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學術干貨│大飛機上的鋁合金簡介

2017-08-30 10:22:23 作者：本網整理來源：材料人網分享至：

1 前言

“大飛機”一般是指起飛總質量超過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展規劃綱要（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，國產大飛機C919成功試飛，這為大飛機加速實現國產化奠定了基礎。

2 國外大型民機采用鋁合金的現狀

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。

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，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

A380飛機機體結構材料，優質鋁合金用量最大，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。

表2 A380飛機主要部位選用材料

3 大飛機用鋁合金發展趨勢

3.1 國外大飛機用鋁合金發展趨勢

傳統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。后來又通過調整合金成分、降低Fe、Si等雜質元素含量、改進生產工藝等手段，Alcoa公司發展出了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，具備相當的性能但不同牌號的鋁合金，有的甚至申請了專利，使鋁合金的發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 國內大飛機用鋁合金發展趨勢

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，主要跟蹤蘇聯的研究。在跟蹤基礎上，通過預研和型號的國產化工作，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略性產業之一，在未來拉動經濟發展上被寄予厚望2011年發布的《新材料產業“十二五”發展規劃》中更是強調要在關鍵新合金品種開發上取得重大突破，基本滿足大飛機、軌道交通、節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生產空白，還為大飛機加速實現國產化奠定了堅實的材料基礎。

國產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。

從以上發展經歷上可以看出，航空鋁合金的發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，降低雜質含量； b）加入微量元素，縮小合金成分范圍； c）開發新的熱處理狀態等渠道。保存原有的優點，改進存在的問題，并使合金更專業化，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）開發新型高性能合金：即為某些特定要求（如溫度、工藝性、環境）而研制開發的鋁合金，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 國產大飛機用鋁合金展望

從我國目前復合材料的研發水平、生產設備和生產能力考慮，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。

4.1 大飛機用材料的要求

與其他行業用鋁材料不同，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。

4.2 國內大飛機用鋁合金存在問題

近幾十年來，我國鋁加工行業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。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。總之，國內的鋁合金研究與國外相比還比較落后。以下是現階段我們急需解決的問題：

1）品種規格不全，質量不穩定

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。且因工程化生產的標準體系不完善、工藝規程執行不嚴格導致質量不穩定。

2）新型鋁合金的研究儲備嚴重不足

尚未系統開展高溫用鋁合金、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，而對于合金生產中的許多問題研究不足。此外，一些新材料的性能數據積累較少，材質也不穩定，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。

4.3 解決方案

中國大飛機的研究開發迫切需要很多具有優良性能材料的開發應用，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。

鋁鋰合金質輕、高強、抗疲勞和低溫韌性好的優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，可以成形出傳統方法難以獲得的質量輕、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點。超塑性成型技術的應用，不僅為鋁合金的開發利用提供了新途徑，而且也是節約能源、降低成本的有效措施。

5 結語

盡管國內已初步形成了航空鋁合金體系，但離國際先進水平還有很大的差距，此差距是多方面的，包括技術的、設備能力的、管理體制的等，大飛機項目的研制是我國綜合經濟實力的表現，是中華民族昌盛的標志。為了進一步發展大飛機，適應國際化、市場化的需求，一方面應進一步開展關鍵技術的攻關工作，為大飛機的發展奠定基礎；另一方面，全國各相關行業都要為大飛機工程項目努力，保證國產大飛機迅速發展。

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責任編輯：殷鵬飛

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