中外航空鋁材發(fā)展之比較

    鋁合金憑借密度小、強(qiáng)度適中、易加工成形、耐腐蝕性強(qiáng),資源豐富、可回收性強(qiáng)等獨(dú)特的優(yōu)勢,自1903年人類首次憑借動(dòng)力裝置飛天以來,航空工業(yè)的發(fā)展就與鋁合金材料的應(yīng)用結(jié)下了不解之緣.盡管近年來以碳纖維增強(qiáng)塑料為代表的復(fù)合材料在飛機(jī)上的比例有所上升,但性價(jià)比高的鋁合金仍占有絕對(duì)優(yōu)勢,仍是航空器制造的主要關(guān)鍵性結(jié)構(gòu)材料.在中國擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的支線客機(jī)ARJ21-700與C919大型客機(jī)的用材中,鋁合金零部件的質(zhì)量占到飛機(jī)總質(zhì)量的68%~75%.從發(fā)展歷史來看,鋁合金材料與航空工業(yè)一直都是相輔相成的,二者升級(jí)換代相互促進(jìn).新型鋁合金的誕生造就了新一代飛機(jī)制造,更高性能的飛機(jī)又促進(jìn)的新一代鋁合金的研發(fā)與應(yīng)用.就民用飛機(jī)的發(fā)展而言,上世紀(jì)50年代與波音707相適應(yīng)的是高強(qiáng)度變形鋁合金,而與目前空客A380飛機(jī)相對(duì)應(yīng)的則是7085鋁鋰合金.從全球鋁加工產(chǎn)業(yè)和航空工業(yè)來看,變形鋁合金應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)成熟,目前,新型飛機(jī)材料的需求,更主要體現(xiàn)在綜合性能更加優(yōu)良的鋁鋰合金上.

    航空民機(jī)用鋁鋰合金的發(fā)展

    鋁鋰合金是美國鋁業(yè)公司在1983年新研發(fā)推出的航空7085鋁合金,于2002年在美國鋁業(yè)協(xié)會(huì)注冊,用于生產(chǎn)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(xué)活性,因此,鋁鋰合金必須在真空爐內(nèi)熔煉,熔體也必須在有保護(hù)氣氛條件下進(jìn)行鑄造,熔鑄工藝是生產(chǎn)鋁鋰合金最為關(guān)鍵的技術(shù).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(huì)上升約6%,從而成為復(fù)合材料(碳纖維增強(qiáng)塑料)強(qiáng)有力的競爭產(chǎn)品.據(jù)波音飛機(jī)公司測試,采用鋁鋰合金制造波音飛機(jī),其重量可以減輕14.6%,燃料節(jié)省5.4%,飛機(jī)制造成本可下降2.1%,每架飛機(jī)每年的飛行費(fèi)用可降低2.2%.由于鋁鋰合金的成本大約只是復(fù)合材料(碳纖維增強(qiáng)塑料)的10%,因而在應(yīng)用上具有明顯的比較優(yōu)勢.2009年,鋁鋰合金被納入美國航天材料標(biāo)準(zhǔn),目前,第三代鋁鋰合金已實(shí)現(xiàn)規(guī)模化工業(yè)生產(chǎn),第四代鋁鋰合金研發(fā)已有了新成果.在新型飛機(jī)設(shè)計(jì)制造中,采用鋁鋰合金可使飛機(jī)鋁合金零部件的質(zhì)量減輕14%~30%,已成為新一代航空器的關(guān)鍵性結(jié)構(gòu)材料.

    航空鋁合金新的焦點(diǎn)是先進(jìn)鋁鋰合金的研發(fā)與應(yīng)用.據(jù)統(tǒng)計(jì),美國鋁業(yè)公司是全球鋁鋰合金產(chǎn)能、產(chǎn)量最大的生產(chǎn)企業(yè),約占全球的55%,俄羅斯聯(lián)合鋁業(yè)公司約占25%,其他企業(yè)合計(jì)約占20%.目前,全球主要已有7個(gè)工廠能生產(chǎn)鋁鋰合金軋制材,11個(gè)工廠能生產(chǎn)鋁鋰合金擠壓材,9個(gè)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(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司.

    盡管美國鋁業(yè)公司鋁鋰合金產(chǎn)量居全球首位,但仍在對(duì)鋁鋰合金進(jìn)行擴(kuò)能.如美國鋁業(yè)公司在拉斐特建立了世界產(chǎn)能最大的鋁鋰合金生產(chǎn)工廠,將生產(chǎn)的第三代鋁鋰合金部件提供給空客A380、A350、波音787等飛機(jī)制造商.

    2013年中期,美國鋁業(yè)公司完成了位于英國基茨格林工廠鋁鋰合金產(chǎn)能的擴(kuò)張;對(duì)達(dá)文波特軋制廠的鋁鋰合金板生產(chǎn)線進(jìn)行了改擴(kuò)建;對(duì)印度安納州拉斐特?cái)D壓——鍛造廠的鋁鋰合金生產(chǎn)線進(jìn)行了擴(kuò)建.根據(jù)2013年末統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),美國鋁鋰合金生產(chǎn)能力約10萬噸/年,其中美國鋁業(yè)公司生產(chǎn)能力達(dá)到約5.5萬噸/年,美國鋁業(yè)公司鋁鋰合金產(chǎn)能占到全國的55%.

    自從鋁鋰合金誕生后,該合金一直處于細(xì)化升級(jí)過程中,質(zhì)量更輕、強(qiáng)度更高、成本更低的新一代鋁鋰合金不斷被研發(fā)出來,如美國鋁業(yè)公司的第三代鋁鋰合金已實(shí)現(xiàn)規(guī)模化工業(yè)生產(chǎn).美國肯聯(lián)鋁業(yè)公司的法國沃雷普研發(fā)中心用了10年的時(shí)間,研發(fā)出一種名為"AIRWARE"新型鋁鋰合金,是應(yīng)用于航空航天領(lǐng)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(jù)了解,AIRWARE可為飛機(jī)制造帶來四大優(yōu)勢:一是比傳統(tǒng)鋁合金材質(zhì)輕25%,因此,能夠優(yōu)化結(jié)構(gòu)部件的設(shè)計(jì),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(hù)間隔時(shí)間延長至12年;三是可實(shí)現(xiàn)100%的循環(huán)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(jī)制造中已得到應(yīng)用,空中客車公司將其應(yīng)用于其寬體客機(jī)A350-XWB;龐巴迪公司將其應(yīng)用于窄體飛機(jī)C系列.為滿足航空市場對(duì)新型鋁鋰合金日益增長需求,肯聯(lián)鋁業(yè)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(chǎn)線,專業(yè)生產(chǎn)AIRWARE 鋁鋰合金,預(yù)計(jì)在建的兩條生產(chǎn)線將于2016年前投產(chǎn).

    在中國,為滿足國產(chǎn)飛機(jī)對(duì)鋁鋰合金的需求,我國鋁加工企業(yè)在上世紀(jì)60年代就開始對(duì)鋁鋰合金進(jìn)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(yè)協(xié)會(huì)發(fā)明的合金);另一種是2091合金(1985年法國發(fā)明的合金).兩種國產(chǎn)鋁鋰合金的各項(xiàng)性能已達(dá)到了國外水準(zhǔn).2000年,西南鋁從俄羅斯莫斯科輕金屬研究院引進(jìn)鋁鋰合金真空熔煉爐及鑄造設(shè)備,中國可小批量生產(chǎn)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(chǎn)大飛機(jī)項(xiàng)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(shù),如鋁鋰合金大扁錠與鋁鋰合金圓錠的鑄造技術(shù),但在鋁鋰合金基礎(chǔ)研究與合金生產(chǎn)實(shí)踐方面,與俄羅斯、美國應(yīng)存在20~30年的較大差距.主要表現(xiàn)在:一是創(chuàng)新能力與技術(shù)開發(fā)能力較為薄弱;二是生產(chǎn)能力小,當(dāng)前僅有西南鋁能夠生產(chǎn)鋁鋰合金,年產(chǎn)量還很少.

    中國大飛機(jī)制造及鋁合金材料應(yīng)用

    在我國,大飛機(jī)的制造需求,正在強(qiáng)勁拉動(dòng)鋁合金材料尤其是鋁鋰合金材料需求.中國大飛機(jī)C919型客機(jī)機(jī)身等直段部,包括前段客艙、前貨艙和再循環(huán)風(fēng)扇艙,是由蒙皮、客艙舷窗、客艙地板和承力部件等構(gòu)成的筒狀結(jié)構(gòu)部段.據(jù)了解,C919機(jī)身等直段部位于大客機(jī)機(jī)身前部,是寬度相等的筒狀結(jié)構(gòu)部段,全長7.45米、寬4.2米、高4.2米,采用了先進(jìn)的第三代鋁鋰合金板,這是中國國內(nèi)民用飛機(jī)首次采用鋁鋰合金制造的部段.

    2014年9月,C919大型客機(jī)中機(jī)身和副翼部件交付,首次交付的中機(jī)身和外翼翼盒大部件全長5.99米,寬3.96米,由中機(jī)身筒段、龍骨梁、中央翼、應(yīng)急門組成,該部段包含零件8200多個(gè),涉及工裝3400多項(xiàng),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(jī)已經(jīng)獲得國內(nèi)外20多家航空公司507架的訂單,ARJ21-700也有278架訂單.根據(jù)計(jì)劃,到2018年,ARJ21支線客機(jī)、C919大飛機(jī)所用30%以上的鋁合金材料將采用國產(chǎn)鋁材.中國大飛機(jī)對(duì)鋁合金材料的需求增加了中國鋁加工企業(yè)航空民機(jī)鋁合金研發(fā)和規(guī)模化生產(chǎn)的緊迫感.

    目前,應(yīng)用在航空民機(jī)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(yè)經(jīng)過60多年的發(fā)展,已成為國際公認(rèn)的鋁材生產(chǎn)大國,目前,無論是鋁合金熔煉設(shè)備、軋制設(shè)備、還是鋁合金擠壓設(shè)備以及精整設(shè)備,現(xiàn)代化的一流鋁加工設(shè)備之?dāng)?shù)量對(duì)全球各國而言應(yīng)該是最多的,但由于研發(fā)資金投入少、基礎(chǔ)研究薄弱、現(xiàn)代化一流設(shè)備只能大量生產(chǎn)性能不是很高的鋁材,像航空航天工業(yè)所用的高端鋁材還是我們的短板.

    我國自1956年有了現(xiàn)代化的鋁加工業(yè)以來,所需航空鋁合金厚板一直處于凈進(jìn)口狀態(tài).在初期國產(chǎn)的ARJ21-700支線客機(jī)與大型客機(jī)C919的材料中,鋁材及鋁合金鍛件都是從美國鋁業(yè)公司進(jìn)口或是由其設(shè)在中國的獨(dú)資企業(yè)提供的.當(dāng)今航空工業(yè)需求旺盛的鋁鋰合金,我國仍基本處于跟蹤仿制研發(fā)階段,實(shí)現(xiàn)規(guī)模化商業(yè)生產(chǎn)還有很多難題去攻克,還有很長的路徑去實(shí)踐.

    我國航空民機(jī)尤其是國產(chǎn)C919、ARJ21大飛機(jī)的快速發(fā)展已是不爭的事實(shí).時(shí)不我待,航空鋁材發(fā)展任重而道遠(yuǎn)!我國鋁加工行業(yè)擁有世界上頂尖的現(xiàn)代化鋁加工技術(shù)裝備,只要利用好現(xiàn)代化鋁加工裝備優(yōu)勢,與國外先進(jìn)國家的同行開展技術(shù)合作,吸收他們的工作經(jīng)驗(yàn)和研發(fā)成果,就一定能夠?qū)崿F(xiàn)"彎道超車".