中外航空鋁材發(fā)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(yōu)勢,自1903年人類首次憑借動力裝置飛天以來,航空工業(yè)的發(fā)展就與鋁合金材料的應用結(jié)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(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產(chǎn)權(quán)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(zhì)量占到飛機總質(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(fā)與應用.就民用飛機的發(fā)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(chǎn)業(yè)和航空工業(yè)來看,變形鋁合金應用已經(jīng)相當成熟,目前,新型飛機材料的需求,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氣氛條件下進行鑄造,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(chǎn)品.據(jù)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(jié)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(yōu)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(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.在新型飛機設(shè)計制造中,采用鋁鋰合金可使飛機鋁合金零部件的質(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是先進鋁鋰合金的研發(fā)與應用.據(jù)統(tǒng)計,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)合計約占20%.目前,全球主要已有7個工廠能生產(chǎn)鋁鋰合金軋制材,11個工廠能生產(chǎn)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(yè)(集團)有限責任公司.

    盡管美國鋁業(yè)公司鋁鋰合金產(chǎn)量居全球首位,但仍在對鋁鋰合金進行擴能.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)能的擴張;對達文波特軋制廠的鋁鋰合金板生產(chǎn)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(chǎn)線進行了擴建.根據(jù)2013年末統(tǒng)計數(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,該合金一直處于細化升級過程中,質(zhì)量更輕、強度更高、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年的時間,研發(fā)出一種名為"AIRWARE"新型鋁鋰合金,是應用于航空航天領(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,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(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(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,預計在建的兩條生產(chǎn)線將于2016年前投產(chǎn).

    在中國,為滿足國產(chǎn)飛機對鋁鋰合金的需求,我國鋁加工企業(yè)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(yè)協(xié)會發(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(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(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)實踐方面,與俄羅斯、美國應存在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(huán)風扇艙,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機身等直段部位于大客機機身前部,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,采用了先進的第三代鋁鋰合金板,這是中國國內(nèi)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(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(chǎn)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(yè)航空民機鋁合金研發(fā)和規(guī)?；a(chǎn)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(yè)經(jīng)過60多年的發(fā)展,已成為國際公認的鋁材生產(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)備之數(shù)量對全球各國而言應該是最多的,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口狀態(tài).在初期國產(chǎn)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(yè)公司進口或是由其設(shè)在中國的獨資企業(yè)提供的.當今航空工業(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踐.

    我國航空民機尤其是國產(chǎn)C919、ARJ21大飛機的快速發(fā)展已是不爭的事實.時不我待,航空鋁材發(fā)展任重而道遠!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,與國外先進國家的同行開展技術(shù)合作,吸收他們的工作經(jīng)驗和研發(fā)成果,就一定能夠?qū)崿F(xiàn)"彎道超車".