中國攻克大飛機鋁-鋰合金零部件加工難關(guān)

　　中國擁有全部自主知識產(chǎn)權(quán)具有國際主流水平大型客機C919的101架機于5月5日在上海祝橋基地一飛沖天，圓滿完成首飛，向全世界宣布，中國有了自制的大型干線客機，但要與波音公司、空客公司平起平坐，還有一段漫漫長路要走。在設(shè)計制造過程中有很多很多亮點，其中光芒四射的大亮點就有四五個，其中之一就是首次大范圍地采用鋁-鋰合金制造機身與機翼零部件與緊固件。

（資料圖片 來源于網(wǎng)絡(luò)）

 

　　C919前機身蒙皮、機頭蒙皮、中機身蒙皮、中后機身蒙皮是用2198-T8鋁-鋰合金厚板與Al-Li-S4-T8鋁-鋰合金厚板制造的，這里所說的厚板是指厚度>6mm的板材；前機身長桁、機頭長桁、中機身長桁與地板梁、支柱、座椅導(dǎo)軌是用2196-T8511/2099-T83鋁-鋰合金擠壓材等制造的；中后機身的長桁用的是2196-T8511/2099-T83鋁-鋰合金擠壓材，它的地板梁與支柱用材料為2099-T83、2196-T8511鋁-鋰合金擠壓材。由此可見，C919用的常用鋁-鋰合金有3種：2196、2198、2099，它們都已在美國鋁業(yè)協(xié)會公司（AA）注冊，注冊年度依次為2000年、2005年、2003年，都是美國合金，還用了一種牌號為Al-Li-S4-T8的鋁-鋰合金，但其成分未見報道。

 

　　2099合金是一個很純的合金，它的雜質(zhì)鐵、硅含量很低，必須用高純原鋁錠配制，同時它的鋰含量也高，因此其材料的價格比其他兩種合金的都高。2196和2198合金還含有少量的銀，銀能顯著加速Al-Li合金的時效強化過程，總的來說，含銀的鋁-鋰合金的綜合性能優(yōu)于不含銀的鋁-鋰合金，銀不但能細(xì)化合金的晶粒，而且加速合金的時效析出過程，使時效后合金的塑性有較大的下降。

 

　　2099合金還含有0.40%~1.0%Zn，鋅可與Mg形成η'（MgZn2）相并促進(jìn)δ'和S'相的析出，從而提高其力學(xué)性能，時效前的預(yù)應(yīng)變可促使Al-Li-Cu-Mg-Zn-Zr合金在190℃時效后的抗拉強度提高約20N/mm2。

 

 

　　C919機身蒙皮用的板材，長桁、地板梁、支柱等用的擠壓材，座椅導(dǎo)軌等鋁-鋰合金材料與機身等直段用的所有鋁-鋰合金材料是美國鋁業(yè)公司（Alcoa）提供的，而且其他一切鋁材也是從美國鋁業(yè)公司進(jìn)口的，板材產(chǎn)于達(dá)文波特廠（DavenportWorks），擠壓材與鍛件是拉斐特廠（LafayetteWorks）加工的。除鋁-鋰合金擠壓材外，其他擠壓鋁材有一部分是美國鋁業(yè)公司設(shè)在韓國的一個擠壓廠生產(chǎn)的。

 

　　C919是由一百多萬個零部件連接組裝而成，鋁合金零件的連接與其他零件的連接如發(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鈑金件組裝而成，僅鉚釘就用了六萬多個，有的為2xxx系合金，有的為含鋰的2xxx系合金。

 

　　早在2009年年中，中國商用飛機有限責(zé)任公司就與美國鋁業(yè)公司接觸，談判有關(guān)大飛機所用鋁材供應(yīng)的有關(guān)事項，談判甚為順利，美國鋁業(yè)公司答應(yīng)提供所需的一切高端鋁材，而且價格比中國自己生產(chǎn)的還便宜一些，交貨期也得到保證，美國鋁業(yè)公司還派了材料專家深入中國商飛公司有關(guān)部門，幫助鋁材選用與介紹鋁材性能，為了雙方合作得更好，該公司亞太地區(qū)總部特意從北京搬遷到上海。

 

 

　　大家知道，航空航天工業(yè)對零件質(zhì)量是錙珠必究的，用現(xiàn)在的話說，就是在計算零件質(zhì)量時必須精準(zhǔn)到“克”。鋰的密度為540kg/m3，是最輕的金屬元素，是鋁密度的20%，向鋁中每添1%Li，合金的密度均下降約3%，正彈性模量上升約5%。因而含鋰的鋁-鋰合金具有低的密度，高的比強度、比剛度、比彈性模量等優(yōu)點而成為優(yōu)秀的航空航天器用鋁材，有報道稱：如果要用鋁-鋰合金制造波音飛機結(jié)構(gòu)，其質(zhì)量可以下降14.6%，燃料節(jié)省5.4%，飛機成本將下降2.1%，每架飛機每年的飛行費用降低2.2%。這就是飛機制造企業(yè)為什么對鋁-鋰合金情有獨鐘的原因。

 

　　2011年9月11日，中國研制的載人飛行器——天宮一號發(fā)射成功，順利進(jìn)入預(yù)定軌道。它的資源艙是用鋁-鋰合金制造的，比用2xxx系及7xxx系常規(guī)合金制造減重10%左右，艙內(nèi)裝有太陽能電池、動力系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、控制力矩陀螺，加足燃料后總質(zhì)量約1.4t。

 

 

　　世界第一個含鋰的鋁-鋰合金誕生于上世紀(jì)20年代初的德國，商品名稱Scleron，但沒有獲得工業(yè)應(yīng)用。1942年美國鋁業(yè)公司的利巴朗（Lebaron）發(fā)明的X2020合金（Al-4.5Cu~1.0Li-0.8Mn-0.6Cd）獲得專利，1957年其板材在美國海軍的A3J偵察機上獲得應(yīng)用；60年代初在超聲速轟炸機B-58和殲擊機上獲得少量應(yīng)用，但是此合金的斷裂韌性低，尤其是缺口敏感性比7075-T6合金的大。

 

　　1955年，英國科學(xué)家哈代（Hardy）與西爾科克（Silcock）對Al-Li及Al-Cu-Li合金的時效過程作了研究，發(fā)現(xiàn)了有序的δ'-Al3Li相。60年代蘇聯(lián)研制成01420合金，其成分（W%）：4~7Mg，1.5~2.6Li，0.2~1.0Mn或0.05~0.3Zr，0.0015~0.15Ti，0.05~0.3Cr，其余為Al。1971年，英國富爾默（Fulmer）研究所研制出新的Al-Mg-Li-Zr合金，特別是1973年的石油危機以后，再次掀起了研究鋁-鋰合金的浪潮，在解決其低韌性與晶界脆性方面取得了突破性的成就，誕生了第三代鋁-鋰合金，如肯聯(lián)鋁業(yè)公司的AirwareTM合金及其生產(chǎn)工藝，在A380寬機體大飛機上獲得了大量應(yīng)用，現(xiàn)在飛機上應(yīng)用的鋁合金都是第三代。

 

　　現(xiàn)在，不管什么變形鋁合金，只要是含有合金元素鋰的都被稱為鋁-鋰合金。截至2015年1月，在美國鋁業(yè)協(xié)會注冊的鋁-鋰合金共25個，其中屬2xxx系的22個，Li的最大含量為2.6%（2090合金）；屬8xxx系3個，含Li最多為8091合金，含2.4%~2.8%，在當(dāng)前常用的（active）的鋁-鋰合金中的鋰含量都不超過2.8%。

 

　　在全球發(fā)展鋁-鋰合金歷程中可以明顯地看出，蘇聯(lián)-俄羅斯著重發(fā)展以Al-Mg系合金為基的含鋰合金，而美國與法國則發(fā)展以2xxx系合金為基礎(chǔ)的含鋰合金，由于意識形態(tài)的關(guān)系，蘇聯(lián)研發(fā)的變形鋁合金不到美國鋁業(yè)協(xié)會注冊，直到蘇聯(lián)于1991年解體后，1997年俄羅斯才注冊了一個非原型合金2224A。筆者所指原型合金是第二位數(shù)字為“0”的合金。

 

　　現(xiàn)在有獨立鋁-鋰合金工業(yè)的國家只有美國、俄國、法國和中國，它們建立了從熔煉-鑄造-加工的完整體系，熔煉-鑄造是生產(chǎn)鋁-鋰合金材料的關(guān)鍵工序?？缮a(chǎn)鋁-鋰合金材料的企業(yè)有美國鋁業(yè)公司的達(dá)文波特軋制廠、拉斐特擠壓-鍛造廠、英國的其茨格林軋制廠（KittsGreenWorks）、俄羅斯的薩馬拉冶金公司（Samara）、意大利的富西拉（Fusina）軋制廠；肯聯(lián)鋁業(yè)公司的法國伊蘇爾（Issoire）軋制廠；俄羅斯聯(lián)合鋁業(yè)公司的卡緬斯克冶金公司；中國的西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司。全世界2015年鋁-鋰合金材料生產(chǎn)能力約200kt/a，其中美國鋁業(yè)公司占50%以上。

 

 

　　生產(chǎn)航空航天器鋁-鋰合金零部件是一條艱辛崎嶇的道路，必須攻克三道關(guān)：首先必須攻克合金關(guān)，一代材料一代航天器，只有研制出了一代又一代新型鋁合金，才能設(shè)計與制造一代代的新飛機，研制一代新飛機鋁合金，就是在工業(yè)發(fā)達(dá)國家也要六七年，當(dāng)前應(yīng)用的是第三代鋁-鋰合金，正在研發(fā)的是第四代，一代航空鋁合金“年富力強”時間大多數(shù)只有二三十年；第二關(guān)是材料塑性壓力加工關(guān)，有了性能優(yōu)秀的合金后，就是要盡快把它加工成各種各樣的性能高的且價比高的半成品（板、帶、管、棒、型、線、箔、鍛件等），制訂從熔煉、鑄造、加工到精整的成套工藝規(guī)范，通常攻克這一關(guān)需要約一年的時間；第三關(guān)是攻克零部件制造關(guān)，包括加工工藝設(shè)計、工裝準(zhǔn)備、機械加工、連接、表面處理、性能檢測、包裝發(fā)運等，制得的零部件不但尺寸、性能等都是優(yōu)等的，而且價格合理，有相當(dāng)強的市場競爭力，沒有市場競爭力的產(chǎn)品不算好的航空器零部件，當(dāng)然對某些航天器與國家安全攸關(guān)的產(chǎn)品不在此列。

 

 

　　C919大飛機的前機身和中后機身都是中國航空工業(yè)集團(tuán)公司南昌洪都飛機制造公司制造的，為完成前所未有的艱巨任務(wù)，江西省與中航工業(yè)公司聯(lián)手在南昌市專門建成了一座航空工業(yè)城，有十幾棟高大現(xiàn)代化廠房，成千臺高精尖設(shè)備，其中的蒙皮鏡像銑床，不但中國僅此一臺，就是全世界也只有2臺。C919的前機身含全段客艙、前貨艙和再循環(huán)風(fēng)機艙，由蒙皮、長桁、客艙地板梁和支柱、貨艙地板和支柱、座椅導(dǎo)軌等1600多個零部件組件；中后機身（不是指中機身與后機身，而是一個整體段）更復(fù)雜，由蒙皮、長桁、地板梁和支柱等的4000多個零部件組成。

 

　　以上那些零部件都是用先進(jìn)的第三代鋁-鋰合金如2198-T8、Al-Li-S4-T8、2198-T8511、2099-T83合金制造的。鋁-鋰合金材料雖具有密度低、比強度與比剛度高的特點，Al-Mg-Li合金還有高的可焊性與抗腐蝕性能等優(yōu)良特性，但它們的可塑性較差，斷裂韌性不盡人意，性能的各異性較大，如在一個長桁上平面可承受50kN的力，而其下平面可承受的力則要低一些，而且2xxx系A(chǔ)l-Li合金的可焊性也低，零件只能鉚接連接，零件切削加工極易產(chǎn)生裂紋甚至斷裂。

 

　　洪都公司制造C919大飛機前機身與中后機身用的2196、2198、2088、Al-Li-S4合金材料是從美國鋁業(yè)公司（2016年11月1日起改名為奧科寧克鋁業(yè)公司）的達(dá)文波特軋制廠與拉斐特擠壓鍛造廠進(jìn)口的，但在加工前機身零件過程中遇到了“攔路虎”。據(jù)稱，一度出現(xiàn)零件加工報廢率超過60%的難堪困境，甚至出現(xiàn)了在機械加工某一個零件時成品率只有4.2%（加工48件報廢46件）的尷尬局面，造成了巨大浪費。后來通過全體員工的日夜奮戰(zhàn)，改進(jìn)加工工藝，特別加工工具結(jié)構(gòu)和熱處理條件的不斷改進(jìn)和經(jīng)驗積累，情況大為改觀，在生產(chǎn)中后機身時，零件合格率達(dá)97%以上，一級品率大幅度上升，從而躋身世界先進(jìn)行列。前機身與中后機身62%部件都是用鋁-鋰合金制的，零部件的連接是全鉚的。這兩段機身的制造用了這么多鋁-鋰合金，無論對洪都公司來說，還是對整個中國民航來說都是一次“零的突破”，在中國民用航空工業(yè)發(fā)展史上有著里程碑意義。

 

 

　　中機身和中央翼指飛機機翼連接的飛機機身中段和機翼，它們占機體結(jié)構(gòu)的50%，由西安飛機公司制造，C919中機身長5.99m，寬3.96m，由機身筒段（等直段）、龍骨、應(yīng)急門、中央翼等組成，有8000多個零件，大部分用鋁-鋰合金制造，如2198-T8、Al-Li-S4-T8、2196-T8511、2099-T83等，但是由于整個飛機的載荷和操作系統(tǒng)中樞都在中機身段，因此有些零部件是用鈦材和復(fù)合材料制造的。

 

　　西安飛機公司在鋁-鋰合金蒙皮加工、機翼壁板加工、鉆孔與無余量裝配等技術(shù)領(lǐng)域都取得了突破性的成就。C919機翼為超臨界型，與常規(guī)翼型相比，在升力相等時飛機可飛得更快，而在飛行速度相等時，飛機可有更大的升力，油耗率會相應(yīng)地下降，不過這種機翼的加工制造難度大，特別是對機翼蒙皮內(nèi)部構(gòu)型有特殊要求，必須加工成臺階狀，該公司經(jīng)過大量論證試驗，克服前所未有的重重困難，最后采用化銑與五坐標(biāo)激光刻形相結(jié)合工藝終于“啃”下了這塊超硬的“骨頭”，在國內(nèi)實現(xiàn)了“零的突破”。

 

　　雖然中國在小規(guī)模研發(fā)和生產(chǎn)鋁-鋰方面已有近60年的歷程，但都是跟蹤型的，尚未形成自己的體系，要想達(dá)到奧科寧克鋁業(yè)公司（ArconicInc.）和肯聯(lián)鋁業(yè)公司（Constellium）那時的水平恐怕還要15年，因為中國在生產(chǎn)鋁-鋰合金需闖過的三關(guān)中，只攻克了一個中等難度的零部件制造與集成關(guān)，還有合金關(guān)與半成品塑性加工關(guān)有待攻克。路漫漫兮，任重道遠(yuǎn)，大家一起擼起袖子加油干吧！