1.1.材料與飛機(jī)相互推動(dòng)，不斷發(fā)展“一代飛機(jī)、一代材料”，材料與飛機(jī)一直在相互推動(dòng)下不斷發(fā)展。首先，先進(jìn) 材料的應(yīng)用是航空技術(shù)發(fā)展和進(jìn)步的最重要推動(dòng)力之一。航空材料是航空產(chǎn)品的技術(shù) 性能、生存能力、延長(zhǎng)壽命和提高經(jīng)濟(jì)可承受能力的基礎(chǔ)，屬于優(yōu)先發(fā)展、重點(diǎn)突破 的關(guān)鍵技術(shù)。成本方面，材料是飛機(jī)制造的物質(zhì)基礎(chǔ)，一定程度上決定了飛機(jī)機(jī)體結(jié) 構(gòu)的制造成本。供應(yīng)鏈方面，材料是商用飛機(jī)“供應(yīng)鏈保障”上的一個(gè)重要環(huán)節(jié)?？?以說(shuō)，航空材料的發(fā)展對(duì)航空技術(shù)起到強(qiáng)有力的支撐和保障作用；反過(guò)來(lái)，航空技術(shù) 的發(fā)展需求又極大地引領(lǐng)和促進(jìn)航空材料的發(fā)展。民用飛機(jī)的材料發(fā)展經(jīng)歷了五次跨時(shí)代的發(fā)展。由于工業(yè)水平有限，以萊特兄弟為代表的第一代飛機(jī)采用木制的梁條、翼肋、機(jī)翼包裹帆布，利用鋼索固定維持 機(jī)身的剛度，例如第一次世界大戰(zhàn)的絕大部分飛機(jī)。隨著工業(yè)發(fā)展及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法認(rèn) 知，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)僅以材料靜強(qiáng)度試驗(yàn)為準(zhǔn)則，第二代飛機(jī)采用鋁合金、鋼材等作為主 結(jié)構(gòu)。為了減輕機(jī)體重量并提升飛機(jī)性能，第三代飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)除了鋁合金、鋼材 等材料外，新增了鈦合金；而第四代飛機(jī)機(jī)體主結(jié)構(gòu)采用了輕質(zhì)鋁合金、鈦合金作 為主承力材料，非主承力結(jié)構(gòu)上選取少量的復(fù)合材料；第五代飛機(jī)采用了更為先進(jìn) 的復(fù)合材料、鈦合金及部分鋁合金。
從國(guó)外大型客機(jī)材料應(yīng)用的具體情況來(lái)看，傳統(tǒng)的鋁合金及結(jié)構(gòu)鋼在飛機(jī)上的 用量逐漸減少，而復(fù)合材料和鈦合金的占比快速提升。根據(jù)《一代材料技術(shù)，一代 大型飛機(jī)》，從波音 787 開(kāi)始，50%用量的復(fù)合材料成為未來(lái)飛機(jī)的起點(diǎn)，繼波音 787 之后，空客 A350 改進(jìn)型(A350XWB)的復(fù)合材料用量從原來(lái)的 37%提高至 52%。同時(shí)， 鈦合金用量與日俱增，一方面是因?yàn)樗跍p輕結(jié)構(gòu)重量上的優(yōu)勢(shì)，另一方面則是因?yàn)?鈦與碳纖維復(fù)合材料的電極電位相近，鈦合金又成為復(fù)合材料惟一的連接材料。飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料總體發(fā)展趨勢(shì)是輕質(zhì)化、高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、低成本。隨著航空航天產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)飛行器重量、性能、能源消耗等要求地不斷提高，對(duì) 材料也提出了更嚴(yán)格的要求。其中，降低重量是最首要的目標(biāo)。根據(jù)《航空航天材料 發(fā)展現(xiàn)狀及前景》，小型民機(jī)的結(jié)構(gòu)重量每減 1磅所獲得的直接經(jīng)濟(jì)效益為 50 萬(wàn)美元 /磅，而對(duì)戰(zhàn)斗機(jī)來(lái)說(shuō)，這個(gè)數(shù)值是 400 萬(wàn)美元/磅，商用運(yùn)輸機(jī)為 800 萬(wàn)美元/磅。1.2.商用飛機(jī)材料要求高，C919 選材兼具成熟性和先進(jìn)性商用飛機(jī)選材猶為嚴(yán)苛?？傮w而言，客機(jī)對(duì)材質(zhì)的要求比軍機(jī)對(duì)材質(zhì)的要求更為苛刻，大型客機(jī)對(duì)材質(zhì)的要求又比中小型客機(jī)對(duì)材質(zhì)的要求高。在商用飛機(jī)發(fā)展目 標(biāo)圍繞“更安全、更經(jīng)濟(jì)、更舒適、更環(huán)保”開(kāi)展設(shè)計(jì)，提出了“減重、減阻、減排” 的目標(biāo)設(shè)計(jì)。對(duì)材料而言，也提出了“輕量化、高可靠、長(zhǎng)壽命、高效能、綠色環(huán)保， 飛機(jī)材料需要滿(mǎn)足“性能優(yōu)先原則”、“先進(jìn)性原則”、“成熟型原則”、“經(jīng)濟(jì)性原則” 和“環(huán)保性”原則五大原則。同時(shí)，綜合考慮各方面需求，大飛機(jī)的材料也要滿(mǎn)足適航當(dāng)局、飛機(jī)設(shè)計(jì)制造商、航空公司等三方面的要求。
中國(guó)商飛已具備基本的選材能力，C919 選材兼具成熟性和先進(jìn)性。中國(guó)商飛已 經(jīng)基本建立起“在理解自己產(chǎn)品需求的基礎(chǔ)上科學(xué)評(píng)價(jià)材料可用性”的技術(shù)能力。已經(jīng)基本具有工程設(shè)計(jì)中材料選用權(quán)、材料及供應(yīng)商的合格鑒定權(quán)、采購(gòu)過(guò)程中的選擇 權(quán)。商飛為 ARJ21 和 C919 兩款飛機(jī)共計(jì)選用金屬材料 100 種、非金屬材料 200 余種、 標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)千規(guī)格。同時(shí)，選材中體現(xiàn)了成熟性和先進(jìn)性的結(jié)合，以 C919 大型客機(jī)為 例，在中央翼、機(jī)翼、機(jī)身等主承力部段上使用了經(jīng) ARJ21 飛機(jī)成功驗(yàn)證的鋁合金等 成熟材料，在尾翼、后機(jī)身和襟縫翼上使用了復(fù)合材料，特別是在尾翼盒段和后機(jī)身 前段上使用了國(guó)外先進(jìn)的第三代中模高強(qiáng)碳纖維復(fù)合材料，在機(jī)身蒙皮和長(zhǎng)桁結(jié)構(gòu)中 使用了第三代鋁鋰合金。2.鋁合金
2.1.鋁合金目前占據(jù)航空材料的主導(dǎo)地位鋁材是民機(jī)制造最重要的關(guān)鍵材料之一，也是應(yīng)用最為廣泛的材料。鋁合金是 混合型金屬，包括銅、鋅、錳等多種金屬元素。一方面，鋁合金的密度小，其密度大 約是鐵密度的三分之一，由于鋁合金中含有豐富的混合金屬元素，熔點(diǎn)在 60 攝氏度 左右，可塑性較強(qiáng)，同時(shí)也兼有銅、錳等多種金屬抗腐蝕性的特點(diǎn)，因此在航空領(lǐng)域 得到廣泛應(yīng)用。C919 前機(jī)身、中機(jī)身、中后機(jī)身、機(jī)頭與機(jī)翼結(jié)構(gòu)件幾乎全是用鋁材制造的， 鋁材占全機(jī)結(jié)構(gòu)總重的比例為 65%。上述主要零部件是用當(dāng)今高端傳統(tǒng) 2xxx 系與 7xxx 系鋁合金制造的，一些重要結(jié)構(gòu)件則是用鋁-鋰制造的，一些次要的零部件與功能零件，如空調(diào)系統(tǒng)、油路管、行李架、衛(wèi)生設(shè)施等則是用其他鋁合金制造的。C919 飛機(jī)是由一百多萬(wàn)個(gè)零部件連接組裝而成，鋁合金零件的連接與其他零件的連接如發(fā) 動(dòng)機(jī)與機(jī)翼的連接，在飛機(jī)的制造中起著非常重要的作用。C919 大飛機(jī)所使用的鋁材檔次是最高的，符合它的要求的鋁合金材料在其他航 空器上也都可以使用。按生產(chǎn)工藝難度與價(jià)格高低可以將 C919 使用鋁材分為如下的 幾類(lèi)：1）常用傳統(tǒng)鋁合金材料：7075-T62、7075-T73、7075-T73511、2024-T42、 2024-T3511、2024-T3 等；2）7050-T77 型與 7055-T77 合金；3）近代發(fā)展起來(lái)的鋁鋰合金：2196、2198、2099 等。第一類(lèi)材料，我國(guó)已解決了“有無(wú)問(wèn)題”，但競(jìng)爭(zhēng)力 問(wèn)題尚未解決。因?yàn)椴牧系慕?jīng)濟(jì)性是飛機(jī)公司選材的重要原則之一，國(guó)產(chǎn)鋁材必須各 項(xiàng)性能指標(biāo)務(wù)必全面達(dá)到或超過(guò)制造原型取證機(jī)用的進(jìn)口鋁材的，以全面替代進(jìn)口產(chǎn) 品，同時(shí)價(jià)格合理，才具備國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力；第二類(lèi)材料仍需解決供應(yīng)問(wèn)題；第三類(lèi) 材料仍與國(guó)外有較大差距，研制一代新飛機(jī)所需要的全部新型鋁材，即使在工業(yè)發(fā)達(dá) 國(guó)家也需要六七年的時(shí)間。C919 鋁合金或即將實(shí)現(xiàn) 100%國(guó)產(chǎn)化，帶動(dòng) 90000t 高端鋁材市場(chǎng)。根據(jù)《鋁材力 推三大“國(guó)之重器”遨游藍(lán)天》，C919 原型機(jī)出于獲取適航取證的需要，鋁材均使用 進(jìn)口材料，從第二架飛機(jī)開(kāi)始，國(guó)產(chǎn)鋁材的用量逐漸增加，2022 年 C919 的鋁材（不 包括鋁鋰合金）國(guó)產(chǎn)化率可望達(dá)到 100%。根據(jù)《鋁合金在中國(guó)民用航空器上的應(yīng)用》， 假設(shè)未來(lái) 20 年可制造 1200 架 C919，每架的投鋁量按 75t 匡算，需采購(gòu)鋁材、鑄件、 鍛件總計(jì) 90000t，每年平均 4500t/a，若鑄件按 15%計(jì)算，則鋁材及鍛件的采購(gòu)量為 3825t/a。
制造 C919 大飛機(jī)所需的國(guó)產(chǎn)鋁材，主要由中國(guó)鋁業(yè)集團(tuán)有限公司提供的。例如 其下屬的西南鋁業(yè)繼為 C919 飛機(jī)提供了 30 個(gè)規(guī)格、600 余件鋁合金鍛件外，2017 年 11 月又試制成功旅客觀(guān)察窗窗框和起落架輪轂精密模鍛件。這些模鍛件具有高強(qiáng)度、 高韌性、抗疲勞性強(qiáng)與抗腐蝕性高的特點(diǎn)，是飛機(jī)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，主要用在機(jī)翼、機(jī) 翼活動(dòng)面、機(jī)身中央翼、起落架等部位。2018 年，西南鋁業(yè) 7050 鋁合金厚板通過(guò)適 航鑒定，獲得中國(guó)商飛授權(quán)，進(jìn)入 C919 飛機(jī)合格產(chǎn)品目錄，打破國(guó)外技術(shù)壟斷。此 外，南山鋁業(yè)也已具備民機(jī)關(guān)鍵鋁材的研制能力，其板材、型材相關(guān) 5 項(xiàng)產(chǎn)品已列入 C919 飛機(jī)合格產(chǎn)品目錄。2.2.鋁鋰合金是航空航天最理想的結(jié)構(gòu)材料2.2.1.鋁鋰合金性能優(yōu)越，在航空航天領(lǐng)域得到良好應(yīng)用鋁鋰合金性能優(yōu)越，是當(dāng)前最具競(jìng)爭(zhēng)力的先進(jìn)材料。降低合金質(zhì)量最簡(jiǎn)單的方 法就是向其中添加輕原子量元素，以減小合金的密度。鋰是世界上目前為止發(fā)現(xiàn)的最 輕金屬元素，鋰在鋁中的最大溶解度為 4.2%。前期研究發(fā)現(xiàn)向鋁合金基體中每添加 1% 的 Li，可降低該合金密度 3%，彈性模量上升 5%～6%。鋁鋰合金相比于常規(guī)的 2XXX 系 和 7XXX 系高強(qiáng)鋁合金，不僅具有低密度、高彈性模量、高比強(qiáng)度和高比模量的優(yōu)點(diǎn)， 還兼具低的疲勞裂紋擴(kuò)展速率、較好的高溫及低溫性能等特點(diǎn)，相比于復(fù)合材料，在 抗沖擊、塑性和修復(fù)性等方面也具有不可替代的優(yōu)勢(shì)。鋁鋰合金是現(xiàn)代航空航天器材 設(shè)計(jì)中最具競(jìng)爭(zhēng)力的材料之一。鋁鋰合金已在航空航天器材上得到廣泛應(yīng)用。鋁鋰合金已經(jīng)在軍用飛機(jī)、民用 客機(jī)、直升飛機(jī)和航天器上使用，主要用于機(jī)身框架、襟翼翼肋、垂直安定面、整流 罩、進(jìn)氣道唇口、艙門(mén)、燃油箱等。在新型飛機(jī)設(shè)計(jì)制造中，輕質(zhì)和減重在航空領(lǐng)域 常?！翱丝擞?jì)較”，采用鋁鋰合金可使飛機(jī)鋁合金零部件的質(zhì)量減輕 14%～30%，減重 的效果就是每架飛機(jī)每年的飛行費(fèi)用會(huì)下降 2.2%以上，所以鋁鋰合金被認(rèn)為是航空 航天最理想的結(jié)構(gòu)材料。
未來(lái) CR929 對(duì)國(guó)產(chǎn)碳纖維需求量將跨越式增長(zhǎng)。根據(jù)《復(fù)合材料在大飛機(jī)主承力 結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)》，CR929 遠(yuǎn)程雙通道寬體客機(jī)計(jì)劃在機(jī)翼及機(jī)身結(jié)構(gòu)上大 面積使用復(fù)合材料，預(yù)計(jì)使用比例超過(guò) 50%。2018 年底，CR929 寬體客機(jī)復(fù)合材料前 機(jī)身攻關(guān)全尺寸筒段順利總裝下線(xiàn)，該全尺寸筒段長(zhǎng)約 15m，直徑約 6m，環(huán)向壁板分 為 4 塊，由縱縫拼接而成，最大框弧長(zhǎng)約 6m。該筒段的研制突破了壁板 AFP 工藝、全 尺寸級(jí)長(zhǎng)桁制造和裝配等技術(shù)難題，是國(guó)內(nèi)首次采用全復(fù)合材料設(shè)計(jì)理念開(kāi)展的寬體 客機(jī)機(jī)身大部段研制工作。預(yù)計(jì)未來(lái) C919 批量交付和 CR929 研制加快將為碳纖維在 民用航空領(lǐng)域的應(yīng)用提供更大的發(fā)展機(jī)遇。
