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三大民机崛起 铝材需求旺盛

http://www.100ppi.com  2021年03月12日 08:51  中国有色金属报
生意社03月12日讯

  本文所说的三大民机是指ARJ支线客机、C919大飞机和中俄合作的CR929远程干线宽体客机,支线客机可乘座70~90人,干线客机可乘座150人以上。

  ARJ支线客机

  ARJ21是英文名称“Advanced Regional Jet for the 21st Century”的缩写,意为21世纪新一代支线喷气式客机,它是70~90座级的中、短航程涡扇发动机的新支线客机,家族中有基本型、加长型、货机和公务机四类。

  ARJ21是中国首次自主设计和制造的支线客机。机体各部分分别在国内四家飞机制造公司生产,采用了大量国际成熟先进技术机载系统,发动机、航电、电源等系统全部是在世界范围内竞标采购的,其中也有一些零部件是在中国制造的,也有一些产品是中国分交的。

  2003年12月,ARJ21-700分别在成都飞机公司、沈阳飞机公司、西安飞机公司、上海飞机公司同时进行零部件制造。2007年12月21日,在上海飞机制造厂总装下线。2008年11月,在上海成功首飞。2015年3月,完成首次航线演示飞行。

  2015年11月29日,由成都航空公司飞行员驾驶的第106架机从上海中国商飞公司机场直飞成都双流机场,交付成都航空公司,并于2016年3月投放市场,初期投放成都至北京、上海、广州、深圳、武汉、西安等7条航线,从此,国内航线首次拥有全部自主知识产权的Made in China的喷气式支线客机,是中国航空工业发展史上一件大事。ARJ21-700支线客机从2002年4月正式立项至2016年3月投入营运历时14年。

  ARJ21客机用了哪些铝合金与铝材

  2017年1月23日,工信部副部长徐乐江在民机铝材上下游合作机制年度工作会上指出,工信部要尽快制订2017年重点工作方案,生产单位要按照适航审定要求,加强持续攻关,加快重点牌号铝材研制及应用进度,争取2017年取得阶段性进展。

  ARJ2I支线客机基本上是用铝合金打造的,铝制零部件的质量超过飞机净质量的75%,常用的铝合金种类几乎全用了,不过有的用得多,有的用得少一些,不管是变形铝合金,还是铸造铝合金,大到蒙皮板,小到铆钉,种类甚多,数量多达40余万个。ARJ21客机的零件总数上百万件,但是以紧固件最多,而在紧固件中坐第一把交椅的是铆钉。铆钉问世可能有几千年了,在飞机上的应用至少也有119年了。

  在ARJ2I支线客机主结构的铝材中用得最多的是2系及7系合金,而且都是最新一代的合金,制造取证用的原型机所用铝材全是美国铝业公司提供。板材来自艾奥瓦州(Iowa)达文波特轧制厂(Daven-port Works),挤压材与锻件是拉斐特厂(Lafayette Works)生产的,也有一些挤压材来自韩国的长光铝业公司,它是美国铝业公司在韩国的一个独资铝材挤压企业。2系及7系合金在ARJ21主结构铝材用量中占总用量的98%。

  ARJ2I支线客机铝材可全部国产化

  ARJ21支线客机是中国自主设计制造具有全部自主知识产权的首款中型客机,支线客机是指座位少于100个的飞机。根据上海飞机制造厂计划,至2016年年底,将有5架完成支付,其中2架90座级、3架78座级,预计今后五六年将完成30架交付,到2035年可交付880架,制造总目标是50架/年,一期目标30架/年。按规划,所用铝材可于2020年以后达到100%国产。在工信部牵头下成立了民机铝材上下游合作机制,会大大促进ARJ21飞机所需铝材的国产化进程。

  中国现有以东北轻合金有限责任公司、西南铝业(集团)有限责任公司、中铝西北铝有限责任公司等为主的约20家企业可生产ARJ21客机所需的铝合金板、箔、型、管、棒材与锻件等。它们的装备都是世界的,还有一个企业从奥地利艾伯纳(Ebner)公司引进了一台可进行T77处理的时效炉,其炉温设定温度±1℃,炉气温度精度±2℃,板材温度均匀性±1.5℃,单板的温度均匀性±1℃,可处理板材尺寸(mm):厚4~250、宽1000~4300,长2000~39000,单板质量25吨。在ARJ21客机所用的铝材中,生产难度大的是T77状态材料,只要能生产这种材料,其它所有材料的批量供应都不成问题,而装备在这种材料生产中起着重要的作用。

  ARJ2I飞机的选材以铝合金为主,铝制零部件质量占飞机净质量(使用空机重量24955千克)25吨的75%,约合50吨(含铸件与锻件)铝材,即需要采购50吨铝;结构钢和不锈钢占10%;复合材料占8%;钛合金2%;其它材料占5%。在2020年以前,如果每年生产30架,每年铝材的用量为1500吨。

  必须强调的是,所供应铝材的各项性能与指标务必全面达到或超过制造原型取证机用的从奥科宁克铝业公司进口的,以全面替代进口产品,同时价格合理,有国际市场竞争力。

  T77511合金用于制造机翼上壁板,起落架接头是用7055-T77合金锻造的。在7系合金中,7055合金是合金化元素平均总含量最高的之一,为12.35%,铁与硅的平均总含量又最低,仅0.125%,因而大扁锭的铸造难度大,冷裂纹倾向大,有些规格的大扁锭我们至今不能有经济效益地铸造。

  ●铆钉用量近40万个

  自飞机问世120多年来,零部件的铆接就是一种必不可少的连接工艺,大型战略运输机与A380型特大客机每架的铆钉用量上百万个。在今后一段相当长的时间内,铆接仍将是零部件连接的主要工艺,只不过随着时间的推移,设计的改进与焊接技术的进步,铆接工作量会有所减少,但是减少速度缓慢,例如一架大小与ARJ2I客机相当的民机,三四十年前每架的铆钉用量约60万个,而现在仍要用40多万个。

  ARJ21支线客机用的铆钉合金有2014、2219、3003、5052、5056、7050合金,2219合金铆钉用于铆接高强度的内外结构,7050-T73合金铆钉用于铆接高强度抗腐蚀的结构。铆钉在铆接前都要经过硫酸液阳极氧化处理与重铬酸盐封孔。

  ●铸造铝合金

  在ARJ2I支线客机制造中也用了一些铸造铝合金,虽然用量比变形铝合金少得多,但也是不可或缺的,如用356及A356合金铸造形状结构复杂、壁厚较薄与要求气密性的承受中等载荷的结构零件、仪器仪表附件、发动机零件、燃油泵壳体,它们是铝-硅-镁系合金,相当于中国的ZL101,它们都含6.5%~7.5%Si、0.25%~0.45%Mg;A356合金是356合金的改进型,不过它的杂质含量低与添加了微量晶粒细化元素,因而具有更高的力学性能。

  ARJ21客机用的铸造铝合金还有:413、360、355、A357、Tens-50、380、A380合金等。

  在ARJ21支线客机用的变形铝合金2524-T3,约占板材总用量的60%;其次是7系合金的7050、7150、7055,约占35%,它们都在T77状态下应用,T77表示固溶处理后再经过时效处理,材料的强度虽然比其可能达到的值低了一些,但抗应力腐蚀开裂和晶间腐蚀能力确有较大提高。

  2524-T3合金是一个很好的2系合金,ARJ21-700支线客机的所有蒙皮全是用其预拉伸板制造的,包括机身蒙皮、后机身蒙皮、翼下机身蒙皮、与机翼对接的机身部位蒙皮、襟翼蒙皮、襟翼子翼蒙皮、垂尾蒙皮、升降舵蒙皮、平尾蒙皮、扰流板蒙皮、方向舵蒙皮与调塾片、副翼蒙皮与调整片、缝翼蒙皮和升降舵调整片。2524合金诞生于1995年,同年在美国铝业协会注册,而2024合金却是1934年诞生的。2524合金是2024合金家族的第六代,它们的主要成分(Cu、Mg、Mn)含量大体相等。

  ●7系合金

  在ARJ21支线客机结构制造中,用得最多的是2系的2524合金,在铝合金总量中约占60%;其次是7系合金占35%左右,主要用了三种合金:7050、7150、7055,都是美国铝业公司研发的新型超强度铝合金。这3种7系铝合金撑起了ARJ21客机半边天。

  7050合金是一种高纯的超硬铝,不但杂质Fe、Si的含量低,而且Mn的含量也很低。组织中脆性夹杂相大幅度减少,在主成分中增大了锌镁比,并用Zr取代Cr作为晶粒细化剂。由于这些成分的改进以及经过人工时效处理,使7050合金在保持更高强度下,具有断裂韧性高、疲劳强度高、耐损伤容限性能好、抗应力腐蚀性能好等优良综合性能。另一个突出优点是有高的淬透性,特别适合于制造厚板与锻件、厚截面零件。在飞机上主要用7050合金制造要求高强度、高应力腐蚀和剥落腐蚀抗力及良好断裂韧性的主承力结构,如机身框、隔板、机翼壁板、翼梁、翼肋、起落架支撑零件和铆钉等。升高温度时,7050合金的强度下降,所以长期使用温度不得超过125℃。

  C919大飞机

  中国自主研发的C919大型客机始于2008年,2015年11月2日在中国商飞公司下线,2017年5月5日首飞。它的主要技术参数:基本型混合级布局158座,总长38.9m,高11.95m,冀展35.8m,标准航程4075km,可从北京直飞新加坡,可以往返国内所有域市,航程5555km,与波音B737飞机相比,具有更安全、更轻巧、更大功率、更快、更舒适等特点。

  C919用了哪些铝合金

  C919原型机用的铝材虽全是进口,那主要是为了获取适航取证的需要,从第二架飞机开始,国产铝材的用量会一批比一批多,一年比一年多,2018年生产的C919飞机用铝材国产化率超过35%,2022年的铝材国产化率可望达到100%,但Al-Li合金与铝基复合材料可能还需要外购一些,因为研制一代新飞机所需要的全部新型铝材,就是在工业发达国家也需要六七年的时间。

  C919的机头、前机身、中央翼、中后机身等大部段都由中航工业集团等国内航空业企业制造。飞行控制系统、机轮刹车系统、辅助动力装置和导航系统等由霍尼韦尔公司提供。

  发动机是美国通用电气公司(GE)和法国赛峰集团合作制造的,比现役空客A320及波音B737飞机的发动机功率都要大,更有劲,而油耗却比它们的大大降低,使用成本比它们的约低10%,碳排放量降低50%。

  C919采用中国自主研发的超临界机翼,提速省油,其声速比、导航特性、失速特性等几项重要指标均优于国外同类机型,速度也比它们的快。它的客舱增设了减震系统,可以缓冲颠簸,客舱内壁设有单独通风口,能更好地调解机舱内气压变化;舱内中间位置座椅比国际航空标准椅宽12.7mm,因而乘客感觉更舒适。

  C919飞机在选材上,既选用了大量的传统铝合金,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,还选用了一定数量的第三代铝-锂合金:2198-T8、Al-Li-Sc-T8、2096-T8511、2099-T83等。7系铝合金用得最多。

  C919的前机身、中机身、中后机身、机头与机翼结构件几乎全是用铝材制造的,而发动机吊挂、垂尾、平尾、后机身前段、后压力框、后机身中段、中央翼等则是用复合材料或钛合金锻件制造。

  除上述部段的主要零部件是用当今高端传统2系与7系铝合金制造,一些重要结构件是用铝-锂合金制造的外,一些次要的零部件与功能零件则用其它铝合金制造,如空调系统、油路管、行李架、卫生设施等。总体上,C919大飞机铝合金工件总质量占其总净质量的65%。

  C919是由一百多万个零部件连接组装而成,铝合金零件与其它零件的连接如发动机与机翼的连接,在飞机制造中起着非常重要的作用,所有的连接紧固件是美国铝业公司设在中国江苏省苏州市的两个工厂生产的,也可能有一些是进口的。古老的铆接法仍是飞机零件的主要连接工艺,C919的机身由一千六七百块板钣金件组装而成,仅铆钉就用了六万多个,有的为2系合金,有的为含锂的2系合金。

  制造C919大飞机所需的国产铝材,大都是中国铝业集团有限公司提供的,例如其所属的西南铝业(集团)有限责任公司除为C919提供了30个规格、600余件铝合金锻件外,2017年11月又试制成功旅客观察窗窗框和起落架轮轮毂精密模锻件,填补了我国在此领域的空白。这些模锻件具有高强度、高韧性、抗疲劳性强与抗腐蚀性高的特点,是飞机的关键结构件,主要用在机翼、机翼活动面、机身中央翼、起落架等部位。

  2017年11月10日,C919首架机从上海浦东机场起飞,经过2小时24分钟飞行,顺利抵达西安阎良机场,航程1300余公里,这是中国圆梦大飞机非常重要的一步。美国《纽约时报》评论说:C919象征着一个崛起中的超级大国的工业实力,以及它主导一个新技术时代的梦想。北京大学政府管理学院宋磊教授说,C919成功首飞至少有三大意义:再次表明完整的工业体系对中国这样的大国所具有的重要意义;这是中国新型研发体制的成功,在研发过程中,中国企业实现了以我为主、统筹全球研发力量的研发思路;标志着中国的自主创新进入了新阶段。

  截至2017年12月5日,中国商飞公司与国内外客户签订的C919大客机订单总数已达785架。

  CR929远程干线宽体客机2021年开造

  2017年5月29日,中俄国际商用飞机公司(CRAIC)在中国商用飞机有限责任公司(COMAC)总部正式挂牌成立,并举行了CR929命名暨合资公司LOGO发布会。该系列飞机被正式命名为CR929,字母C和R分别代表中国(China)和俄罗斯(Russia);数字929也具有深远的象征意义:9在中国文化中有天长地久之意,2是项目的实际编号,中国自己研制的首批窄体客机代号为C919。

  中俄国际商用飞机有限责任公司是中国商用飞机有限责任公司与俄罗斯联合航空制造集团公司(UAC)的合资企业,它的LOGO为一对机翼图案,代表精诚合作,两翼起飞,红色机翼代表中国,蓝色机翼代表俄罗斯。

  CR929将于2025年完成首飞,为此2023年下半年应总装完成下线,所需的铝材中国可供应80%,大致还有不到20%需要进口,主要是铝基复合材料及高档的新一代Al-Li合金材料。截至2045年,规划销售1000架,若每架飞机的铝材采购量按120吨匡算,铝材的总采购量约12万吨,25年内的平均采购量为4800吨/年。

  俄罗斯与我国合作生产CR929干线客机的合作形式实际上是所谓的技术伙伴关系,我国负责设计与制造,俄方充当技术伙伴,我国可在此框架内获得自己没有的远程干线飞机制造经验,同时得到仍是短板的复合材料技术。中俄国际商用飞机公司的项目预算约130亿美元。

  按中俄国际商用飞机有限责任公司的规划,2025年完成首飞。到2045年销售300架~1000架。根据俄罗斯2016年12月对CR929项目所作的技术经济论证,基本型280座,售价1.135亿美元~1.178亿美元,而波音公司B787-9为2.64亿美元,B787-10为3亿美元。中俄合造飞机的价格还不到美国飞机的50%。

  按分工,我国除了完成最后的组装外,还负责机身装配和销售。2020年12月已完成所有前期准备工作,2021年初期进入制造首架原型机阶段,所用铝材大体上与C919大飞机相同,据评估,可能还有约20%的铝材如铝基复合材料与铝-锂合金材料需从俄罗斯或其他国家进口。(王祝堂)

  (文章来源:中国有色金属报)

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