学术干货│大飞机上的铝合金简介

1 前言

“大飞机”一般是指起飞总质量超过100 t的运输飞机，包括军用、民用大型运输机，也包括150座以上的干线客机。目前，世界上美国、欧盟和俄罗斯制造大型飞机的能力最强，占领国际市场的是美国的波音飞机和欧洲的空客飞机。

2006年2月9日，国务院颁布《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006年—2020年)》，大型飞机被确定为“未来15年力争取得突破的16个重大科技专项”之一。2017年5月，国产大飞机C919成功试飞，这为大飞机加速实现国产化奠定了基础。

2 国外大型民机采用铝合金的现状

铝合金由于具有密度低、比强度高、耐腐蚀强、易导热导电、塑性和加工性能良好、成本低等一系列优点，在航空方面一直是大飞机机体结构的主要用材。从波音707飞机发展到以波音777和空客A380飞机为代表的新一代飞机，国外大型民机的主体结构材料发生了很大变化，但在目前正在使用的民用客机中，还在大量使用铝合金，甚至还占着主体地位。

2.1 波音777

波音777是美国波音公司九十年代推出的大型民用客机，采用的材料多是80年代末90年代初比较成熟的材料，或90年代商品化的材料。因此，它的选材具有一定的代表性。其主要部位的材料选用见表1。

表1 波音777主要部位用材一览表

2.2 A380飞机

A380飞机机体结构材料，优质铝合金用量最大，占重量的61%，复合材料占25%(22%为CFRP，用量达到32t，3%为首次用于民机的GLARE)，铁和钢占10%，其他4%，A380飞机主要部位的材料选择见表2。

表2 A380飞机主要部位选用材料

3 大飞机用铝合金发展趋势

3.1 国外大飞机用铝合金发展趋势

传统的大飞机结构用铝合金主要是高强度的2×××系(2024、2224、2324、2424、2524等)和超高强度的7×××系(7075、7475、7050、7150、7055、7085等)。20世纪80年代后，虽然出现了铝理合金、快速凝固铝合金、复合材料等新材料的竞争，但是传统的2×××系和7×××系铝合金仍显示出了强大的生命力。首先是7150-T77热处理工艺的成功，第一次在铝合金中实现了既满足腐蚀性能的要求，又同时不牺牲合金的强度。后来又通过调整合金成分、降低Fe、Si等杂质元素含量、改进生产工艺等手段，Alcoa公司发展出了7055-T77超高强度板材和2524-T3超高疲劳强度板材。7055-T77合金的强度比7075-T651高25%，比7150-T77高8~12%，而断裂韧性和抗应力腐蚀性能与7050-T61相当。2524-T3包铝板的断裂韧性、抗疲劳性能均高于2024-T3包铝板30%以上，被认为是目前最理想的飞机蒙皮用材料。

进入21世纪，世界各大铝厂为了具备航空铝材市场的竞争力，分别推出了适用于相同部位，具备相当的性能但不同牌号的铝合金，有的甚至申请了专利，使铝合金的发展变得无序化和垄断化。目前各铝厂推荐的新型铝合金航空材料见表3。

表3 国际各大铝厂推出的新型铝合金

3.2 国内大飞机用铝合金发展趋势

我国在飞机用铝合金的研究和应用基本上属跟踪型。在1980年以前，主要跟踪苏联的研究。在跟踪基础上，通过预研和型号的国产化工作，初步形成了我国的飞机用铝合金系列，主要有硬铝合金、超硬铝合金和锻铝合金。进入20世纪90年代后，我国开展了对美、俄等国一些高性能铝合金的跟踪研究工作，并进行了相应的应用研究，先后开展的项目有2224-T3510(型材)，2324-T39(厚板)，7175-T74(锻件)，7055-T77(锻件)等合金。但都没有形成在民机上工程化应用的地步。

2010年，新材料作为七大新兴战略性产业之一，在未来拉动经济发展上被寄予厚望2011年发布的《新材料产业“十二五”发展规划》中更是强调要在关键新合金品种开发上取得重大突破，基本满足大飞机、轨道交通、节能与新能源汽车等需求。2012年1月，西南铝宣布成功试制了用于大飞机项目专用的第三代新型铝锂合金，该项目不仅填补了国内生产空白，还为大飞机加速实现国产化奠定了坚实的材料基础。

国产C919的供应商虽然来自全球，但是需要什么样的零部件，对其有怎样的技术要求，是由中国商飞决定的。机体中铝合金材料约占材料总重量的70%，复合材料的使用量约占C919飞机结构重量的12%。C919比B737、A320等同类机型轻5%~10%，主要得益于铝合金中锂元素的加入。

从以上发展经历上可以看出，航空铝合金的发展可以概括为以下几点：

1)对国有合金的改进：即对2024和7075两个典型合金，通过 a)提高合金的纯度，降低杂质含量； b)加入微量元素，缩小合金成分范围； c)开发新的热处理状态等渠道。保存原有的优点，改进存在的问题，并使合金更专业化，从而具备不同性能水平、不同耐蚀能力，适用于不同用途的铝合金。

2) 开发新型高性能合金：即为某些特定要求(如温度、工艺性、环境)而研制开发的铝合金，如耐高温铝合金2219、耐蚀可焊铝合金6013、低密度高模量的铝锂合金。

4 国产大飞机用铝合金展望

从我国目前复合材料的研发水平、生产设备和生产能力考虑，其在大飞机上用量达到很高的水平非常困难，且无法靠进口解决。因此，铝合金还应是大飞机的主体结构材料。

4.1 大飞机用材料的要求

与其他行业用铝材料不同，大飞机项目所需要的铝材料的主要特点是“超长、超宽、超厚”，尤其是大飞机的机身，需要长达近20 m的拉伸板，厚度也要达到200 mm。

大飞机对机体材料的要求包括：

1) 实现结构减重；

2) 结构承载和功能一体化；

3) 提高机体使用寿命；

4) 高可靠性和可维修性；

5) 低制造成本和低使用维修成本。

这就对铝合金的比强度、比刚度、断裂韧性、疲劳性能、疲劳裂纹扩展速率和耐蚀性能等提出了更高的要求，需要采用综合性能更好的新型铝合金。

4.2 国内大飞机用铝合金存在问题

近几十年来，我国铝加工行业无论从装备能力还是从加工能力，都已达到世界20世纪80年代后期、90年代初期的水平。但是，新型铝合金，特别是大飞机用铝合金的开发和研究，尚处于仿制和试验阶段，某些性能差距较大，需进一步研究开发。另外，我国的热处理工艺与国外相比也有较大差距，以致在仿美合金试验中，因热处理工艺差距，达不到相同的典型性能，这方面也需要重点突破。总之，国内的铝合金研究与国外相比还比较落后。以下是现阶段我们急需解决的问题：

1) 品种规格不全，质量不稳定

除2024和7075合金外，7050只研究过板材和丝材，7150只研究了小型锻件，7150只研究了板材，7055只研究了锻件。且因工程化生产的标准体系不完善、工艺规程执行不严格导致质量不稳定。

2) 新型铝合金的研究储备严重不足

尚未系统开展高温用铝合金、新一代铝理合金等新型铝合金的研究。7085高强高碎透性材料及抗拉强度在700Mpa以上的超高强度铝合金还缺乏研究。

3) 不够重视工程化研究，对生产中的问题研究不足。

当前我国对国外先进铝合金的研究工作大多还处在实验室阶段，而对于合金生产中的许多问题研究不足。此外，一些新材料的性能数据积累较少，材质也不稳定，这些都给应用带来很大困难。

4) 原材料适航符合性控制

国产材料通过国际权威机构的适航审查还存在很大的差距。国内也曾编制过有关原材料供应厂商控制标准，但没有贯彻实施。

4.3 解决方案

中国大飞机的研究开发迫切需要很多具有优良性能材料的开发应用，这也对铝合金材料提出更新更高的要求。铝合金今后的研究重点主要集中在以下几个方面：铝锂合金、铝基复合材料和超塑性成形铝合金。

铝锂合金质轻、高强、抗疲劳和低温韧性好的优良性能使其有着广泛的应用。但是金属锂的储量少、提取难，生产工艺较复杂，铝锂合金的前景可能不如预期的那么乐观。必须进一步寻求技术和工艺方法，降低铝锂合金的成本，进一步提高其性能，力求使铝锂合金得到更广泛的应用。

铝基复合材料已成为铝合金，甚至是铝锂合金的重要竞争对手。目前开发的铝基复合材料主要有SiC/Al、B/Al、BC/Al、Al₂O₃/Al等。这些材料用于航空器上，可使质量大大减轻。但长期以来，由于铝基复合材料还存在着制备工艺复杂、对环境和设备要求严格、成本很高等缺点，因此，其应用还不普遍。

超塑性成型作为材料研究一个较新的方向，近年来发展很快。铝合金的超塑性成型是通过形变热处理得到的小于10 μm的超细晶粒，这些超细晶粒合金在高于半熔点和低应变速率条件下能获得超塑性，可以成形出传统方法难以获得的质量轻、成本低、形状复杂的构件，并且具有成形压力小、模具寿命高、可一次精密成形等许多优点。超塑性成型技术的应用，不仅为铝合金的开发利用提供了新途径，而且也是节约能源、降低成本的有效措施。

5 结语

尽管国内已初步形成了航空铝合金体系，但离国际先进水平还有很大的差距，此差距是多方面的，包括技术的、设备能力的、管理体制的等，大飞机项目的研制是我国综合经济实力的表现，是中华民族昌盛的标志。为了进一步发展大飞机，适应国际化、市场化的需求，一方面应进一步开展关键技术的攻关工作，为大飞机的发展奠定基础；另一方面，全国各相关行业都要为大飞机工程项目努力，保证国产大飞机迅速发展。

参考文献：

[1] 楼瑞祥. 大飞机用铝合金的现状与发展趋势[C], 大型飞机关键技术高层论坛暨中国航空学会2007年学术年会论文集. 2007.

[2] 刘兵, 彭超群, 王日初,等. 大飞机用铝合金的研究现状及展望[J]. 中国有色金属学报, 2010, 20(9):1705-1715.

[3] 中国经济周刊. 大飞机推动铝合金新材料发展[J]. 特种铸造及有色合金, 2012(4):51.

[4] 祝文立.“大飞机”项目与财政支持的讨论[J]. 当代经济, 2008,12: 48−49.

本文由材料人编辑部学术干货组deer供稿，材料牛编辑整理。

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