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行业分析

新一代复合材料将冲击大型民机铝材用量
来源:中国有色金属报  2017-06-26 15:20:45
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原文:http://chinacompositesexpo.com/cn/news.php?show=detail&c_id=12&news_id=5013
  据报道,美国波音飞机公司生产的最一代波音加长版“梦想客机”B787-10型飞机于今年3月31日在美国南卡罗来纳州(South Carolina)查尔斯顿国际机场首飞成功,从而拉开了这款高科技飞机的试验项目的序幕,这是迄今为止全球最新式的大型客机,也是波音公司制造的最大客机。它的机身比787-9型飞机长5.5m,可以搭乘330名乘客,比“梦想客机”大家族B787-9飞机多40人,比B787-8飞机多88人。
 
 
  B787-10飞机是波音公司设计的,波音公司南卡罗来纳州北查尔斯顿飞机厂装配与总成的,是全世界飞机制造厂的杰作。它的机翼、机身、方向舵的许多零部件和锻件是日本、中国、意大利、瑞典、法国和英国的企业生产的,而发动机则是美国通用电气公司(GE)与英国罗尔斯-罗伊斯公司(RR)的最新强劲引擎。
 
  波音公司的B787型飞机是世界最热销的民用机型,迄今的订购总量已超1200架。不过,787-10型飞机和它的“哥哥们”最大的不一样是,它是由碳纤维复合材料制造的,报价3.128亿美元,相当于约20亿元人民币。据称,截至3月底,787-10飞机已收到来自全世界9个客户的总计149架的订单。
 
  航空铝材的发展历程
 
  自从1903年美国人赖特兄弟发明的世界的首架飞机用了少量铝以来,铝材在航空器上的应用在逐年增加,直至今天铝材仍是航空器的主要结构材料。航空器铝材的发展大致可分为如下的几个阶段:
 
  静态强度需求阶段(1906年~1959年)
 
  这是航空工业的初创阶段,要求合金具有尽可能高的静态强度,以降低结构质量和延长航程。在此期间研制出Al-Cu-Mg系的2014-2017合金,稍后又研发成功2024-T3合金。20世纪30年代,2024合金在飞机制造中开始得到广泛应用。1944年美国开始采用7075-T6超硬铝,飞机铝化率最高达80%,随后又研制出有更高强度的7178-T6合金,直到20世纪60年代这些合金都是航空器材料的脊梁。
 
  高抗腐蚀合金阶段(1960年~1969年)
 
  在此阶段由于飞机开始应用厚大截面结构,机体零部件出现应力腐蚀开裂(2024-T4、7075-T6合金短横向),因此要求铝材不但有高的静态强度,还必须有低的应力腐蚀敏感性。为此,研制成功了7075-T73合金,虽然抗应力腐蚀开裂能力满足了要求,但是其抗拉强度Rm却比T6材料低15%。不久美国铝业公司技术中心研制出7075-T76合金,既有低的应力腐蚀开裂敏感性,抗拉强度Rm的下降又较小。7075-T73、7075-T76合金在此阶段的飞机中获得了应用。
 
  要求综合性能阶段(1970年~1979年)
 
  此时飞机设计进入失效安全阶段,要求铝材有高的韧性。在此背景下美国铝业公司率先推出高纯的7475合金,1969年在美国铝业公司注册。1971年该公司又研制成功7050-T74合金,它能满足飞机厚大截面结构对强度和应力腐蚀开裂的要求。1976年后,飞机设计要求飞机机体结构铝材不但应有高的强度还必须有足够的断裂韧性和良好的抗疲劳性能。美国铝业公司与波音飞机公司联合研发的7150-T6、T61合金(1978年注册)可满足这些要求;美国铝业公司还研制成功高强度的2324-T39厚板合金(1978年注册)及2224-T3511挤压材合金(1978年注册),它们有高的断裂韧性和不低于2024-T3合金的抗拉强度Rm。在此期间苏联也研制出一些相应的高技术合金,在军机制造中获得全面扩广。
 
  减轻质量与可靠性高阶段(1980年~1991年)
 
  由于20世纪70年代石油危机冲击及为提高军机战斗力及民机可靠性,对飞机设计提出了强烈减轻质量要求;另外,钛合金及树脂基本复事材料的掘起对铝合金构成严峻挑战,大大激发了对传统铝合金的改进挖潜探究与研发新的铝合金,兴起了对铝-锂合金、快速凝固耐热铝合金及铝基复合材料的研究热潮。现在铝-锂合金已在航空航天器中获得较大规模应用,另两类材料距规模应用还有一些距离。在传统铝合金改型方面,美国铝业公司研制成功T77状态,稍后该公司又开发出有更高强度的7055-T77合金与更优抗疲劳性能的2524-T3合金。这些高性能铝合金的面世,极大地推动了航空铝合金的发展并巩固了铝合金在航空器制造中的地位。
 
  较大地降低结构制造成本阶段(1992年~2015年)
 
  飞机机体结构的制造成本约占其总成本的95%,而材料成本大致占总成本的30%,因而降低制造成本成为机体材料研制的重中之重。初期目标是在不改变飞机现行结构设计基础上使结构成本下降25%。为此美国铝业公司及力拓-加铝铝业公司(2009年剥离交通铝材板块组建肯联铝业公司)都做了大量工作:以整体机加件代替锻件或由一些零件装配而成的结构部件,研发机翼的高温时效成形的高强度铝合金的快速超塑成形,开展可焊铝合金和铝合金摩擦搅拌技术的研究,以优质铸造铝合金生产形状复杂的精密铸件,研发低成本高性能的铝-锂、铝-钪合金,以及开展铝基合材料的研究等。至2013年底,这些工作已成就斐然,如力拓-加铝(肯联铝业公司)的艾华(Airware)合金及美国铝业公司(奥科宁克铝业公司)的新一代铝合金就是典型代表,它们可以满足2025年以前下线的航空器的需求,现在它们正在研发能满足更后年代航家器制造所需的材料。
 
  复合航空材料大发展期降临
 
  今年3月31日波音飞机公司的B787-10型客机首飞成功,标志着全复合材料飞机时代来啦。笔者在此所指的全复合材料飞行器是说在当前的技术条件下,凡是可用复合材料制造的零部件都是复合材料的。
 
  B787-10型飞机虽是用复合材料打造的,并不是说不用铝材了,铝材仍是第二大材料,即使到2030年也会如此,铝仍是航空器的第一大材料,只不过在有些机型上复合材料占了主导地位。复合材料价格高昂,半成品生产工艺复杂与零部件加工技术难度大、产品使用中的维修门坎高、服务期满报废件的回收再生技术繁复,目前仍是一个尚未打通瓶颈。
 
  航空复合材料主要是制造结构(机翼、机身、方向舵等)零部件的碳纤维增强复合材料和碳化硅纤维增强的制造新型发动机零部件的复合材料,它们都具有质量轻和而热性强、强度高等优点。碳纤维增强复合材料(CFRP)用于制造飞机机体(机翼和机身),欧洲空客(Air Bus)和美国波音公司的最新款大中型飞机的机体已有超过50%的部分使用CFRP。通用电气公司将把使用碳化硅纤维制造的陶瓷基复合材料零部件,用于最新型发动机GE9X的生产。波音公司的一代大型客机777X将配备该款发动机。截至2017年3月,GE9X接到的订单数相当于300架飞机的用量。通过使用复合材料和调整设计,GE9X的耗油量可下降10%以上。
 
  目前,可生产碳纤维与碳化硅纤维的有日本、德国和美国,日本技术最先进,产量也最大,日本企业的产量占总产量的70%以上,主要生产企业有宇部兴产公司、日本碳精电极公司、美国通用电气公司等,估计全球2016年的总产量还不到20吨,2025年的预计产量或将超过650吨。
文章来源:http://chinacompositesexpo.com/cn/news.php?show=detail&c_id=12&news_id=5013