高强铝合金在航空航天的应用及发展趋势研究

2022-05-18 10:02

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2022年4月16日，中国神舟十三号载人飞船在东风着陆场成功着陆，神舟十三号载人飞行任务取得圆满成功！从莱特兄弟创造出的第一架飞机采用铝合金铸造的发动机曲柄箱开始，具有质轻、耐腐蚀等优点的铝合金就伴随着航空行业的进步而不断发展，在当今运载火箭结构材料中，铝材、铝基复合材料是用量最大的一类材料。据估计，在运载火箭结构与零部件中，铝及铝合金的净质量占结构总净质的85％以上，可以说铝合金技术的进步与飞机火箭技术进步息息相关密不可分。

01航空用铝合金发展进程

百年铝材百年航空，随着飞机设计思想的不断创新，先进飞机的构件制造对铝合金性能及规格提出了越来越高的要求，特别是现代飞机的轻量化、宽敞化、舒适化、长寿命、高可靠和低成本的发展需求，推动了高强铝合金的发展。按照铝合金的成分、工艺、组织－性能特征，可将航空铝合金的发展历程大致分为五个阶段：

表1：铝合金发展特征性能、关键技术与特征微结构

数据来源：火石创造根据公开资料整理

我国高强铝合金的研发主要受国内航空航天工程发展和国外高强铝合金相关技术发展的推动，经历了60多年的发展，通过国外引进与国内制造结合，基本建成了具有国际先进水平的高强铝合金材料生产的装备和加工基地，形成了我国自己的第一代、第二代、第三代铝合金材料及其批量生产的能力，研发了如LC4、LC9、LY12、2A12、2A16、2A19、7A04、7B04等系列铝合金，与国际差距逐渐缩小，我国高强铝合金发展也大致经历了五个阶段：

表2：我国高强铝合金材料的发展进程

数据来源：火石创造根据公开资料整理

我国研制和生产的铝合金材料支撑了不同时代的各种类型高端装备的研制与批产，在高强度铝合金材料研发生产方面积累了丰富的生产技术与工艺，为保障国家安全做出了贡献。

02 2xxx系与7xxx系铝合金

铝合金在航空航天领域的运载火箭上应用较多，主要牌号是7075、20X4、2219等，发动机装置、主体部件、旋转台、遥控部分等主要是铝合金7075，液氧槽主要为2219，20X4主要用于卫星流线型外罩和控温阀部件等。此外，载人飞行器的骨架是用2024和7075铝合金制作而成。

铝合金在飞机上主要是用作结构材料，如蒙皮、框架、螺旋桨、油箱、壁板和起落架支柱等。根据明泰铝业公司披露，当今世界各国大飞机结构用铝合金主要是高强度的2xxx系（2024、2224、2324、2424、2524 等）和超高强度的7xxx系（7075、7475、7050、7150、7055、7085 等），在民用客机铝材占比分别达约38％、45％。

图1：航空用铝合金占比数据来源：东方证券、明泰铝业

2xxx系（Al－Cu－Mg）铝合金以Cu为主要的合金元素，在强度、耐热性、加工性能上会有更好的提升，能够在高温状态下保持良好的强度稳定性和工艺性能，主要用于航空航天耐高温部件中，多用于150～250℃温度范围内工作的耐热零件和耐热可焊接的结构件及锻件，但Cu元素的引入会使铝合金内部更容易呈现晶间腐蚀，该系铝合金耐腐蚀性能较低。因此，对于2xxx系的铝合金一般都在表面做纯铝或6xxx系铝合金包覆处理作为本体铝合金的电化学保护膜，提高其耐腐蚀的性能。

7xxx系（Al－Zn－Mg－Cu）铝合金以Zn最为主要添加元素，通过热处理强化铝合金的韧性，加入Mg元素可以提高热变形性能并扩大淬火范围，改变热处理条件可以改善强度、焊接性和耐腐蚀性，但Mg元素的引入使得铝合金的应力腐蚀倾向严重。因此，7000系铝合金属于高强可焊且应力腐蚀敏感度高的合金。而加入Cu元素的Al－Zn－Mg－Cu合金则具有更高的强度，属于超高强铝合金，屈服强度与拉伸强度十分接近，屈强比和比强度都很高，但塑性较差，且在高温下的强度较低，经常用于使用温度低于120℃的承力结构件。7xxx系铝合金的加工性能优异、耐蚀性和高韧性使其成为航空航天的主要结构材料。

03 第三代航空用铝——铝锂（Al－Li）合金

据推算，运载火箭每减重1kg可节省发射费用约2万美元，战斗机质量若减轻15％，则可缩短飞机滑跑距离15％，增加航程20％，提高有效载荷30％。降低合金质量最简单的方法就是向其中添加轻原子量元素，以减小合金的密度。目前为止，锂是世界上发现最轻的金属元素。前期研究发现，向铝合金基体中每添加质量分数为1％的Li，可降低该合金密度3％，弹性模量上升5％～6％。相比于常规的2xxx系和7xxx系高强铝合金，不仅具有低密度、高弹性模量、高比强度和高比模量的优点，还兼具低的疲劳裂纹扩展速率、较好的高温及低温性能等特点，相比于复合材料，在抗冲击、塑性和修复性等方面也具有不可替代的优势。铝锂合金已在航空航天器材上得到广泛应用，是现代航空航天器材设计中最具竞争力的材料之一。

我国直到20世纪80年代中期才正式启动Al－Li 合金的研发工作，起步较晚。中南大学、北京航空材料研究院、航天703 所、北京有色院以及西南铝业公司等高校和单位依托国家相关课题项目，围绕Al－Li 合金的成分设计、组织调控以及性能生成等方面进行了深入系统的研究，已经能够产业化制备多种Al－Li 合金。并根据航空航天领域铝合金的应用背景和性能要求，开发出了综合性能良好的Al－Li合金，建立了具有自主知识产权的合金牌号，如2A97、X2A66。

此外，铝锂合金在我国航空航天领域已获得成功应用。2017 年5 月5日，中国拥有全部自主知识产权的大型客机C919在上海祝桥基地圆满完成首飞。铝锂合金材料在C919 中的用量约15．5％，其中南昌洪都飞机制造公司采用Al－Li－S4 和2198 铝锂合金厚板制造了C919前机身蒙皮、机头蒙皮以及中机身蒙皮等。

铝锂合金的研究加速了我国航空航天领域的发展，如天宫一号、嫦娥一号、长征系列火箭等都可以看到铝锂合金的身影。我国在铝锂合金的研发、生产和应用方面与国外还存在差距，但强劲的发展势头和大量的研究成果让差距逐渐减小。

04 航空用铝合金需求预测与发展建议

据东方证券预计，全球客机用铝20－24、25－39年均需求分别为17．8、44．2万吨。全球客机20－24年年均用铝需求或仍低于疫情前水平，但随着疫情的恢复，全球航空业将重返增长通道，预计25－39年全球客机用铝年均需求或提升至44．2万吨。在我国自主研发的ARJ17和C919机型量产带动下，我国航空用铝产业有望崛起，其中第三代航空用铝材料铝锂合金或是未来重点发展方向。

目前国内航空用铝合金材料的生产主要集中在东轻公司、西南铝以及西北铝，这三家的航空用铝合金材料生产和应用占到国内的95％以上。在装备能力方面，国内以南山铝业、南南铝业、兖矿集团、辽宁忠旺、爱励铝业等为代表的大型铝加工企业具有较强优势，但均缺少高性能铝合金材料的研发基础以及工程化生产经验。

这些航空用铝合金制造企业从“七五”开始航空用铝的研制工作，解决了一大批自主化保障难题，推动了我国航空工业发展。但在我国现有航空机型方面，仍有一大部分材料从国外进口进行装机应用，主要原因具体如下：

1．技术设备壁垒铝合金中厚板辊底式固溶热处理炉用于对航空、航天用高性能要求和高表面质量的2xxx、7xxx铝合金中厚板材的固溶淬火处理。该设备是生产大飞机、船舶、兵器装备预拉伸板必备的高端高精装备。一直被国外公司掌控，装备技术含量高、研发难度大。

2．认证壁垒以波音公司对供应商认证要求为例，包含AS9100，EN9100和JISQ9100等一系列认证要求，目前国内仅有南山铝业等为数不多的铝加工企业获得波音认证。

3．国内产品价格高于进口同类产品国内航空用铝合金材料起步较国外晚，且大部分产品都是通过后期的装备升级、改造才具备了生产条件，新装备的折旧费用致使材料的制造成本增加。另外，由于材料的研究还不够深入，虽然能够生产出合格产品，但质量不稳定，成品率较低也致使成本增加。

基于此，我国航空用铝合金未来发展还需关注以下几点：

1）加大高强铝合金材料科学基础技术的研发，从材料成分组成、热处理工艺、加工工艺等诸多方面进行高强铝合金材料性能的提升；

2）加强对高强铝合金生产设备的开发研制，使铝合金的传统工艺向智能制造工艺快速转变；

3）全力推进波音、空客、商飞、赛峰、庞巴迪等航空公司的产品认证工作，尽快实现国产材料在民用航空领域的批量化应用；

4）加强国际技术合作，借鉴国外先进的技术开发经验及研发理念。

参考资料：

［1］张丽娇《航空航天高强铝合金材料应用及发展趋势研究》［2］东方证券：《高端铝材：承新能源东风，需求进入爆发期》［3］罗先甫等《2xxx系航空铝合金研究进展》［4］于以标等《高性能铝锂合金的研究进展及其应用》