三大民機崛起 鋁材需求旺盛

　　本文所說的三大民機是指ARJ支線客機、C919大飛機和中俄合作的CR929遠(yuǎn)程干線寬體客機，支線客機可乘座70～90人，干線客機可乘座150人以上。

　　ARJ支線客機

　　ARJ21是英文名稱“Advanced Regional Jet for the 21st Century”的縮寫，意為21世紀(jì)新一代支線噴氣式客機，它是70～90座級的中、短航程渦扇發(fā)動機的新支線客機，家族中有基本型、加長型、貨機和公務(wù)機四類。

　　ARJ21是中國首次自主設(shè)計和制造的支線客機。機體各部分分別在國內(nèi)四家飛機制造公司生產(chǎn)，采用了大量國際成熟先進(jìn)技術(shù)機載系統(tǒng)，發(fā)動機、航電、電源等系統(tǒng)全部是在世界范圍內(nèi)競標(biāo)采購的，其中也有一些零部件是在中國制造的，也有一些產(chǎn)品是中國分交的。

　　2003年12月,ARJ21-700分別在成都飛機公司、沈陽飛機公司、西安飛機公司、上海飛機公司同時進(jìn)行零部件制造。2007年12月21日,在上海飛機制造廠總裝下線。2008年11月,在上海成功首飛。2015年3月,完成首次航線演示飛行。

　　2015年11月29日,由成都航空公司飛行員駕駛的第106架機從上海中國商飛公司機場直飛成都雙流機場，交付成都航空公司，并于2016年3月投放市場，初期投放成都至北京、上海、廣州、深圳、武漢、西安等7條航線，從此，國內(nèi)航線首次擁有全部自主知識產(chǎn)權(quán)的Made in China的噴氣式支線客機，是中國航空工業(yè)發(fā)展史上一件大事。ARJ21-700支線客機從2002年4月正式立項至2016年3月投入營運歷時14年。

　　ARJ21客機用了哪些鋁合金與鋁材

　　2017年1月23日，工信部副部長徐樂江在民機鋁材上下游合作機制年度工作會上指出，工信部要盡快制訂2017年重點工作方案，生產(chǎn)單位要按照適航審定要求，加強持續(xù)攻關(guān)，加快重點牌號鋁材研制及應(yīng)用進(jìn)度，爭取2017年取得階段性進(jìn)展。

　　ARJ2I支線客機基本上是用鋁合金打造的，鋁制零部件的質(zhì)量超過飛機凈質(zhì)量的75%，常用的鋁合金種類幾乎全用了，不過有的用得多，有的用得少一些，不管是變形鋁合金，還是鑄造鋁合金，大到蒙皮板，小到鉚釘，種類甚多，數(shù)量多達(dá)40余萬個。ARJ21客機的零件總數(shù)上百萬件，但是以緊固件最多，而在緊固件中坐第一把交椅的是鉚釘。鉚釘問世可能有幾千年了，在飛機上的應(yīng)用至少也有119年了。

　　在ARJ2I支線客機主結(jié)構(gòu)的鋁材中用得最多的是2系及7系合金，而且都是最新一代的合金，制造取證用的原型機所用鋁材全是美國鋁業(yè)公司提供。板材來自艾奧瓦州(Iowa)達(dá)文波特軋制廠(Daven-port Works)，擠壓材與鍛件是拉斐特廠(Lafayette Works)生產(chǎn)的，也有一些擠壓材來自韓國的長光鋁業(yè)公司，它是美國鋁業(yè)公司在韓國的一個獨資鋁材擠壓企業(yè)。2系及7系合金在ARJ21主結(jié)構(gòu)鋁材用量中占總用量的98%。

　　ARJ2I支線客機鋁材可全部國產(chǎn)化

　　ARJ21支線客機是中國自主設(shè)計制造具有全部自主知識產(chǎn)權(quán)的首款中型客機，支線客機是指座位少于100個的飛機。根據(jù)上海飛機制造廠計劃，至2016年年底，將有5架完成支付，其中2架90座級、3架78座級，預(yù)計今后五六年將完成30架交付，到2035年可交付880架，制造總目標(biāo)是50架/年，一期目標(biāo)30架/年。按規(guī)劃，所用鋁材可于2020年以后達(dá)到100%國產(chǎn)。在工信部牽頭下成立了民機鋁材上下游合作機制，會大大促進(jìn)ARJ21飛機所需鋁材的國產(chǎn)化進(jìn)程。

　　中國現(xiàn)有以東北輕合金有限責(zé)任公司、西南鋁業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司、中鋁西北鋁有限責(zé)任公司等為主的約20家企業(yè)可生產(chǎn)ARJ21客機所需的鋁合金板、箔、型、管、棒材與鍛件等。它們的裝備都是世界的，還有一個企業(yè)從奧地利艾伯納(Ebner)公司引進(jìn)了一臺可進(jìn)行T77處理的時效爐，其爐溫設(shè)定溫度±1℃，爐氣溫度精度±2℃，板材溫度均勻性±1.5℃，單板的溫度均勻性±1℃，可處理板材尺寸(mm)：厚4～250、寬1000～4300，長2000～39000，單板質(zhì)量25噸。在ARJ21客機所用的鋁材中，生產(chǎn)難度大的是T77狀態(tài)材料，只要能生產(chǎn)這種材料，其它所有材料的批量供應(yīng)都不成問題，而裝備在這種材料生產(chǎn)中起著重要的作用。

　　ARJ2I飛機的選材以鋁合金為主，鋁制零部件質(zhì)量占飛機凈質(zhì)量(使用空機重量24955千克)25噸的75%，約合50噸(含鑄件與鍛件)鋁材，即需要采購50噸鋁；結(jié)構(gòu)鋼和不銹鋼占10%；復(fù)合材料占8%；鈦合金2%；其它材料占5%。在2020年以前，如果每年生產(chǎn)30架，每年鋁材的用量為1500噸。

　　必須強調(diào)的是，所供應(yīng)鋁材的各項性能與指標(biāo)務(wù)必全面達(dá)到或超過制造原型取證機用的從奧科寧克鋁業(yè)公司進(jìn)口的，以全面替代進(jìn)口產(chǎn)品，同時價格合理，有國際市場競爭力。

　　T77511合金用于制造機翼上壁板，起落架接頭是用7055-T77合金鍛造的。在7系合金中，7055合金是合金化元素平均總含量最高的之一，為12.35%，鐵與硅的平均總含量又最低，僅0.125%，因而大扁錠的鑄造難度大，冷裂紋傾向大，有些規(guī)格的大扁錠我們至今不能有經(jīng)濟效益地鑄造。

　　●鉚釘用量近40萬個

　　自飛機問世120多年來，零部件的鉚接就是一種必不可少的連接工藝，大型戰(zhàn)略運輸機與A380型特大客機每架的鉚釘用量上百萬個。在今后一段相當(dāng)長的時間內(nèi)，鉚接仍將是零部件連接的主要工藝，只不過隨著時間的推移，設(shè)計的改進(jìn)與焊接技術(shù)的進(jìn)步，鉚接工作量會有所減少，但是減少速度緩慢，例如一架大小與ARJ2I客機相當(dāng)?shù)拿駲C，三四十年前每架的鉚釘用量約60萬個，而現(xiàn)在仍要用40多萬個。

　　ARJ21支線客機用的鉚釘合金有2014、2219、3003、5052、5056、7050合金，2219合金鉚釘用于鉚接高強度的內(nèi)外結(jié)構(gòu)，7050-T73合金鉚釘用于鉚接高強度抗腐蝕的結(jié)構(gòu)。鉚釘在鉚接前都要經(jīng)過硫酸液陽極氧化處理與重鉻酸鹽封孔。

　　●鑄造鋁合金

　　在ARJ2I支線客機制造中也用了一些鑄造鋁合金，雖然用量比變形鋁合金少得多，但也是不可或缺的，如用356及A356合金鑄造形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜、壁厚較薄與要求氣密性的承受中等載荷的結(jié)構(gòu)零件、儀器儀表附件、發(fā)動機零件、燃油泵殼體，它們是鋁-硅-鎂系合金，相當(dāng)于中國的ZL101，它們都含6.5%～7.5%Si、0.25%～0.45%Mg；A356合金是356合金的改進(jìn)型，不過它的雜質(zhì)含量低與添加了微量晶粒細(xì)化元素，因而具有更高的力學(xué)性能。

　　ARJ21客機用的鑄造鋁合金還有：413、360、355、A357、Tens-50、380、A380合金等。

　　在ARJ21支線客機用的變形鋁合金2524-T3，約占板材總用量的60%；其次是7系合金的7050、7150、7055，約占35%，它們都在T77狀態(tài)下應(yīng)用，T77表示固溶處理后再經(jīng)過時效處理，材料的強度雖然比其可能達(dá)到的值低了一些，但抗應(yīng)力腐蝕開裂和晶間腐蝕能力確有較大提高。

　　2524-T3合金是一個很好的2系合金，ARJ21-700支線客機的所有蒙皮全是用其預(yù)拉伸板制造的，包括機身蒙皮、后機身蒙皮、翼下機身蒙皮、與機翼對接的機身部位蒙皮、襟翼蒙皮、襟翼子翼蒙皮、垂尾蒙皮、升降舵蒙皮、平尾蒙皮、擾流板蒙皮、方向舵蒙皮與調(diào)塾片、副翼蒙皮與調(diào)整片、縫翼蒙皮和升降舵調(diào)整片。2524合金誕生于1995年，同年在美國鋁業(yè)協(xié)會注冊，而2024合金卻是1934年誕生的。2524合金是2024合金家族的第六代，它們的主要成分(Cu、Mg、Mn)含量大體相等。

　　●7系合金

　　在ARJ21支線客機結(jié)構(gòu)制造中，用得最多的是2系的2524合金，在鋁合金總量中約占60%；其次是7系合金占35%左右，主要用了三種合金：7050、7150、7055，都是美國鋁業(yè)公司研發(fā)的新型超強度鋁合金。這3種7系鋁合金撐起了ARJ21客機半邊天。

　　7050合金是一種高純的超硬鋁，不但雜質(zhì)Fe、Si的含量低，而且Mn的含量也很低。組織中脆性夾雜相大幅度減少，在主成分中增大了鋅鎂比，并用Zr取代Cr作為晶粒細(xì)化劑。由于這些成分的改進(jìn)以及經(jīng)過人工時效處理，使7050合金在保持更高強度下，具有斷裂韌性高、疲勞強度高、耐損傷容限性能好、抗應(yīng)力腐蝕性能好等優(yōu)良綜合性能。另一個突出優(yōu)點是有高的淬透性，特別適合于制造厚板與鍛件、厚截面零件。在飛機上主要用7050合金制造要求高強度、高應(yīng)力腐蝕和剝落腐蝕抗力及良好斷裂韌性的主承力結(jié)構(gòu)，如機身框、隔板、機翼壁板、翼梁、翼肋、起落架支撐零件和鉚釘?shù)?。升高溫度時，7050合金的強度下降，所以長期使用溫度不得超過125℃。

　　C919大飛機

　　中國自主研發(fā)的C919大型客機始于2008年，2015年11月2日在中國商飛公司下線，2017年5月5日首飛。它的主要技術(shù)參數(shù)：基本型混合級布局158座，總長38.9m，高11.95m，冀展35.8m，標(biāo)準(zhǔn)航程4075km，可從北京直飛新加坡，可以往返國內(nèi)所有域市，航程5555km，與波音B737飛機相比，具有更安全、更輕巧、更大功率、更快、更舒適等特點。

　　C919用了哪些鋁合金

　　C919原型機用的鋁材雖全是進(jìn)口，那主要是為了獲取適航取證的需要，從第二架飛機開始，國產(chǎn)鋁材的用量會一批比一批多，一年比一年多，2018年生產(chǎn)的C919飛機用鋁材國產(chǎn)化率超過35%，2022年的鋁材國產(chǎn)化率可望達(dá)到100%，但Al-Li合金與鋁基復(fù)合材料可能還需要外購一些，因為研制一代新飛機所需要的全部新型鋁材，就是在工業(yè)發(fā)達(dá)國家也需要六七年的時間。

　　C919的機頭、前機身、中央翼、中后機身等大部段都由中航工業(yè)集團(tuán)等國內(nèi)航空業(yè)企業(yè)制造。飛行控制系統(tǒng)、機輪剎車系統(tǒng)、輔助動力裝置和導(dǎo)航系統(tǒng)等由霍尼韋爾公司提供。

　　發(fā)動機是美國通用電氣公司(GE)和法國賽峰集團(tuán)合作制造的，比現(xiàn)役空客A320及波音B737飛機的發(fā)動機功率都要大，更有勁，而油耗卻比它們的大大降低，使用成本比它們的約低10%，碳排放量降低50%。

　　C919采用中國自主研發(fā)的超臨界機翼，提速省油，其聲速比、導(dǎo)航特性、失速特性等幾項重要指標(biāo)均優(yōu)于國外同類機型，速度也比它們的快。它的客艙增設(shè)了減震系統(tǒng)，可以緩沖顛簸，客艙內(nèi)壁設(shè)有單獨通風(fēng)口，能更好地調(diào)解機艙內(nèi)氣壓變化；艙內(nèi)中間位置座椅比國際航空標(biāo)準(zhǔn)椅寬12.7mm，因而乘客感覺更舒適。

　　C919飛機在選材上，既選用了大量的傳統(tǒng)鋁合金，如7075-T62、7075-T73、7050-7452、7075-T73511、7050-T77511、7075-T7351、7050-T7452、7150-T77511、7075-T6、7055-T7751、7055-T76511、7085-TT651、7085-T7452；2024-T42、2523-T3、2024-T3511、2024HDT-T351、2026-T3511等，還選用了一定數(shù)量的第三代鋁-鋰合金：2198-T8、Al-Li-Sc-T8、2096-T8511、2099-T83等。7系鋁合金用得最多。

　　C919的前機身、中機身、中后機身、機頭與機翼結(jié)構(gòu)件幾乎全是用鋁材制造的，而發(fā)動機吊掛、垂尾、平尾、后機身前段、后壓力框、后機身中段、中央翼等則是用復(fù)合材料或鈦合金鍛件制造。

　　除上述部段的主要零部件是用當(dāng)今高端傳統(tǒng)2系與7系鋁合金制造，一些重要結(jié)構(gòu)件是用鋁-鋰合金制造的外，一些次要的零部件與功能零件則用其它鋁合金制造，如空調(diào)系統(tǒng)、油路管、行李架、衛(wèi)生設(shè)施等?？傮w上，C919大飛機鋁合金工件總質(zhì)量占其總凈質(zhì)量的65%。

　　C919是由一百多萬個零部件連接組裝而成，鋁合金零件與其它零件的連接如發(fā)動機與機翼的連接，在飛機制造中起著非常重要的作用，所有的連接緊固件是美國鋁業(yè)公司設(shè)在中國江蘇省蘇州市的兩個工廠生產(chǎn)的，也可能有一些是進(jìn)口的。古老的鉚接法仍是飛機零件的主要連接工藝，C919的機身由一千六七百塊板鈑金件組裝而成，僅鉚釘就用了六萬多個，有的為2系合金，有的為含鋰的2系合金。

　　制造C919大飛機所需的國產(chǎn)鋁材，大都是中國鋁業(yè)集團(tuán)有限公司提供的，例如其所屬的西南鋁業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司除為C919提供了30個規(guī)格、600余件鋁合金鍛件外，2017年11月又試制成功旅客觀察窗窗框和起落架輪輪轂精密模鍛件，填補了我國在此領(lǐng)域的空白。這些模鍛件具有高強度、高韌性、抗疲勞性強與抗腐蝕性高的特點，是飛機的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，主要用在機翼、機翼活動面、機身中央翼、起落架等部位。

　　2017年11月10日，C919首架機從上海浦東機場起飛，經(jīng)過2小時24分鐘飛行，順利抵達(dá)西安閻良機場，航程1300余公里，這是中國圓夢大飛機非常重要的一步。美國《紐約時報》評論說：C919象征著一個崛起中的超級大國的工業(yè)實力，以及它主導(dǎo)一個新技術(shù)時代的夢想。北京大學(xué)政府管理學(xué)院宋磊教授說，C919成功首飛至少有三大意義：再次表明完整的工業(yè)體系對中國這樣的大國所具有的重要意義；這是中國新型研發(fā)體制的成功，在研發(fā)過程中，中國企業(yè)實現(xiàn)了以我為主、統(tǒng)籌全球研發(fā)力量的研發(fā)思路；標(biāo)志著中國的自主創(chuàng)新進(jìn)入了新階段。

　　截至2017年12月5日，中國商飛公司與國內(nèi)外客戶簽訂的C919大客機訂單總數(shù)已達(dá)785架。

　　CR929遠(yuǎn)程干線寬體客機2021年開造

　　2017年5月29日，中俄國際商用飛機公司(CRAIC)在中國商用飛機有限責(zé)任公司(COMAC)總部正式掛牌成立，并舉行了CR929命名暨合資公司LOGO發(fā)布會。該系列飛機被正式命名為CR929，字母C和R分別代表中國(China)和俄羅斯(Russia)；數(shù)字929也具有深遠(yuǎn)的象征意義：9在中國文化中有天長地久之意，2是項目的實際編號，中國自己研制的首批窄體客機代號為C919。

　　中俄國際商用飛機有限責(zé)任公司是中國商用飛機有限責(zé)任公司與俄羅斯聯(lián)合航空制造集團(tuán)公司(UAC)的合資企業(yè)，它的LOGO為一對機翼圖案，代表精誠合作，兩翼起飛，紅色機翼代表中國，藍(lán)色機翼代表俄羅斯。

　　CR929將于2025年完成首飛，為此2023年下半年應(yīng)總裝完成下線，所需的鋁材中國可供應(yīng)80%，大致還有不到20%需要進(jìn)口，主要是鋁基復(fù)合材料及高檔的新一代Al-Li合金材料。截至2045年，規(guī)劃銷售1000架，若每架飛機的鋁材采購量按120噸匡算，鋁材的總采購量約12萬噸，25年內(nèi)的平均采購量為4800噸/年。

　　俄羅斯與我國合作生產(chǎn)CR929干線客機的合作形式實際上是所謂的技術(shù)伙伴關(guān)系，我國負(fù)責(zé)設(shè)計與制造，俄方充當(dāng)技術(shù)伙伴，我國可在此框架內(nèi)獲得自己沒有的遠(yuǎn)程干線飛機制造經(jīng)驗，同時得到仍是短板的復(fù)合材料技術(shù)。中俄國際商用飛機公司的項目預(yù)算約130億美元。

　　按中俄國際商用飛機有限責(zé)任公司的規(guī)劃，2025年完成首飛。到2045年銷售300架～1000架。根據(jù)俄羅斯2016年12月對CR929項目所作的技術(shù)經(jīng)濟論證，基本型280座，售價1.135億美元～1.178億美元，而波音公司B787-9為2.64億美元，B787-10為3億美元。中俄合造飛機的價格還不到美國飛機的50%。

　　按分工，我國除了完成最后的組裝外，還負(fù)責(zé)機身裝配和銷售。2020年12月已完成所有前期準(zhǔn)備工作，2021年初期進(jìn)入制造首架原型機階段，所用鋁材大體上與C919大飛機相同，據(jù)評估，可能還有約20%的鋁材如鋁基復(fù)合材料與鋁-鋰合金材料需從俄羅斯或其他國家進(jìn)口。(王祝堂）

　　轉(zhuǎn)自：中國有色金屬報

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