新一代復(fù)合材料將沖擊大型民機鋁材用量

　　據(jù)報道,美國波音飛機公司生產(chǎn)的最一代波音加長版“夢想客機”B787-10型飛機于今年3月31日在美國南卡羅來納州（South Carolina）查爾斯頓國際機場首飛成功，從而拉開了這款高科技飛機的試驗項目的序幕，這是迄今為止全球最新式的大型客機，也是波音公司制造的最大客機。它的機身比787-9型飛機長5.5m，可以搭乘330名乘客，比“夢想客機”大家族B787-9飛機多40人，比B787-8飛機多88人。

　　B787-10飛機是波音公司設(shè)計的，波音公司南卡羅來納州北查爾斯頓飛機廠裝配與總成的，是全世界飛機制造廠的杰作。它的機翼、機身、方向舵的許多零部件和鍛件是日本、中國、意大利、瑞典、法國和英國的企業(yè)生產(chǎn)的，而發(fā)動機則是美國通用電氣公司（GE）與英國羅爾斯-羅伊斯公司（RR）的最新強勁引擎。

　　波音公司的B787型飛機是世界最熱銷的民用機型，迄今的訂購總量已超1200架。不過，787-10型飛機和它的“哥哥們”最大的不一樣是，它是由碳纖維復(fù)合材料制造的，報價3.128億美元，相當(dāng)于約20億元人民幣。據(jù)稱，截至3月底，787-10飛機已收到來自全世界9個客戶的總計149架的訂單。

　　航空鋁材的發(fā)展歷程

　　自從1903年美國人賴特兄弟發(fā)明的世界的首架飛機用了少量鋁以來，鋁材在航空器上的應(yīng)用在逐年增加，直至今天鋁材仍是航空器的主要結(jié)構(gòu)材料。航空器鋁材的發(fā)展大致可分為如下的幾個階段：

　　靜態(tài)強度需求階段（1906年——1959年）

　　這是航空工業(yè)的初創(chuàng)階段，要求合金具有盡可能高的靜態(tài)強度，以降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量和延長航程。在此期間研制出Al-Cu-Mg系的2014-2017合金，稍后又研發(fā)成功2024-T3合金。20世紀(jì)30年代，2024合金在飛機制造中開始得到廣泛應(yīng)用。1944年美國開始采用7075-T6超硬鋁，飛機鋁化率最高達80%，隨后又研制出有更高強度的7178-T6合金，直到20世紀(jì)60年代這些合金都是航空器材料的脊梁。

　　高抗腐蝕合金階段（1960年——1969年）

　　在此階段由于飛機開始應(yīng)用厚大截面結(jié)構(gòu)，機體零部件出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開裂（2024-T4、7075-T6合金短橫向），因此要求鋁材不但有高的靜態(tài)強度，還必須有低的應(yīng)力腐蝕敏感性。為此，研制成功了7075-T73合金，雖然抗應(yīng)力腐蝕開裂能力滿足了要求，但是其抗拉強度Rm卻比T6材料低15%。不久美國鋁業(yè)公司技術(shù)中心研制出7075-T76合金，既有低的應(yīng)力腐蝕開裂敏感性，抗拉強度Rm的下降又較小。7075-T73、7075-T76合金在此階段的飛機中獲得了應(yīng)用。

　　要求綜合性能階段（1970年——1979年）

　　此時飛機設(shè)計進入失效安全階段，要求鋁材有高的韌性。在此背景下美國鋁業(yè)公司率先推出高純的7475合金，1969年在美國鋁業(yè)公司注冊。1971年該公司又研制成功7050-T74合金，它能滿足飛機厚大截面結(jié)構(gòu)對強度和應(yīng)力腐蝕開裂的要求。1976年后，飛機設(shè)計要求飛機機體結(jié)構(gòu)鋁材不但應(yīng)有高的強度還必須有足夠的斷裂韌性和良好的抗疲勞性能。美國鋁業(yè)公司與波音飛機公司聯(lián)合研發(fā)的7150-T6、T61合金（1978年注冊）可滿足這些要求；美國鋁業(yè)公司還研制成功高強度的2324-T39厚板合金（1978年注冊）及2224-T3511擠壓材合金（1978年注冊），它們有高的斷裂韌性和不低于2024-T3合金的抗拉強度Rm。在此期間蘇聯(lián)也研制出一些相應(yīng)的高技術(shù)合金，在軍機制造中獲得全面擴廣。

　　減輕質(zhì)量與可靠性高階段（1980年——1991年）

　　由于20世紀(jì)70年代石油危機沖擊及為提高軍機戰(zhàn)斗力及民機可靠性，對飛機設(shè)計提出了強烈減輕質(zhì)量要求；另外，鈦合金及樹脂基本復(fù)事材料的掘起對鋁合金構(gòu)成嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，大大激發(fā)了對傳統(tǒng)鋁合金的改進挖潛探究與研發(fā)新的鋁合金，興起了對鋁-鋰合金、快速凝固耐熱鋁合金及鋁基復(fù)合材料的研究熱潮?，F(xiàn)在鋁-鋰合金已在航空航天器中獲得較大規(guī)模應(yīng)用，另兩類材料距規(guī)模應(yīng)用還有一些距離。在傳統(tǒng)鋁合金改型方面，美國鋁業(yè)公司研制成功T77狀態(tài)，稍后該公司又開發(fā)出有更高強度的7055-T77合金與更優(yōu)抗疲勞性能的2524-T3合金。這些高性能鋁合金的面世，極大地推動了航空鋁合金的發(fā)展并鞏固了鋁合金在航空器制造中的地位。

　　較大地降低結(jié)構(gòu)制造成本階段（1992年——2015年）

　　飛機機體結(jié)構(gòu)的制造成本約占其總成本的95%，而材料成本大致占總成本的30%，因而降低制造成本成為機體材料研制的重中之重。初期目標(biāo)是在不改變飛機現(xiàn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計基礎(chǔ)上使結(jié)構(gòu)成本下降25%。為此美國鋁業(yè)公司及力拓-加鋁鋁業(yè)公司（2009年剝離交通鋁材板塊組建肯聯(lián)鋁業(yè)公司）都做了大量工作：以整體機加件代替鍛件或由一些零件裝配而成的結(jié)構(gòu)部件，研發(fā)機翼的高溫時效成形的高強度鋁合金的快速超塑成形，開展可焊鋁合金和鋁合金摩擦攪拌技術(shù)的研究，以優(yōu)質(zhì)鑄造鋁合金生產(chǎn)形狀復(fù)雜的精密鑄件，研發(fā)低成本高性能的鋁-鋰、鋁-鈧合金，以及開展鋁基合材料的研究等。至2013年底，這些工作已成就斐然，如力拓-加鋁（肯聯(lián)鋁業(yè)公司）的艾華（Airware）合金及美國鋁業(yè)公司（奧科寧克鋁業(yè)公司）的新一代鋁合金就是典型代表，它們可以滿足2025年以前下線的航空器的需求，現(xiàn)在它們正在研發(fā)能滿足更后年代航家器制造所需的材料。

　　復(fù)合航空材料大發(fā)展期降臨

　　今年3月31日波音飛機公司的B787-10型客機首飛成功，標(biāo)志著全復(fù)合材料飛機時代來啦。筆者在此所指的全復(fù)合材料飛行器是說在當(dāng)前的技術(shù)條件下，凡是可用復(fù)合材料制造的零部件都是復(fù)合材料的。

　　B787-10型飛機雖是用復(fù)合材料打造的，并不是說不用鋁材了，鋁材仍是第二大材料，即使到2030年也會如此，鋁仍是航空器的第一大材料，只不過在有些機型上復(fù)合材料占了主導(dǎo)地位。復(fù)合材料價格高昂，半成品生產(chǎn)工藝復(fù)雜與零部件加工技術(shù)難度大、產(chǎn)品使用中的維修門坎高、服務(wù)期滿報廢件的回收再生技術(shù)繁復(fù)，目前仍是一個尚未打通瓶頸。

　　航空復(fù)合材料主要是制造結(jié)構(gòu)（機翼、機身、方向舵等）零部件的碳纖維增強復(fù)合材料和碳化硅纖維增強的制造新型發(fā)動機零部件的復(fù)合材料，它們都具有質(zhì)量輕和而熱性強、強度高等優(yōu)點。碳纖維增強復(fù)合材料（CFRP）用于制造飛機機體（機翼和機身），歐洲空客（Air Bus）和美國波音公司的最新款大中型飛機的機體已有超過50%的部分使用CFRP。通用電氣公司將把使用碳化硅纖維制造的陶瓷基復(fù)合材料零部件，用于最新型發(fā)動機GE9X的生產(chǎn)。波音公司的一代大型客機777X將配備該款發(fā)動機。截至2017年3月，GE9X接到的訂單數(shù)相當(dāng)于300架飛機的用量。通過使用復(fù)合材料和調(diào)整設(shè)計，GE9X的耗油量可下降10%以上。

　　目前，可生產(chǎn)碳纖維與碳化硅纖維的有日本、德國和美國，日本技術(shù)最先進，產(chǎn)量也最大，日本企業(yè)的產(chǎn)量占總產(chǎn)量的70%以上，主要生產(chǎn)企業(yè)有宇部興產(chǎn)公司、日本碳精電極公司、美國通用電氣公司等，估計全球2016年的總產(chǎn)量還不到20噸，2025年的預(yù)計產(chǎn)量或?qū)⒊^650噸。