第三代航空铝材与美俄仍有30年差距

    中外航空铝材发展之比较

    铝合金凭借密度小、强度适中、易加工成形、耐腐蚀性强,资源丰富、可回收性强等独特的优势,自1903年人类首次凭借动力装置飞天以来,航空工业的发展就与铝合金材料的应用结下了不解之缘.尽管近年来以碳纤维增强塑料为代表的复合材料在飞机上的比例有所上升,但性价比高的铝合金仍占有绝对优势,仍是航空器制造的主要关键性结构材料.在中国拥有自主知识产权的支线客机ARJ21-700与C919大型客机的用材中,铝合金零部件的质量占到飞机总质量的68%~75%.从发展历史来看,铝合金材料与航空工业一直都是相辅相成的,二者升级换代相互促进.新型铝合金的诞生造就了新一代飞机制造,更高性能的飞机又促进的新一代铝合金的研发与应用.就民用飞机的发展而言,上世纪50年代与波音707相适应的是高强度变形铝合金,而与目前空客A380飞机相对应的则是7085铝锂合金.从全球铝加工产业和航空工业来看,变形铝合金应用已经相当成熟,目前,新型飞机材料的需求,更主要体现在综合性能更加优良的铝锂合金上.

    航空民机用铝锂合金的发展

    铝锂合金是美国铝业公司在1983年新研发推出的航空7085铝合金,于2002年在美国铝业协会注册,用于生产102~178毫米航空器厚板.铝锂合金是一种前所未有的超纯7xxx系合金.锂具有很大的化学活性,因此,铝锂合金必须在真空炉内熔炼,熔体也必须在有保护气氛条件下进行铸造,熔铸工艺是生产铝锂合金最为关键的技术.锂既能降低铝的密度又能提高弹性模量.向铝金属中每添加1%的锂,铝合金的密度就下降约3%,而其弹性模量则会上升约6%,从而成为复合材料(碳纤维增强塑料)强有力的竞争产品.据波音飞机公司测试,采用铝锂合金制造波音飞机,其重量可以减轻14.6%,燃料节省5.4%,飞机制造成本可下降2.1%,每架飞机每年的飞行费用可降低2.2%.由于铝锂合金的成本大约只是复合材料(碳纤维增强塑料)的10%,因而在应用上具有明显的比较优势.2009年,铝锂合金被纳入美国航天材料标准,目前,第三代铝锂合金已实现规模化工业生产,第四代铝锂合金研发已有了新成果.在新型飞机设计制造中,采用铝锂合金可使飞机铝合金零部件的质量减轻14%~30%,已成为新一代航空器的关键性结构材料.

    航空铝合金新的焦点是先进铝锂合金的研发与应用.据统计,美国铝业公司是全球铝锂合金产能、产量最大的生产企业,约占全球的55%,俄罗斯联合铝业公司约占25%,其他企业合计约占20%.目前,全球主要已有7个工厂能生产铝锂合金轧制材,11个工厂能生产铝锂合金挤压材,9个工厂可锻制铝锂合金自由锻件与模锻件,其中包括我国的西南铝业(集团)有限责任公司.

    尽管美国铝业公司铝锂合金产量居全球首位,但仍在对铝锂合金进行扩能.如美国铝业公司在拉斐特建立了世界产能最大的铝锂合金生产工厂,将生产的第三代铝锂合金部件提供给空客A380、A350、波音787等飞机制造商.

    2013年中期,美国铝业公司完成了位于英国基茨格林工厂铝锂合金产能的扩张;对达文波特轧制厂的铝锂合金板生产线进行了改扩建;对印度安纳州拉斐特挤压——锻造厂的铝锂合金生产线进行了扩建.根据2013年末统计数据,美国铝锂合金生产能力约10万吨/年,其中美国铝业公司生产能力达到约5.5万吨/年,美国铝业公司铝锂合金产能占到全国的55%.

    自从铝锂合金诞生后,该合金一直处于细化升级过程中,质量更轻、强度更高、成本更低的新一代铝锂合金不断被研发出来,如美国铝业公司的第三代铝锂合金已实现规模化工业生产.美国肯联铝业公司的法国沃雷普研发中心用了10年的时间,研发出一种名为"AIRWARE"新型铝锂合金,是应用于航空航天领域一种具有革命性的铝合金新材料.它将铝与锂、铜、银等其他金属融合,从而获得这种新合金.

    据了解,AIRWARE可为飞机制造带来四大优势:一是比传统铝合金材质轻25%,因此,能够优化结构部件的设计,并减少二氧化碳的排放;二是其卓越的抗腐蚀和抗金属疲劳特性,可将较大的维护间隔时间延长至12年;三是可实现100%的循环再生利用;四是可用于制造航空器的全部零部件.目前,AIRWARE在新一代飞机制造中已得到应用,空中客车公司将其应用于其宽体客机A350-XWB;庞巴迪公司将其应用于窄体飞机C系列.为满足航空市场对新型铝锂合金日益增长需求,肯联铝业公司正在法国伊苏瓦尔轧制厂新建两条铝锂合金熔炼铸造生产线,专业生产AIRWARE 铝锂合金,预计在建的两条生产线将于2016年前投产.

    在中国,为满足国产飞机对铝锂合金的需求,我国铝加工企业在上世纪60年代就开始对铝锂合金进行跟踪性研究,仿制的铝锂合金有两种:一是8090合金(1984年欧洲铝业协会发明的合金);另一种是2091合金(1985年法国发明的合金).两种国产铝锂合金的各项性能已达到了国外水准.2000年,西南铝从俄罗斯莫斯科轻金属研究院引进铝锂合金真空熔炼炉及铸造设备,中国可小批量生产铝锂合金板材、型材与锻件.2012年1月,西南铝成功试制了用于国产大飞机项目专用的第三代铝锂合金.

    目前,我国已基本掌握了航空铝锂合金的熔炼技术,如铝锂合金大扁锭与铝锂合金圆锭的铸造技术,但在铝锂合金基础研究与合金生产实践方面,与俄罗斯、美国应存在20~30年的较大差距.主要表现在:一是创新能力与技术开发能力较为薄弱;二是生产能力小,当前仅有西南铝能够生产铝锂合金,年产量还很少.

    中国大飞机制造及铝合金材料应用

    在我国,大飞机的制造需求,正在强劲拉动铝合金材料尤其是铝锂合金材料需求.中国大飞机C919型客机机身等直段部,包括前段客舱、前货舱和再循环风扇舱,是由蒙皮、客舱舷窗、客舱地板和承力部件等构成的筒状结构部段.据了解,C919机身等直段部位于大客机机身前部,是宽度相等的筒状结构部段,全长7.45米、宽4.2米、高4.2米,采用了先进的第三代铝锂合金板,这是中国国内民用飞机首次采用铝锂合金制造的部段.

    2014年9月,C919大型客机中机身和副翼部件交付,首次交付的中机身和外翼翼盒大部件全长5.99米,宽3.96米,由中机身筒段、龙骨梁、中央翼、应急门组成,该部段包含零件8200多个,涉及工装3400多项,大量采用了第三代铝锂合金和高损伤容限铝合金材料.

    目前,C919大型客机已经获得国内外20多家航空公司507架的订单,ARJ21-700也有278架订单.根据计划,到2018年,ARJ21支线客机、C919大飞机所用30%以上的铝合金材料将采用国产铝材.中国大飞机对铝合金材料的需求增加了中国铝加工企业航空民机铝合金研发和规模化生产的紧迫感.

    目前,应用在航空民机的铝合金材料主要有:铝合金铸件、铝合金锻件、大断面铝合金挤压型材、铝合金厚板和铝锂合金等.中国铝加工业经过60多年的发展,已成为国际公认的铝材生产大国,目前,无论是铝合金熔炼设备、轧制设备、还是铝合金挤压设备以及精整设备,现代化的一流铝加工设备之数量对全球各国而言应该是最多的,但由于研发资金投入少、基础研究薄弱、现代化一流设备只能大量生产性能不是很高的铝材,像航空航天工业所用的高端铝材还是我们的短板.

    我国自1956年有了现代化的铝加工业以来,所需航空铝合金厚板一直处于净进口状态.在初期国产的ARJ21-700支线客机与大型客机C919的材料中,铝材及铝合金锻件都是从美国铝业公司进口或是由其设在中国的独资企业提供的.当今航空工业需求旺盛的铝锂合金,我国仍基本处于跟踪仿制研发阶段,实现规模化商业生产还有很多难题去攻克,还有很长的路径去实践.

    我国航空民机尤其是国产C919、ARJ21大飞机的快速发展已是不争的事实.时不我待,航空铝材发展任重而道远!我国铝加工行业拥有世界上顶尖的现代化铝加工技术装备,只要利用好现代化铝加工装备优势,与国外先进国家的同行开展技术合作,吸收他们的工作经验和研发成果,就一定能够实现"弯道超车".