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學(xué)術(shù)干貨│大飛機(jī)上的鋁合金簡介

2017-08-30 10:22:23 作者：本網(wǎng)整理來源：材料人網(wǎng) 分享至：

1 前言

“大飛機(jī)”一般是指起飛總質(zhì)量超過100 t的運輸飛機(jī)，包括軍用、民用大型運輸機(jī)，也包括150座以上的干線客機(jī)。目前，世界上美國、歐盟和俄羅斯制造大型飛機(jī)的能力最強(qiáng)，占領(lǐng)國際市場的是美國的波音飛機(jī)和歐洲的空客飛機(jī)。

2006年2月9日，國務(wù)院頒布《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006年—2020年）》，大型飛機(jī)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(jī)C919成功試飛，這為大飛機(jī)加速實現(xiàn)國產(chǎn)化奠定了基礎(chǔ)。

2 國外大型民機(jī)采用鋁合金的現(xiàn)狀

鋁合金由于具有密度低、比強(qiáng)度高、耐腐蝕強(qiáng)、易導(dǎo)熱導(dǎo)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(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)的主要用材。從波音707飛機(jī)發(fā)展到以波音777和空客A380飛機(jī)為代表的新一代飛機(jī)，國外大型民機(jī)的主體結(jié)構(gòu)材料發(fā)生了很大變化，但在目前正在使用的民用客機(jī)中，還在大量使用鋁合金，甚至還占著主體地位。

2.1 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(jī)，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。

表1 波音777主要部位用材一覽表

2.2 A380飛機(jī)

A380飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)材料，優(yōu)質(zhì)鋁合金用量最大，占重量的61%，復(fù)合材料占25%（22%為CFRP，用量達(dá)到32t，3%為首次用于民機(jī)的GLARE），鐵和鋼占10%，其他4%，A380飛機(jī)主要部位的材料選擇見表2。

表2 A380飛機(jī)主要部位選用材料

3 大飛機(jī)用鋁合金發(fā)展趨勢

3.1 國外大飛機(jī)用鋁合金發(fā)展趨勢

傳統(tǒng)的大飛機(jī)結(jié)構(gòu)用鋁合金主要是高強(qiáng)度的2×××系（2024、2224、2324、2424、2524等）和超高強(qiáng)度的7×××系（7075、7475、7050、7150、7055、7085等）。20世紀(jì)80年代后，雖然出現(xiàn)了鋁理合金、快速凝固鋁合金、復(fù)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(qiáng)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(qiáng)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(jìn)生產(chǎn)工藝等手段，Alcoa公司發(fā)展出了7055-T77超高強(qiáng)度板材和2524-T3超高疲勞強(qiáng)度板材。7055-T77合金的強(qiáng)度比7075-T651高25%，比7150-T77高8~12%，而斷裂韌性和抗應(yīng)力腐蝕性能與7050-T61相當(dāng)。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(rèn)為是目前最理想的飛機(jī)蒙皮用材料。

進(jìn)入21世紀(jì)，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(dāng)?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。

表3 國際各大鋁廠推出的新型鋁合金

3.2 國內(nèi)大飛機(jī)用鋁合金發(fā)展趨勢

我國在飛機(jī)用鋁合金的研究和應(yīng)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(chǔ)上，通過預(yù)研和型號的國產(chǎn)化工作，初步形成了我國的飛機(jī)用鋁合金系列，主要有硬鋁合金、超硬鋁合金和鍛鋁合金。進(jìn)入20世紀(jì)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(jìn)行了相應(yīng)的應(yīng)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(jī)上工程化應(yīng)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(jì)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(qiáng)調(diào)要在關(guān)鍵新合金品種開發(fā)上取得重大突破，基本滿足大飛機(jī)、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(jī)項目專用的第三代新型鋁鋰合金，該項目不僅填補(bǔ)了國內(nèi)生產(chǎn)空白，還為大飛機(jī)加速實現(xiàn)國產(chǎn)化奠定了堅實的材料基礎(chǔ)。

國產(chǎn)C919的供應(yīng)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(shù)要求，是由中國商飛決定的。機(jī)體中鋁合金材料約占材料總重量的70%，復(fù)合材料的使用量約占C919飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量的12%。C919比B737、A320等同類機(jī)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(jìn)：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(jìn)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。

4 國產(chǎn)大飛機(jī)用鋁合金展望

從我國目前復(fù)合材料的研發(fā)水平、生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)能力考慮，其在大飛機(jī)上用量達(dá)到很高的水平非常困難，且無法靠進(jìn)口解決。因此，鋁合金還應(yīng)是大飛機(jī)的主體結(jié)構(gòu)材料。

4.1 大飛機(jī)用材料的要求

與其他行業(yè)用鋁材料不同，大飛機(jī)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(jī)的機(jī)身，需要長達(dá)近20 m的拉伸板，厚度也要達(dá)到200 mm。

大飛機(jī)對機(jī)體材料的要求包括：

1）實現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重；

2）結(jié)構(gòu)承載和功能一體化；

3）提高機(jī)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(qiáng)度、比剛度、斷裂韌性、疲勞性能、疲勞裂紋擴(kuò)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。

4.2 國內(nèi)大飛機(jī)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(dá)到世界20世紀(jì)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(jī)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(jìn)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(dá)不到相同的典型性能，這方面也需要重點突破。總之，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(biāo)準(zhǔn)體系不完善、工藝規(guī)程執(zhí)行不嚴(yán)格導(dǎo)致質(zhì)量不穩(wěn)定。

2）新型鋁合金的研究儲備嚴(yán)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(qiáng)高碎透性材料及抗拉強(qiáng)度在700Mpa以上的超高強(qiáng)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(dāng)前我國對國外先進(jìn)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(yīng)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(quán)威機(jī)構(gòu)的適航審查還存在很大的差距。國內(nèi)也曾編制過有關(guān)原材料供應(yīng)廠商控制標(biāo)準(zhǔn)，但沒有貫徹實施。

4.3 解決方案

中國大飛機(jī)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(yīng)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(fù)合材料和超塑性成形鋁合金。

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

鋁基復(fù)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(fù)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(fù)合材料還存在著制備工藝復(fù)雜、對環(huán)境和設(shè)備要求嚴(yán)格、成本很高等缺點，因此，其應(yīng)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(xì)晶粒，這些超細(xì)晶粒合金在高于半熔點和低應(yīng)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(fù)雜的構(gòu)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(shù)的應(yīng)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。

5 結(jié)語

盡管國內(nèi)已初步形成了航空鋁合金體系，但離國際先進(jìn)水平還有很大的差距，此差距是多方面的，包括技術(shù)的、設(shè)備能力的、管理體制的等，大飛機(jī)項目的研制是我國綜合經(jīng)濟(jì)實力的表現(xiàn)，是中華民族昌盛的標(biāo)志。為了進(jìn)一步發(fā)展大飛機(jī)，適應(yīng)國際化、市場化的需求，一方面應(yīng)進(jìn)一步開展關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)工作，為大飛機(jī)的發(fā)展奠定基礎(chǔ)；另一方面，全國各相關(guān)行業(yè)都要為大飛機(jī)工程項目努力，保證國產(chǎn)大飛機(jī)迅速發(fā)展。

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責(zé)任編輯：殷鵬飛

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