C919引领国产材料产业转型升级

​​材料是工业的基础。大力推动新材料的研发应用,对于高端装备制造业而言是必争的战略高地。国家发布《新材料产业“十三五”发展规划》,提出要加快培育和发展新材料产业,引领材料工业升级换代,保障国家重大工程建设。通过与专业研究机构以及企业的合作,C919飞机正在不断提高对国产材料产业转型升级的引领作用。

 

迎难而上,善作善成。春节刚过,3架国产大型客机C919首次同时出现在了厂房里。今年,试飞机队规模将扩大到6架。新一轮密集试飞工作正在加速进行。

 

据中国商飞统计,目前全球航线飞行的飞机,喷气客机市值约3万亿美金。C919作为中国首款按照国际适航标准,并具备自主知识产权的民用飞机,是中国商飞在国际航空领域的鼎力之作。目前,C919已经拿下了国内外28家客户的815架订单。可以说,未来飞机制造业市场大有可为。

中国大飞机的制造,离不开材料工业的贡献。在民用飞机中,主要用到的金属材料有铝合金,钢铁和钛合金。近年来,复合材料用量逐渐攀升,以碳纤维增强树脂基复合材料为代表的新型材料,能够有效降低机体重量,降低油耗,并减少维修成本。另外,机舱内部将首次启用芳砜纶纤维制作椅罩、门帘,能够减重30公斤以上,每架飞机能够节省超万元的成本。

 

而材料行业的转型升级,也受到了大飞机事业的带动。C919的研制工作,带动国内材料供应商按照民机材料研制与生产要求,建立起生产过程控制理念,提升国产材料生产的一致性和稳定性,逐步建立可以支撑中国民用飞机发展的材料产业基础。

 

“一代材料,一代飞机”

 

早在20世纪70年代初,欧洲空客公司的首款客机A300还在襁褓之中,中国的大型喷气式客机“运-10”项目已经悄然上马。当时中国的工业基础薄如白纸,部件大多数处在零基础的状态,再加上国际环境较为复杂,与我们建交的国家不多,没有从国外购买部件的条件。凭借数十万科研工作者白手起家,经历长达十年的艰难攻关,“运-10”在1980年终于试飞成功,最大起飞重量高达110吨!

更不可思议的是,当时研制工作共诞生了近百项新材料,一百多项新标准、新工艺,机体国产化率100%,除发动机向国外采购配套外,航电和机械系统国产化率超过96%,国产化率达到惊人的高度!

 

外国媒体都惊呆了,不敢相信中国能在“零基础”的条件下造出这样的飞机,坚信“运-10”是参考了美国“波音707”,然而,美驻华空军武官亲自参观“运-10”之后说:“凡是熟悉波音飞机的人,站在机舱门前看一眼就明白,‘运-10’不是波音飞机的复制品,机翼构型明显不同。”

 

“运-10”随后还飞越了我国版图内的几乎所有大山大江、高原平地、荒漠沃土、湖泊和领海,7次飞过喜马拉雅山,成为那个时代中国航空业的骄傲,中国也是继美、苏、欧之后世界第四个掌握大型飞机制造技术的国家。外媒当年评论说,中国航空业与国外的差距一下子从30年被缩短到了15年!

 

可是,还没来得及庆功,“运-10”项目就突然被叫停了,此后便被无限期搁置,这究竟是什么原因呢?

 

除了当时的体制、资金等重重阻碍外,“运-10”没法进行大规模生产就是一个很致命的因素。


当时我国薄弱的工业基础根本无法保证“运-10”的批量生产,只能做几个这样的原型机。当时跟很多国家没有贸易往来,无法求助于外部,什么都得自力更生、自己生产,结果国产的零部件根本无法满足“运-10”飞机的批量生产要求,满足不了就供不上,标准也不达标,安全隐患大。在这样的无奈下, “造不如买,买不如租”的自暴自弃思潮也借机上位。中国民航大量进口了波音公司的飞机。

我国民航大量使用的波音737

 

“运-10”的陨落成了一代国人挥之不去的痛。我国的民航业在后来很长时间内停滞不前,渐渐与欧美拉开了四五十年的差距。当年的决定,竟然引发了这样的结果,不禁让人唏嘘,这原来是甜蜜的毒药啊!。

 

看看C919飞机都用了哪些新材料? 

 

以往的飞机研制是没有“材料研究”这个概念的,只有“材料选择”。国外有什么材料就选什么材料,那时候的问题主要是实现选材后的国产化,不至于在批量生产时被进口材料“卡住咽喉”。

 

近年来,“材料研究”的重要性被逐渐认可。新的材料固然有其特殊的优势,然而如何能够用在飞机制造上,还需要更多地打磨。材料的静力性能、各向异性、疲劳性能、断裂韧性、疲劳裂纹扩展性能等一系列性能指标都要通过试验后经统计分析产生,生产条件下零件制造的工艺参数也要通过工艺验证试验获得。

 

第三代铝锂合金改善各向异性

 

作为结构材料,铝合金为现代飞机提供极大支持。铝锂合金材料由于重量轻、比刚度比强度高,被认为是新一代飞机研制较为理想的结构材料。美国、俄罗斯、欧洲和日本在航空航天领域均有使用铝锂合金的应用实例。如空客公司的A330、A340和A380等机型的座椅滑轨、地板梁等部件均使用了铝锂合金。

 

事实上,铝锂合金作为铝合金的一种,其在航空材料大家族中并不算新成员。1958年,美铝公司开发出第一代铝锂合金——2020铝锂合金,并使用在RA-5C预警机上。但是2020铝锂合金表现出的脆性和生产问题阻碍了其进一步应用。

 

国内在批产型号上正式使用铝锂合金材料,可以追溯到本世纪初。随着苏27原型机上1420铝锂合金的国产化,国内材料和航空界开始对铝锂合金有了了解。以1420铝锂合金为代表的第二代铝锂合金含锂量一般在2%-3%,密度比普通铝合金降低约10%。

苏27 原型机

 

然而,第二代铝锂合金存在一个重要的性能缺陷,即存在显著的各向异性。正因为此,铝锂合金材料在国内航空领域始终没有得到大范围的推广应用。

 

随着C919大型客机启动立项研制,国内第三代铝锂合金的应用开始摆上议事日程。在材料供应商的配合下,开发出适用于飞机蒙皮的2060铝锂合金,消除了第二代铝锂合金的各向异性问题,同时材料的屈服强度提高了40%,其性能提升可以说是跨时代的。

 

C919是首次大范围采用铝锂合金的机型,在机体结构中的用量约为8.8%。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,C919也得以实现比B737、A320等同类机型轻5%~10%的目标。

 

国内铝板研究制造摸索前行。在20世纪80年代中期国内航空开始7075、2024、7475等合金的研究工作,但材料的规格远没有达到欧美国家的水平。90年代以后,国内开展了对7A55、6A60、高阻尼铝合金、耐热铝合金以及铝锂合金的研究,但研究水平还不成熟,价格居高不下,与国外先进技术具有较大的差距,目前国内至少有10家铝板生产企业均着力研究航空用铝厚板的生产技术。南山铝业等铝企均致力于为国产大飞机开发和制造航空用厚板。

 

抗腐蚀、抗疲劳的碳纤维复合材料

 

从零下55度到零上70度,飞机的运营环境跨度很大,由于地表温度和高空温度的差异,飞机每次起降都要经过一次冷热循环,尤其是当航线范围覆盖炎热的热带或者寒冷的寒带时,冷热循环就会更加明显。在约9万次起降的设计寿命周期里,C919要经受许多由温差带来的对飞机机体结构“冷冻热蒸的考验”,其机体结构材料的抗腐蚀、抗疲劳性能显得格外重要。

 

提到抗腐蚀、抗疲劳,还有什么材料比复合材料更有优势呢?飞机上使用的复合材料主要是碳纤维增强树脂基复合材料,它的耐腐蚀性能,有些类似于日常生活中的塑料,我们都知道,连腐蚀性非常强的王水,都需要用塑料瓶来盛装,塑料的耐腐蚀性可见一斑。此外,复合材料的抗疲劳性能也十分强大,只要在结构设计上,使受到的“静力”满足要求,是不会因为疲劳而损坏的。

 

C919飞机的后机身后段、平尾、垂尾、升降舵、方向舵、襟翼、副翼、小翼、扰流板等部位均使用了碳纤维复合材料。使用的复合材料比例也是目前中国航空领域最大的,促进了相关产业更大的发展。

复合材料具有密度小重量轻、比刚度比强度高、抗腐蚀抗疲劳、可设计、整体成型等许多好处。而且,由于大量采用复合材料,较国外同类型飞机80分贝的机舱噪音,C919机舱内噪音可望降到60分贝以下。

 

近年来,复合材料用量逐渐攀升,以碳纤维增强树脂基复合材料为代表的新型材料,能够有效降低机体重量,降低油耗,并减少维修成本,颇受航空公司欢迎。

 

波音787梦想客机在商业上的巨大成功,与其优异的飞行性能与较低的使用成本密不可分,与以往相同的机型相比,燃料消耗下降了20%,减少了更多温室气体的排放,飞行航程超过了15000公里。这样优异的表现,正是由于其在制造中,使用了高比例的复合材料而得以实现的。

 

目前全球碳纤维制造的主导者是日本和其在欧美设立的的工厂,其次是依靠欧美航空航天市场健康发展的美国Hexcel和Cytec公司,以及依靠强大工业创新体系的德国SGL公司,随着在碳纤维领域投入的不断增大,我国碳纤维产量占世界份额也在不断提高。据中国化学纤维工业协会预测,2020年碳纤维在全球工业领域的需求将达到75%,航空航天和体育休闲领域分别占20%和5%左右。工业用途中,汽车、风电和土木工程将是今后的大市场。

 

我国碳纤维起步较晚,国际著名生产厂商都分布在海外。A股上市公司相关标的康得新,目前拥有1700吨碳丝和5100吨原丝的生产线,已经完成新能源汽车碳纤维车体及部件产业布局,康得复合材料拥有全球唯一的新能源汽车轻量化碳纤维生态平台,打开碳纤维市场指日可待。

 

金属基复合材料有望成为“新宠”

 

提到复合材料,大部分人首先想到增强树脂基复合材料,殊不知近年来,金属基复合材料又逐渐走向了新材料研制的前沿。

 

国际上金属基复合材料以铝基为主。制备铝基复合材料的一般方法是将碳化硅颗粒或陶瓷颗粒等混入铝合金,用搅拌铸造或粉末冶金的方法混合获得铝基复合材料,以提高材料刚度和硬度。铝基复合材料已在美军战机如F16战隼战斗机的燃油检查口盖和腹鳍以及F18大黄蜂战斗机的液压制动器缸体等部位获得应用。

F-18大黄蜂战斗机

在原位自生技术中,以铝熔体为溶液,引入组成陶瓷的基本元素,合成陶瓷颗粒。通过熔体控制自生技术,能够有效控制合成陶瓷颗粒的尺寸、形貌和分布,陶瓷颗粒的尺寸由外加颗粒法的几到几十微米降低到50-500纳米,突破外加颗粒法生产的铝基复合材料塑性低、加工难等应用瓶颈,同时复合材料具有高刚度、高强度、高抗疲劳、低膨胀、高阻尼、耐高温等等合金不具备的优越性能。

 

纳米陶瓷铝基复合材料在提高复合材料综合性能的同时,既保持了铝合金易成形、易加工的特性,又具备了复合材料高刚度、高强度、高抗疲劳、低膨胀、高阻尼、耐高温等特性。纳米陶瓷颗粒引入到铸造系铝合金,能够实现大型、复杂、薄壁构件的铸造成形;引入到变形系铝合金,能够进行挤压、锻造、轧制、拉拔等处理。因此具备较高的工业推广价值。

 

“第三大金属”—— 

 

从20世纪50年代开始,新一代航空航天飞行器向高速化、大型化、结构复杂化以及提高燃油效率等方向的跨越式发展,要求在结构材料的设计中采用综合性能更高的轻金属材料。钛合金作为近几十年发展的新型轻金属材料(密度约为铜的50%,低碳钢的57%),具有高强高模、高损伤容限、耐高温、耐腐蚀性等优良的综合性能,因此在航空航天领域中得到了迅速的发展,并逐渐向其他领域延伸,在超导材料、形状记忆材料、吸气储氢材料等领域中引起人们越来越多的关注,钛继铁、铝后逐渐成为人类使用量越来越大的的第三大金属。

 

钛合金分类多样,应用领域广泛。根据性能及用途,钛合金又分为耐蚀钛合金、耐热钛合金、高强度钛合金、低温钛合金、粉末钛合金、功能钛合金等。钛合金广泛应用于航空、军工、化工、电力、医疗、建筑、海洋工程及体育休闲等领域,汽车轻量化趋势更是利好钛合金类高比强度的轻质材料。从下游消费结构来看,化工领域和航空航天领域的钛材用量合计占比超过60%。我国航空航天对钛材需求同比增幅超过40%,发展空间广阔,未来有望成为最大的应用领域。

 

航空用钛主要用在飞机机体和航空发动机,即用于飞机结构的高强钛合金和损伤容限型钛合金,用于发动机的高温钛合金和阻燃钛合金。从历史上的民用飞机发展来看,钛用量占比一直在逐步提高,随着民用航空工业的发展,钛将拥有越来越大的市场空间。

号称“全钛飞机”的SR-71侦察机

 

波音公司预测,到2035年,全球新增民机数量为39620架,我国新增民机数量为6330架。空客和波音每架飞机平均用钛分别为27.5吨和33.7吨,平均用钛量约为30吨/架。照此计算,全球新增民机航钛需求为119万吨,年均为5.9万吨;我国新增民机航钛需求接近19万吨,年均需求近万吨。

 

作为国内钛材龙头企业,航空钛材的探索者,宝鸡钛业股份有限公司主营钛及钛合金板、带、箔、管、棒、线、锻件、铸件等加工材和各种金属复合材产品,主导产品钛材年产量位居世界同类企业前列,高端钛材领域优势地位难以撼动。自C919大飞机项目启动以来,宝钛股份已先后承担了国家Ti-3Al-2.5V(TA18)管材、热处理的Ti-6Al-4VEIL厚板、处理的Ti-6Al-4V合金型材、TB5板材工程化研制四个DK型号用材料研制任务。在C919中,钛合金的应用比例为9.3%,约每架3.92吨,主要用在机身蒙皮、机身机翼等各处力接头、机翼滑轨、液压燃油高压管路系统等处。

为什么要造大飞机而不直接购买?

 

据俄罗斯卫星通讯社2月18日报道,在日前正在举办的阿布扎比国际防务展上,俄罗斯国家技术集团总裁切梅佐夫在媒体面前表示,由俄罗斯伊尔库特集团研发的双发中短途干线客机MC-21重要材料遭到美国的禁运,因此宣布将推迟一年下线,预计将于2020年交付使用。

据悉,MC-21被美禁运的重要材料,就是用于机翼与垂尾的碳纤维复合材料,作为当今世界上一种重量轻且耐高温耐磨的新型材料,是新型军机与客机都会采用的一种材料,但目前美日垄断了碳纤维复合材料的大部分市场,俄罗斯也只能受制于人,正当俄罗斯拟将向伊朗出售MC-21之际,美国一纸禁令一下,限制了对俄的碳纤维复合材料的出口。

 

对于俄罗斯大飞机MC-21遭遇美日联手设卡的事件,无疑也给我国提了一个醒,以往的民航领域,中国一直处于受制于人的阶段。虽然如今即将打破垄断,拥有属于自己的国产大飞机C919,但为防止重蹈MC-21的覆辙,我们需要具备完全国产化的能力。而就在今年年初,我方就完成C919起落架关键锻件的100%国产化,由中国二重万航公司承建,无疑是向C919的全面国产化迈出了重要一步。

 

为什么要造大飞机而不直接购买呢?首先,航空工业的战略地位自不必说,我国20世纪60年代,曾经在“两弹一星”还是“两弹一机”中做出过艰难的抉择,“一机”就是指航空发动机,光是发动机一项,就足以就足以和核武器以及卫星相提并论,可见大飞机的意义非同一般。

C919的CFM56发动机

 

第二,从经济方面来考虑,以前我们需要用8亿件衬衫来换一架空客A380。8亿件衬衫消耗的资源要比1架 A380多得多。如果用产品单位价值来衡量,船舶单位质量创造的价值是1,小汽车是9,电子计算机是300,喷气式客机是800,航空发动机是1400,足见航空产业超高的资源集约性。

 

除了此之外,民用大飞机的研制,也会为相关制造业提供无数个“助攻”,辐射带动作用不言而喻。1架150座飞机构造,需要300万—500万个零部件,涉及到成千上万家企业的产品,所影响的产业链包括能源、生产加工、制造集成、信息技术、物流、金融等,覆盖几乎所有的工业门类。采用的新技术、新材料、新工艺无疑会带动电子工业、数控机床、锻件制造、冶金、仪器仪表等领域实现产业升级。波音公司的研究表明,民用飞机销售额每增长1%,对国民经济的增长拉动就达到了0.714%。

当年的中国高铁,从进口零部件组装起步,然后通过消化吸收再创新,不断地扩大自主范围,最终实现了完全国产,并建立了一套“中国高铁标准”。ARJ21作为C919的“前辈”,是引进国外的成熟零部件进行组装的。而C919研制伊始,就开始与国外厂商进行合作,进行本地化生产和改进研究,成为我国向干线民航客机市场进发的先锋。相信在不久的将来,国产大飞机就能够实现100%的国产化。没有什么能够阻挡我们,没有什么能够阻挡中国大飞机事业的腾飞。​​​​


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    • 引用 Flignee 2020-6-11 20:29
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本文作者2019-3-4 15:02
镁途
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先进镁合金材料及其在航空航天领域中的应用发布时间:2019-03-04

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