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“大飛機”一般是指起飛總質(zhì)量超過100 t的運輸飛機，包括軍用、民用大型運輸機，也包括150座以上的干線客機。目前，世界上美國、歐盟和俄羅斯制造大型飛機的能力最強，占領國際市場的是美國的波音飛機和歐洲的空客飛機。2006年2月9日，國務院頒布《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要(2006年—2020年)》，大型飛機被確定為“未來15年力爭取得突破的16個重大科技專項”之一。2017年5月，國產(chǎn)大飛機C919成功試飛，這為大飛機加速實現(xiàn)國產(chǎn)化奠定了基礎。

 

國外大型民機采用鋁合金的現(xiàn)狀

 

鋁合金由于具有密度低、比強度高、耐腐蝕強、易導熱導電、塑性和加工性能良好、成本低等一系列優(yōu)點，在航空方面一直是大飛機機體結構的主要用材。從波音707飛機發(fā)展到以波音777和空客A380飛機為代表的新一代飛機，國外大型民機的主體結構材料發(fā)生了很大變化，但在目前正在使用的民用客機中，還在大量使用鋁合金，甚至還占著主體地位。

 

1、波音777

 

波音777是美國波音公司九十年代推出的大型民用客機，采用的材料多是80年代末90年代初比較成熟的材料，或90年代商品化的材料。因此，它的選材具有一定的代表性。其主要部位的材料選用見表1。

 

2、A380飛機

 

A380飛機機體結構材料，優(yōu)質(zhì)鋁合金用量最大，占重量的61%，復合材料占25%(22%為CFRP，用量達到32t，3%為首次用于民機的GLARE)，鐵和鋼占10%，其他4%，A380飛機主要部位的材料選擇見表2。

 

大飛機用鋁合金發(fā)展趨勢

 

1、國外大飛機用鋁合金發(fā)展趨勢

 

傳統(tǒng)的大飛機結構用鋁合金主要是高強度的2×××系(2024、2224、2324、2424、2524等)和超高強度的7×××系(7075、7475、7050、7150、7055、7085等)。20世紀80年代后，雖然出現(xiàn)了鋁理合金、快速凝固鋁合金、復合材料等新材料的競爭，但是傳統(tǒng)的2×××系和7×××系鋁合金仍顯示出了強大的生命力。首先是7150-T77熱處理工藝的成功，第一次在鋁合金中實現(xiàn)了既滿足腐蝕性能的要求，又同時不犧牲合金的強度。后來又通過調(diào)整合金成分、降低Fe、Si等雜質(zhì)元素含量、改進生產(chǎn)工藝等手段，Alcoa公司發(fā)展出了7055-T77超高強度板材和2524-T3超高疲勞強度板材。7055-T77合金的強度比7075-T651高25%，比7150-T77高8~12%，而斷裂韌性和抗應力腐蝕性能與7050-T61相當。

 

2524-T3包鋁板的斷裂韌性、抗疲勞性能均高于2024-T3包鋁板30%以上，被認為是目前最理想的飛機蒙皮用材料。

 

進入21世紀，世界各大鋁廠為了具備航空鋁材市場的競爭力，分別推出了適用于相同部位，具備相當?shù)男阅艿煌铺柕匿X合金，有的甚至申請了專利，使鋁合金的發(fā)展變得無序化和壟斷化。目前各鋁廠推薦的新型鋁合金航空材料見表3。

 

2、國內(nèi)大飛機用鋁合金發(fā)展趨勢

 

我國在飛機用鋁合金的研究和應用基本上屬跟蹤型。在1980年以前，主要跟蹤蘇聯(lián)的研究。在跟蹤基礎上，通過預研和型號的國產(chǎn)化工作，初步形成了我國的飛機用鋁合金系列，主要有硬鋁合金、超硬鋁合金和鍛鋁合金。進入20世紀90年代后，我國開展了對美、俄等國一些高性能鋁合金的跟蹤研究工作，并進行了相應的應用研究，先后開展的項目有2224-T3510(型材)，2324-T39(厚板)，7175-T74(鍛件)，7055-T77(鍛件)等合金。但都沒有形成在民機上工程化應用的地步。

 

2010年，新材料作為七大新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一，在未來拉動經(jīng)濟發(fā)展上被寄予厚望2011年發(fā)布的《新材料產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》中更是強調(diào)要在關鍵新合金品種開發(fā)上取得重大突破，基本滿足大飛機、軌道交通、節(jié)能與新能源汽車等需求。2012年1月，西南鋁宣布成功試制了用于大飛機項目專用的第三代新型鋁鋰合金，該項目不僅填補了國內(nèi)生產(chǎn)空白，還為大飛機加速實現(xiàn)國產(chǎn)化奠定了堅實的材料基礎。

 

國產(chǎn)C919的供應商雖然來自全球，但是需要什么樣的零部件，對其有怎樣的技術要求，是由中國商飛決定的。機體中鋁合金材料約占材料總重量的70%，復合材料的使用量約占C919飛機結構重量的12%。C919比B737、A320等同類機型輕5%~10%，主要得益于鋁合金中鋰元素的加入。

 

從以上發(fā)展經(jīng)歷上可以看出，航空鋁合金的發(fā)展可以概括為以下幾點：

 

1)對國有合金的改進：即對2024和7075兩個典型合金，通過a)提高合金的純度，降低雜質(zhì)含量；b)加入微量元素，縮小合金成分范圍；c)開發(fā)新的熱處理狀態(tài)等渠道。保存原有的優(yōu)點，改進存在的問題，并使合金更專業(yè)化，從而具備不同性能水平、不同耐蝕能力，適用于不同用途的鋁合金。

 

2) 開發(fā)新型高性能合金：即為某些特定要求(如溫度、工藝性、環(huán)境)而研制開發(fā)的鋁合金，如耐高溫鋁合金2219、耐蝕可焊鋁合金6013、低密度高模量的鋁鋰合金。

 

國產(chǎn)大飛機用鋁合金展望

 

從我國目前復合材料的研發(fā)水平、生產(chǎn)設備和生產(chǎn)能力考慮，其在大飛機上用量達到很高的水平非常困難，且無法靠進口解決。因此，鋁合金還應是大飛機的主體結構材料。

 

1、大飛機用材料的要求

 

與其他行業(yè)用鋁材料不同，大飛機項目所需要的鋁材料的主要特點是“超長、超寬、超厚”，尤其是大飛機的機身，需要長達近20 m的拉伸板，厚度也要達到200 mm。

 

大飛機對機體材料的要求包括：

 

1) 實現(xiàn)結構減重；

2) 結構承載和功能一體化；

3) 提高機體使用壽命；

4) 高可靠性和可維修性；

5) 低制造成本和低使用維修成本。

 

這就對鋁合金的比強度、比剛度、斷裂韌性、疲勞性能、疲勞裂紋擴展速率和耐蝕性能等提出了更高的要求，需要采用綜合性能更好的新型鋁合金。

 

2、國內(nèi)大飛機用鋁合金存在問題

 

近幾十年來，我國鋁加工行業(yè)無論從裝備能力還是從加工能力，都已達到世界20世紀80年代后期、90年代初期的水平。但是，新型鋁合金，特別是大飛機用鋁合金的開發(fā)和研究，尚處于仿制和試驗階段，某些性能差距較大，需進一步研究開發(fā)。另外，我國的熱處理工藝與國外相比也有較大差距，以致在仿美合金試驗中，因熱處理工藝差距，達不到相同的典型性能，這方面也需要重點突破?？傊?，國內(nèi)的鋁合金研究與國外相比還比較落后。以下是現(xiàn)階段我們急需解決的問題：

 

1) 品種規(guī)格不全，質(zhì)量不穩(wěn)定

 

除2024和7075合金外，7050只研究過板材和絲材，7150只研究了小型鍛件，7150只研究了板材，7055只研究了鍛件。且因工程化生產(chǎn)的標準體系不完善、工藝規(guī)程執(zhí)行不嚴格導致質(zhì)量不穩(wěn)定。

 

2) 新型鋁合金的研究儲備嚴重不足

 

尚未系統(tǒng)開展高溫用鋁合金、新一代鋁理合金等新型鋁合金的研究。7085高強高碎透性材料及抗拉強度在700Mpa以上的超高強度鋁合金還缺乏研究。

 

3) 不夠重視工程化研究，對生產(chǎn)中的問題研究不足。

 

當前我國對國外先進鋁合金的研究工作大多還處在實驗室階段，而對于合金生產(chǎn)中的許多問題研究不足。此外，一些新材料的性能數(shù)據(jù)積累較少，材質(zhì)也不穩(wěn)定，這些都給應用帶來很大困難。

 

4) 原材料適航符合性控制

 

國產(chǎn)材料通過國際權威機構的適航審查還存在很大的差距。國內(nèi)也曾編制過有關原材料供應廠商控制標準，但沒有貫徹實施。

 

3、解決方案

 

中國大飛機的研究開發(fā)迫切需要很多具有優(yōu)良性能材料的開發(fā)應用，這也對鋁合金材料提出更新更高的要求。鋁合金今后的研究重點主要集中在以下幾個方面：鋁鋰合金、鋁基復合材料和超塑性成形鋁合金。

 

鋁鋰合金質(zhì)輕、高強、抗疲勞和低溫韌性好的優(yōu)良性能使其有著廣泛的應用。但是金屬鋰的儲量少、提取難，生產(chǎn)工藝較復雜，鋁鋰合金的前景可能不如預期的那么樂觀。必須進一步尋求技術和工藝方法，降低鋁鋰合金的成本，進一步提高其性能，力求使鋁鋰合金得到更廣泛的應用。

 

鋁基復合材料已成為鋁合金，甚至是鋁鋰合金的重要競爭對手。目前開發(fā)的鋁基復合材料主要有SiC/Al、B/Al、BC/Al、Al2O3/Al等。這些材料用于航空器上，可使質(zhì)量大大減輕。但長期以來，由于鋁基復合材料還存在著制備工藝復雜、對環(huán)境和設備要求嚴格、成本很高等缺點，因此，其應用還不普遍。

 

超塑性成型作為材料研究一個較新的方向，近年來發(fā)展很快。鋁合金的超塑性成型是通過形變熱處理得到的小于10 μm的超細晶粒，這些超細晶粒合金在高于半熔點和低應變速率條件下能獲得超塑性，可以成形出傳統(tǒng)方法難以獲得的質(zhì)量輕、成本低、形狀復雜的構件，并且具有成形壓力小、模具壽命高、可一次精密成形等許多優(yōu)點。超塑性成型技術的應用，不僅為鋁合金的開發(fā)利用提供了新途徑，而且也是節(jié)約能源、降低成本的有效措施。