劉怡君

一代材料，一代飛機。從世界商用飛機發(fā)展的歷史來看，材料技術(shù)的進(jìn)步對于飛機整體性能的提升有著至關(guān)重要的作用。

40多年前，鋁合金材料在飛機上占絕對主導(dǎo)地位，當(dāng)時這種材料被認(rèn)為是同時兼具輕量化和經(jīng)濟性的先進(jìn)材料。然而，如今最先進(jìn)的商用飛機上鋁合金材料的使用率僅為20%，取而代之的是更加先進(jìn)的其他金屬材料和復(fù)合材料，甚至一些過去被認(rèn)為不切實際的新型材料也已經(jīng)開始在新一代商用飛機上逐漸使用。航空材料當(dāng)仁不讓地成為了商用航空市場的又一片藍(lán)海。

萬億藍(lán)海待角逐

2018年2月，航空航天防務(wù)新聞網(wǎng)發(fā)布了名為《2022年前航空航天材料市場的全球預(yù)測》的市場研究報告。報告顯示，預(yù)計到2022年，全球航空航天材料市場將達(dá)到258億美元，2017年至2022年的年復(fù)合增長率為6.9%。

細(xì)分到航空市場，由于全球航空運輸業(yè)的快速發(fā)展，行業(yè)對于材料的需求也將水漲船高。其中，亞太、北美和歐洲地區(qū)對航空材料的增長最快。

具體來說，復(fù)合材料將有望繼鋁合金材料后，成為使用最廣泛的航空材料。復(fù)合材料是由兩種或多種不同的材料結(jié)合在一起，融合每種組分材料的優(yōu)異性能而形成的。其中一種組分是基體材料，通常為樹脂或陶瓷，另一種組分是增強材料，通常為纖維。由于具備雙重性能，因此復(fù)合材料在減輕重量、提高燃油效率的同時，更容易加工、設(shè)計、成型和修復(fù)。曾經(jīng)被當(dāng)作是輕型結(jié)構(gòu)件或機艙組件材料的復(fù)合材料，現(xiàn)在已經(jīng)開始應(yīng)用于真正的功能部件，如機翼和機身蒙皮、發(fā)動機和起落架部件等。

此外，復(fù)合材料還可以很方便地加工成形狀復(fù)雜的零部件。如果采用金屬材料，可能會需要機加工，并用到一定的連接件。預(yù)成型的復(fù)合材料部件不僅重量輕、強度高，還減少了飛機內(nèi)部的緊固件和連接件數(shù)量，而這些部件的連接處往往也是容易失效的部位。使用復(fù)合材料則避免了上述問題，并可以幫助制造商在可能的情況下，盡量采用一體化部件設(shè)計。

報告同時指出，公務(wù)機市場與民航運輸市場將共同驅(qū)動航空材料市場的增長。這主要是因為亞太、中東等地區(qū)高資產(chǎn)凈值人數(shù)的增加對公務(wù)機或包機出行的需求增長。根據(jù)霍尼韋爾和龐巴迪的市場預(yù)測，到2024年，全球范圍內(nèi)預(yù)計將會增加9300架公務(wù)機，總價值近2700億美元。因此，公務(wù)機交付數(shù)量的增加也將進(jìn)一步推動航空材料市場需求的增長。

從區(qū)域來看，亞太地區(qū)將是航空航天材料市場增長最快的區(qū)域。預(yù)計在未來幾年內(nèi)，該地區(qū)將引領(lǐng)整個行業(yè)的發(fā)展。其中，中國、日本和印度將會在航空航天領(lǐng)域持續(xù)布局，相應(yīng)地，對材料的需求也會更多。目前，日本和印度正分別以原材料獲取的便利性和低廉的勞動力成本，吸引大批投資者建設(shè)生產(chǎn)設(shè)施。

此外，未來幾年亞太地區(qū)對新飛機的需求也將不斷增長，很多航空航天材料供應(yīng)商將積極采用各種策略來提供更好的服務(wù)，如新產(chǎn)品研發(fā)、企業(yè)并購、建立合資企業(yè)和進(jìn)行戰(zhàn)略合作等，以增加其市場份額。

傳統(tǒng)“五朵金花”

航空結(jié)構(gòu)材料通常處于材料領(lǐng)域的最前沿，研發(fā)技術(shù)難度之大使其無愧于材料世界的“天之驕子”。目前，鈦合金、復(fù)合材料、高溫合金、鋁合金和鋼是商用飛機制造中的“五朵金花”。

其中，鈦合金是飛機重要的結(jié)構(gòu)材料，主要用于航空發(fā)動機葉片、葉盤、飛機起落架、機翼梁等重要承力構(gòu)件。在波音707飛機中，鈦合金的用量只有0.2%，而到了波音787項目，鈦合金在機體的用量達(dá)到15%，創(chuàng)下了商用飛機機體鈦合金用量的最高紀(jì)錄。在我國研制的商用飛機中，ARJ21新支線客機的鈦合金用量是4.8%，到了C919大型客機項目，鈦合金的用量達(dá)到了8%左右，與波音777和空客A380的鈦合金用量相當(dāng)。

20世紀(jì)60年代末，高性能碳纖維作為增強纖維實現(xiàn)了初步的商業(yè)化應(yīng)用，于是以連續(xù)碳纖維增強的高性能樹脂基復(fù)合材料應(yīng)運而生。復(fù)合材料在商用航空領(lǐng)域的應(yīng)用，空客A380和波音787是兩個具有里程碑意義的產(chǎn)品。在空客A380飛機上，高性能復(fù)合材料用量達(dá)到了飛機結(jié)構(gòu)用量的25%，而波音787則整體機身段都采用了復(fù)合材料，從而減少了1500個零件和近5萬個連接件，在顯著減輕結(jié)構(gòu)重量的同時，大幅降低了制造、裝配、運營和維護(hù)成本。在我國，隨著商用飛機項目的陸續(xù)啟動，復(fù)合材料在新機型上的使用率也在逐步提高。在ARJ21新支線飛機上，復(fù)合材料的用量僅為1%，但C919大型客機的復(fù)合材料用量為12%。此外，正在研制中的長江1000渦扇發(fā)動機也將采用先進(jìn)的復(fù)合材料。

高溫合金是為了滿足航空發(fā)動機對材料的嚴(yán)苛要求而研制的材料，如今已成為航空發(fā)動機熱端部件不可替代的一類關(guān)鍵材料。在新一代商用航空發(fā)動機中，高溫合金材料的用量達(dá)到40%～60%，主要用于燃燒室、導(dǎo)向葉片、渦輪葉片和渦輪盤這四大熱端零部件。

盡管鋁合金在商用飛機上的用量較幾十年前大幅降低，但是鋁鋰合金的發(fā)展再次提高了鋁合金的競爭力。例如，在空客A380的研制中，7085合金的問世為特大鍛件的應(yīng)用開辟了新路徑。在此之前，由于高強度鋁合金鍛件或厚板的厚度有一定限制，如7055限于38毫米，7150限于120毫米。為了能夠獲得厚度更大的高強鋁合金鍛件或厚板，美國Alcoa公司研制了7085鋁合金，這種材料由于淬透性和熔鑄性好，最大厚度可達(dá)到250毫米。經(jīng)過充分驗證后，使用7085合金制成的特大梁模鍛件成功應(yīng)用于A380飛機。

盡管如今新材料層出不窮，但是鋼是飛機制造中不可或缺的材料。近年來，超高強度鋼300M、Aermet100、S50的先后問世，使鋼的競爭力也在不斷加強。737-300之后推出的所有波音飛機的起落架都選用了300M鋼，而我國自主研制的C919大型客機的起落架活塞桿等關(guān)鍵零部件也選用了300M鋼。

新的“四小花旦”

在新一代復(fù)合材料中，碳纖維、陶瓷基復(fù)合材料和樹脂基復(fù)合材料是研發(fā)的重點。其中，美國航空航天局（NASA）在“革命性航空概念”項目的支持下，正在研究陶瓷基復(fù)合材料和防護(hù)涂層，以替代目前在航空發(fā)動機中應(yīng)用的鎳基高溫合金。此外，日本三菱重工與宇部興產(chǎn)株式會社、標(biāo)盾公司等，也已開始試制陶瓷基復(fù)合材料高壓渦輪葉片。

在高性能金屬結(jié)構(gòu)材料中，輕質(zhì)耐高溫金屬和金屬納米復(fù)合材料是發(fā)展重點。其中，計算材料技術(shù)將在發(fā)動機輕質(zhì)合金材料部件優(yōu)化中發(fā)揮重要作用。美國輕質(zhì)材料制造創(chuàng)新研究所啟動了一個鈦合金和鋁鋰合金項目，旨在通過改進(jìn)計算模型，更好地預(yù)測發(fā)動機材料的性能。其中的鈦合金項目由通用電氣航空集團(tuán)和俄亥俄州立大學(xué)牽頭，鋁鋰合金項目由聯(lián)合技術(shù)研究中心牽頭。

特種功能材料的研發(fā)也在不斷突破極限。其中，高溫陶瓷和超高溫陶瓷材料的耐熱能力不斷打破紀(jì)錄。例如，俄羅斯研制的一種基于碳化硅和二硼化鋯的陶瓷混合物構(gòu)成的多層陶瓷結(jié)構(gòu)材料，預(yù)計最高能承受3000℃的極端溫度的考驗，可用于提高噴氣發(fā)動機燃燒室的溫度。英國研制的碳化鉭和碳化鉿材料組成的化合物熔點可達(dá)到3905℃，未來或可為下一代超聲速飛行器提供熱防護(hù)板。

最后一種是電子信息功能材料，雖然目前這種材料在航天領(lǐng)域的應(yīng)用更多，但是業(yè)界正在研究如何借鑒已有經(jīng)驗，將這種新型材料更多地應(yīng)用于航空領(lǐng)域。日本作為航空材料的研發(fā)強國，已經(jīng)研究出一種透明強磁性納米顆粒薄膜材料，這種材料由納米級磁性金屬顆粒鐵鈷合金和絕緣物質(zhì)氟化鋁混合制成，未來有望用于制造航空器風(fēng)擋玻璃等設(shè)備。這種玻璃可以直接顯示油量、地圖等信息，為包括電、磁及光學(xué)設(shè)備在內(nèi)的產(chǎn)業(yè)帶來革命性的技術(shù)突破。

大飛機的拉動

C919大型客機成功首飛以來，各地對航空產(chǎn)業(yè)的熱情一路高漲，航空材料業(yè)也迎來了新的發(fā)展機遇。

與飛機制造業(yè)類似，我國航空材料業(yè)的發(fā)展也經(jīng)歷了引進(jìn)、仿制、改進(jìn)、改型和自行研制的發(fā)展歷程?？傮w上看，我國目前已定型生產(chǎn)的航空材料（含類別、牌號、品種與規(guī)格）及其相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，基本上能滿足第二代航空產(chǎn)品批生產(chǎn)的需求。針對第三代航空產(chǎn)品所需要的關(guān)鍵材料，如熱強鈦合金、高強鋁合金、超高強度結(jié)構(gòu)鋼不銹鋼、樹脂基復(fù)合材料、單晶與粉末高溫合金等，從技術(shù)上看，已具備試用條件，但要轉(zhuǎn)化為在特定工況下使用的零部件，并體現(xiàn)出第三代航空產(chǎn)品的總體效能還需做大量的工作。

隨著C919大型客機、長江1000商用發(fā)動機項目的啟動，近年來我國材料技術(shù)的發(fā)展也取得了顯著進(jìn)步。在C919項目帶動和牽引下，我國啟動了“國家973計劃”——航空高性能鋁合金材料基礎(chǔ)研究。該項目致力于通過尋求新的鋁合金設(shè)計與制備途徑，解決高綜合性能鋁材發(fā)展的基礎(chǔ)科技難題，滿足C919大型客機研制的需要。

這項計劃的參與者之一中國鋁業(yè)既是C919大型客機主制造商中國商飛公司的股東，也是我國最大的鋁材生產(chǎn)商。近年來，中國鋁業(yè)旗下的西南鋁業(yè)投資20億元建設(shè)了為C919大型客機配套的鋁合金厚板生產(chǎn)線，用于批量生產(chǎn)機翼、尾翼和壁板。這條生產(chǎn)線建成后，西南鋁業(yè)突破了多項關(guān)鍵技術(shù)，使我國成為繼美、日、德、俄之后又一個能夠規(guī)模化生產(chǎn)鋁合金厚板的國家。

在鈦合金研制領(lǐng)域，同樣是中國商飛公司股東之一的寶鋼股份為了C919項目的順利推進(jìn)，進(jìn)行了大量的投資和研發(fā)工作。寶鋼以飛機起落架用材料作為重點研發(fā)方向，圍繞C919項目進(jìn)行了超純凈化冶煉工藝研究、大錠型自耗重熔工藝研究、大尺寸材均質(zhì)化工藝研究等。通過科研人員的不懈努力，如今寶鋼已經(jīng)成功研制出TC4、TC18、TA15等牌號的大型鈦合金棒材和等溫鍛件，并進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)研究階段。

在復(fù)合材料領(lǐng)域，我國也在C919項目的帶動下取得了令人矚目的成就。中航工業(yè)哈飛作為C919大型客機機體結(jié)構(gòu)的主要供應(yīng)商之一，為滿足C919前起落架艙門的制造要求，在產(chǎn)品制造工藝上取得了重大突破。在研制過程中，項目團(tuán)隊通過多次工藝試驗和技術(shù)攻關(guān)，在制造工藝上突破了超厚度（54mm）紙蜂窩預(yù)成型技術(shù)、數(shù)控加工技術(shù)、泡沫和蜂窩拼接技術(shù)。此外，哈飛還與國外先進(jìn)企業(yè)通過聯(lián)合研發(fā)的方式，在大尺寸復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件和垂直尾翼部件生產(chǎn)中，采用自動鋪帶、熱隔膜成型、數(shù)字化裝配生產(chǎn)線等國際先進(jìn)技術(shù)，使我國復(fù)合材料部件的生產(chǎn)水平跨上了新臺階。

在看到成績的同時，我們也要面對這樣一個現(xiàn)實：我國航空材料基礎(chǔ)研究才剛剛起步，與先進(jìn)國家相比還存在很大的差距。而除了民用飛機用的材料之外，我國在民用航空發(fā)動機用材料方面需要補的課更多。與國外相比，我國現(xiàn)有發(fā)動機產(chǎn)品系列不全，適航取證經(jīng)驗缺乏，大涵道比渦扇發(fā)動機研發(fā)剛剛起步，長壽命、高可靠性發(fā)動機材料和制造技術(shù)工程化應(yīng)用研究還是空白。因此，中國航空材料的發(fā)展之路依舊任重道遠(yuǎn)。