鋁鋰合金：現代飛機新型材料的選擇

    近日,人們廣為關注的C919大飛機首架機正式下線,然而令鋁業界更為關注的是, C919大型客機所應用的材料情況,尤其是第三代鋁鋰合金材料的發展現狀,為此本報記者采訪了專門從事鋁材深加工市場研究專家、北京佰匯咨詢公司總經理王登文先生.王登文向記者詳細介紹了航空材料發展現狀以及當前航空用鋁鋰合金材料發展情況.

    王登文說,在航空工業,飛機的研發制造離不開材料的支撐.鋁鋰合金與碳纖維復合材料是新時代飛機的主要用材.近年來,航空用碳纖維復合材料的面市,對傳統鋁合金材料在航空工業的應用帶來一定的沖擊.面對航空碳纖維復合材料的崛起與競爭,以美國鋁業公司為代表的鋁企針對碳纖維復合材料的弱項,成功開發出了第一代2099鋁鋰合金.它與碳纖維復合材料相比,其氣動性更好、防腐能力更強、質量更輕,在制造、運行、維修成本上更低.據了解,鋁鋰合金的生產成本僅為碳纖維復合材料的10%.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%,鋁鋰合金已成為新一代航空飛機的關鍵性結構材料.目前,各國先進的戰斗軍機和民用飛機越來越多地采用了鋁鋰合金.

    在國外,空客A350創新性的采用了鋁鋰合金制造機身蒙皮與地板結構,其用量為機身重量的22%;A380機身蒙皮、地板梁、機翼前后緣均使用了鋁鋰合金;在龐巴迪C系飛機中,先進鋁鋰合金材料部件已經占到飛機材料總量的20%;波音787和EH101多用途直升飛機也大量采用了鋁鋰合金.

    在國內,中國商用飛機有限責任公司制造的C919大飛機主結構材料中,鋁及鋁鋰合金占比65%(約14噸),鋁鋰合金在C919大飛機主結構材料中首次應用且用量較大.由中航洪都飛機公司制造的C919機身前部等直段部和中航西安飛機公司制造的C919大型客機中機身和副翼大部件均大量采用了先進的第三代鋁鋰合金板.據了解,C919大飛機用第三代鋁鋰合金來自美國鋁業公司達文波特軋制廠.

    目前,全球航空鋁合金的焦點是先進鋁鋰合金的研發與應用.據北京佰匯調研數據顯示,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,既是美國也是全球鋁鋰合金產能、產量最大的生產企業.

    王登文介紹說,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.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,用來生產第三代鋁鋰合金部件.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.

    美國肯聯鋁業公司的法國沃雷普研發中心研發出一種名為"AIRWARE"新型鋁鋰合金,據介紹,AIRWARE是應用于航空航天領域一種具有革命性的鋁合金新材料.它是將鋁與鋰、銅、銀等其他金屬融合,從而獲得這種新合金.據北京佰匯了解,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所有全部零部件.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,預計在建的兩條鋁鋰合金生產線將于2016年前投產.

    在中國,為滿足國產飛機對鋁鋰合金的需求,我國鋁加工業在上世紀60年代就開始對鋁鋰合金進行跟蹤性研究,成功仿制了8090和2091兩種鋁鋰合金.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,與美、俄仍存在較大差距,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,當前僅有西南鋁業(集團)有限責任公司能夠生產少量鋁鋰合金,遠遠不能滿足國產大飛機的需求.北京佰匯認為,國家需要投入專項資金,提升航空鋁鋰合金研發能力、增加航空鋁鋰合金生產企業數量、擴建航空鋁鋰合金生產線.

    王登文認為,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,截至目前,C919和ARJ21-700大飛機訂單已分別達到517架、278架.面對航空工業需求旺盛的鋁鋰合金,我國要實現規模化生產鋰合金還有很多難題去攻克,還有很長的路徑去實踐.但是在困難面前,也要看到我們的長處,利用好現代化鋁熔煉與鋁加工裝備優勢,與美、俄等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,實現"彎道超車",盡快實現國產大飛機所用鋁鋰合金材料的國產化.