋制廠的鋁鋰合金板生產線進行了改擴建;對印度安納州拉斐特擠壓——鍛造廠的鋁鋰合金生產線進行了擴建.根據2013年末統計數據,美國鋁鋰合金生產能力約10萬噸/年,其中美國鋁業公司生產能力達到約5.5萬噸/年,美國鋁業公司鋁鋰合金產能占到全國的55%.

    自從鋁鋰合金誕生后,該合金一直處于細化升級過程中,質量更輕、強度更高、成本更低的新一代鋁鋰合金不斷被研發出來,如美國鋁業公司的第三代鋁鋰合金已實現規模化工業生產.美國肯聯鋁業公司的法國沃雷普研發中心用了10年的時間,研發出一種名為"AIRWARE"新型鋁鋰合金,是應用于航空航天領域一種具有革命性的鋁合金新材料.它將鋁與鋰、銅、銀等其他金屬融合,從而獲得這種新合金.

    據了解,AIRWARE可為飛機制造帶來四大優勢:一是比傳統鋁合金材質輕25%,因此,能夠優化結構部件的設計,并減少二氧化碳的排放;二是其卓越的抗腐蝕和抗金屬疲勞特性,可將較大的維護間隔時間延長至12年;三是可實現100%的循環再生利用;四是可用于制造航空器的全部零部件.目前,AIRWARE在新一代飛機制造中已得到應用,空中客車公司將其應用于其寬體客機A350-XWB;龐巴迪公司將其應用于窄體飛機C系列.為滿足航空市場對新型鋁鋰合金日益增長需求,肯聯鋁業公司正在法國伊蘇瓦爾軋制廠新建兩條鋁鋰合金熔煉鑄造生產線,專業生產AIRWARE 鋁鋰合金,預計在建的兩條生產線將于2016年前投產.

    在中國,為滿足國產飛機對鋁鋰合金的需求,我國鋁加工企業在上世紀60年代就開始對鋁鋰合金進行跟蹤性研究,仿制的鋁鋰合金有兩種:一是8090合金(1984年歐洲鋁業協會發明的合金);另一種是2091合金(1985年法國發明的合金).兩種國產鋁鋰合金的各項性能已達到了國外水準.2000年,西南鋁從俄羅斯莫斯科輕金屬研究院引進鋁鋰合金真空熔煉爐及鑄造設備,中國可小批量生產鋁鋰合金板材、型材與鍛件.2012年1月,西南鋁成功試制了用于國產大飛機項目專用的第三代鋁鋰合金.

    目前,我國已基本掌握了航空鋁鋰合金的熔煉技術,如鋁鋰合金大扁錠與鋁鋰合金圓錠的鑄造技術,但在鋁鋰合金基礎研究與合金生產實踐方面,與俄羅斯、美國應存在20~30年的較大差距.主要表現在:一是創新能力與技術開發能力較為薄弱;二是生產能力小,當前僅有西南鋁能夠生產鋁鋰合金,年產量還很少.

    中國大飛機制造及鋁合金材料應用

    在我國,大飛機的制造需求,正在強勁拉動鋁合金材料尤其是鋁鋰合金材料需求.中國大飛機C919型客機機身等直段部,包括前段客艙、前貨艙和再循環風扇艙,是由蒙皮、客艙舷窗、客艙地板和承力部件等構成的筒狀結構部段.據了解,C919機身等直段部位于大客機機身前部,是寬度相等的筒狀結構部段,全長7.45米、寬4.2米、高4.2米,采用了先進的第三代鋁鋰合金板,這是中國國內民用飛機首次采用鋁鋰合金制造的部段.

    2014年9月,C919大型客機中機身和副翼部件交付,首次交付的中機身和外翼翼盒大部件全長5.99米,寬3.96米,由中機身筒段、龍骨梁、中央翼、應急門組成,該部段包含零件8200多個,涉及工裝3400多項,大量采用了第三代鋁鋰合金和高損傷容限鋁合金材料.

    目前,C919大型客機已經獲得國內外20多家航空公司507架的訂單,ARJ21-700也有278架訂單.根據計劃,到2018年,ARJ21支線客機、C919大飛機所用30%以上的鋁合金材料將采用國產鋁材.中國大飛機對鋁合金材料的需求增加了中國鋁加工企業航空民機鋁合金研發和規模化生產的緊迫感.

    目前,應用在航空民機的鋁合金材料主要有:鋁合金鑄件、鋁合金鍛件、大斷面鋁合金擠壓型材、鋁合金厚板和鋁鋰合金等.中國鋁加工業經過60多年的發展,已成為國際公認的鋁材生產大國,目前,無論是鋁合金熔煉設備、軋制設備、還是鋁合金擠壓設備以及精整設備,現代化的一流鋁加工設備之數量對全球各國而言應該是最多的,但由于研發資金投入少、基礎研究薄弱、現代化一流設備只能大量生產性能不是很高的鋁材,像航空航天工業所用的高端鋁材還是我們的短板.

    我國自1956年有了現代化的鋁加工業以來,所需航空鋁合金厚板一直處于凈進口狀態.在初期國產的ARJ21-700支線客機與大型客機C919的材料中,鋁材及鋁合金鍛件都是從美國鋁業公司進口或是由其設在中國的獨資企業提供的.當今航空工業需求旺盛的鋁鋰合金,我國仍基本處于跟蹤仿制研發階段,實現規模化商業生產還有很多難題去攻克,還有很長的路徑去實踐.

    我國航空民機尤其是國產C919、ARJ21大飛機的快速發展已是不爭的事實.時不我待,航空鋁材發展任重而道遠!我國鋁加工行業擁有世界上頂尖的現代化鋁加工技術裝備,只要利用好現代化鋁加工裝備優勢,與國外先進國家的同行開展技術合作,吸收他們的工作經驗和研發成果,就一定能夠實現"彎道超車".