鋁合金憑借密度小、強(qiáng)度適中、易加工成形、耐腐蝕性強(qiáng)，資源豐富、可回收性強(qiáng)等獨(dú)特的優(yōu)勢，自1903年人類首次憑借動力裝置飛天以來，航空工業(yè)的發(fā)展就與鋁合金材料的應(yīng)用結(jié)下了不解之緣。盡管近年來以碳纖維增強(qiáng)塑料為代表的復(fù)合材料在飛機(jī)上的比例有所上升，但性價比高的鋁合金仍占有絕對優(yōu)勢，仍是航空器制造的主要關(guān)鍵性結(jié)構(gòu)材料。在中國擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的支線客機(jī)ARJ21-700與C919大型客機(jī)的用材中，鋁合金零部件的質(zhì)量占到飛機(jī)總質(zhì)量的68%~75%。從發(fā)展歷史來看，鋁合金材料與航空工業(yè)一直都是相輔相成的，二者升級換代相互促進(jìn)。新型鋁合金的誕生造就了新一代飛機(jī)制造，更高性能的飛機(jī)又促進(jìn)的新一代鋁合金的研發(fā)與應(yīng)用。就民用飛機(jī)的發(fā)展而言，上世紀(jì)50年代與波音707相適應(yīng)的是高強(qiáng)度變形鋁合金，而與目前空客A380飛機(jī)相對應(yīng)的則是7085鋁鋰合金。從全球鋁加工產(chǎn)業(yè)和航空工業(yè)來看，變形鋁合金應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)成熟，目前，新型飛機(jī)材料的需求，更主要體現(xiàn)在綜合性能更加優(yōu)良的鋁鋰合金上。
       航空民機(jī)用鋁鋰合金的發(fā)展
       鋁鋰合金是美國鋁業(yè)公司在1983年新研發(fā)推出的航空7085鋁合金，于2002年在美國鋁業(yè)協(xié)會注冊，用于生產(chǎn)102~178毫米航空器厚板。鋁鋰合金是一種前所未有的超純7xxx系合金。鋰具有很大的化學(xué)活性，因此，鋁鋰合金必須在真空爐內(nèi)熔煉，熔體也必須在有保護(hù)氣氛條件下進(jìn)行鑄造，熔鑄工藝是生產(chǎn)鋁鋰合金最為關(guān)鍵的技術(shù)。鋰既能降低鋁的密度又能提高彈性模量。向鋁金屬中每添加1%的鋰，鋁合金的密度就下降約3%，而其彈性模量則會上升約6%，從而成為復(fù)合材料(碳纖維增強(qiáng)塑料)強(qiáng)有力的競爭產(chǎn)品。據(jù)波音飛機(jī)公司測試，采用鋁鋰合金制造波音飛機(jī)，其重量可以減輕14.6%，燃料節(jié)省5.4%，飛機(jī)制造成本可下降2.1%，每架飛機(jī)每年的飛行費(fèi)用可降低2.2%。由于鋁鋰合金的成本大約只是復(fù)合材料(碳纖維增強(qiáng)塑料)的10%，因而在應(yīng)用上具有明顯的比較優(yōu)勢。2009年，鋁鋰合金被納入美國航天材料標(biāo)準(zhǔn)，目前，第三代鋁鋰合金已實現(xiàn)規(guī)模化工業(yè)生產(chǎn)，第四代鋁鋰合金研發(fā)已有了新成果。在新型飛機(jī)設(shè)計制造中，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%，已成為新一代航空器的關(guān)鍵性結(jié)構(gòu)材料。
       航空鋁合金新的焦點是先進(jìn)鋁鋰合金的研發(fā)與應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計，美國鋁業(yè)公司是全球鋁鋰合金產(chǎn)能、產(chǎn)量最大的生產(chǎn)企業(yè)，約占全球的55%，俄羅斯聯(lián)合鋁業(yè)公司約占25%，其他企業(yè)合計約占20%。目前，全球主要已有7個工廠能生產(chǎn)鋁鋰合金軋制材，11個工廠能生產(chǎn)鋁鋰合金擠壓材，9個工廠可鍛制鋁鋰合金自由鍛件與模鍛件，其中包括我國的西南鋁業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司。
       盡管美國鋁業(yè)公司鋁鋰合金產(chǎn)量居全球首位，但仍在對鋁鋰合金進(jìn)行擴(kuò)能。如美國鋁業(yè)公司在拉斐特建立了世界產(chǎn)能最大的鋁鋰合金生產(chǎn)工廠，將生產(chǎn)的第三代鋁鋰合金部件提供給空客A380、A350、波音787等飛機(jī)制造商。
       2013年中期，美國鋁業(yè)公司完成了位于英國基茨格林工廠鋁鋰合金產(chǎn)能的擴(kuò)張;對達(dá)文波特軋制廠的鋁鋰合金板生產(chǎn)線進(jìn)行了改擴(kuò)建;對印度安納州拉斐特擠壓——鍛造廠的鋁鋰合金生產(chǎn)線進(jìn)行了擴(kuò)建。根據(jù)2013年末統(tǒng)計數(shù)據(jù)，美國鋁鋰合金生產(chǎn)能力約10萬噸/年，其中美國鋁業(yè)公司生產(chǎn)能力達(dá)到約5.5萬噸/年，美國鋁業(yè)公司鋁鋰合金產(chǎn)能占到全國的55%。
       自從鋁鋰合金誕生后，該合金一直處于細(xì)化升級過程中，質(zhì)量更輕、強(qiáng)度更高、成本更低的新一代鋁鋰合金不斷被研發(fā)出來，如美國鋁業(yè)公司的第三代鋁鋰合金已實現(xiàn)規(guī)模化工業(yè)生產(chǎn)。美國肯聯(lián)鋁業(yè)公司的法國沃雷普研發(fā)中心用了10年的時間，研發(fā)出一種名為“AIRWARE”新型鋁鋰合金，是應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域一種具有革命性的鋁合金新材料。它將鋁與鋰、銅、銀等其他金屬融合，從而獲得這種新合金。
       據(jù)了解，AIRWARE可為飛機(jī)制造帶來四大優(yōu)勢：一是比傳統(tǒng)鋁合金材質(zhì)輕25%，因此，能夠優(yōu)化結(jié)構(gòu)部件的設(shè)計，并減少二氧化碳的排放;二是其卓越的抗腐蝕和抗金屬疲勞特性，可將較大的維護(hù)間隔時間延長至12年;三是可實現(xiàn)100%的循環(huán)再生利用;四是可用于制造航空器的全部零部件。目前，AIRWARE在新一代飛機(jī)制造中已得到應(yīng)用，空中客車公司將其應(yīng)用于其寬體客機(jī)A350-XWB;龐巴迪公司將其應(yīng)用于窄體飛機(jī)C系列。為滿足航空市場對新型鋁鋰合金日益增長需求，肯聯(lián)鋁業(yè)公司正在法國伊蘇瓦爾軋制廠新建兩條鋁鋰合金熔煉鑄造生產(chǎn)線，專業(yè)生產(chǎn)AIRWARE 鋁鋰合金，預(yù)計在建的兩條生產(chǎn)線將于2016年前投產(chǎn)。
       在中國，為滿足國產(chǎn)飛機(jī)對鋁鋰合金的需求，我國鋁加工企業(yè)在上世紀(jì)60年代就開始對鋁鋰合金進(jìn)行跟蹤性研究，仿制的鋁鋰合金有兩種：一是8090合金(1984年歐洲鋁業(yè)協(xié)會發(fā)明的合金);另一種是2091合金(1985年法國發(fā)明的合金)。兩種國產(chǎn)鋁鋰合金的各項性能已達(dá)到了國外水準(zhǔn)。2000年，西南鋁從俄羅斯莫斯科輕金屬研究院引進(jìn)鋁鋰合金真空熔煉爐及鑄造設(shè)備，中國可小批量生產(chǎn)鋁鋰合金板材、型材與鍛件。2012年1月，西南鋁成功試制了用于國產(chǎn)大飛機(jī)項目專用的第三代鋁鋰合金。
       目前，我國已基本掌握了航空鋁鋰合金的熔煉技術(shù)，如鋁鋰合金大扁錠與鋁鋰合金圓錠的鑄造技術(shù)，但在鋁鋰合金基礎(chǔ)研究與合金生產(chǎn)實踐方面，與俄羅斯、美國應(yīng)存在20~30年的較大差距。主要表現(xiàn)在：一是創(chuàng)新能力與技術(shù)開發(fā)能力較為薄弱;二是生產(chǎn)能力小，當(dāng)前僅有西南鋁能夠生產(chǎn)鋁鋰合金，年產(chǎn)量還很少。
       中國大飛機(jī)制造及鋁合金材料應(yīng)用
       在我國，大飛機(jī)的制造需求，正在強(qiáng)勁拉動鋁合金材料尤其是鋁鋰合金材料需求。中國大飛機(jī)C919型客機(jī)機(jī)身等直段部，包括前段客艙、前貨艙和再循環(huán)風(fēng)扇艙，是由蒙皮、客艙舷窗、客艙地板和承力部件等構(gòu)成的筒狀結(jié)構(gòu)部段。據(jù)了解，C919機(jī)身等直段部位于大客機(jī)機(jī)身前部，是寬度相等的筒狀結(jié)構(gòu)部段，全長7.45米、寬4.2米、高4.2米，采用了先進(jìn)的第三代鋁鋰合金板，這是中國國內(nèi)民用飛機(jī)首次采用鋁鋰合金制造的部段。
       2014年9月，C919大型客機(jī)中機(jī)身和副翼部件交付，首次交付的中機(jī)身和外翼翼盒大部件全長5.99米，寬3.96米，由中機(jī)身筒段、龍骨梁、中央翼、應(yīng)急門組成，該部段包含零件8200多個，涉及工裝3400多項，大量采用了第三代鋁鋰合金和高損傷容限鋁合金材料。
       目前，C919大型客機(jī)已經(jīng)獲得國內(nèi)外20多家航空公司507架的訂單，ARJ21-700也有278架訂單。根據(jù)計劃，到2018年，ARJ21支線客機(jī)、C919大飛機(jī)所用30%以上的鋁合金材料將采用國產(chǎn)鋁材。中國大飛機(jī)對鋁合金材料的需求增加了中國鋁加工企業(yè)航空民機(jī)鋁合金研發(fā)和規(guī)模化生產(chǎn)的緊迫感。
       目前，應(yīng)用在航空民機(jī)的鋁合金材料主要有：鋁合金鑄件、鋁合金鍛件、大斷面鋁合金擠壓型材、鋁合金厚板和鋁鋰合金等。中國鋁加工業(yè)經(jīng)過60多年的發(fā)展，已成為國際公認(rèn)的鋁材生產(chǎn)大國，目前，無論是鋁合金熔煉設(shè)備、軋制設(shè)備、還是鋁合金擠壓設(shè)備以及精整設(shè)備，現(xiàn)代化的一流鋁加工設(shè)備之?dāng)?shù)量對全球各國而言應(yīng)該是最多的，但由于研發(fā)資金投入少、基礎(chǔ)研究薄弱、現(xiàn)代化一流設(shè)備只能大量生產(chǎn)性能不是很高的鋁材，像航空航天工業(yè)所用的高端鋁材還是我們的短板。
       我國自1956年有了現(xiàn)代化的鋁加工業(yè)以來，所需航空鋁合金厚板一直處于凈進(jìn)口狀態(tài)。在初期國產(chǎn)的ARJ21-700支線客機(jī)與大型客機(jī)C919的材料中，鋁材及鋁合金鍛件都是從美國鋁業(yè)公司進(jìn)口或是由其設(shè)在中國的獨(dú)資企業(yè)提供的。當(dāng)今航空工業(yè)需求旺盛的鋁鋰合金，我國仍基本處于跟蹤仿制研發(fā)階段，實現(xiàn)規(guī)模化商業(yè)生產(chǎn)還有很多難題去攻克，還有很長的路徑去實踐。
       我國航空民機(jī)尤其是國產(chǎn)C919、ARJ21大飛機(jī)的快速發(fā)展已是不爭的事實。時不我待，航空鋁材發(fā)展任重而道遠(yuǎn)!我國鋁加工行業(yè)擁有世界上頂尖的現(xiàn)代化鋁加工技術(shù)裝備，只要利用好現(xiàn)代化鋁加工裝備優(yōu)勢，與國外先進(jìn)國家的同行開展技術(shù)合作，吸收他們的工作經(jīng)驗和研發(fā)成果，就一定能夠?qū)崿F(xiàn)“彎道超車”。