100多年的世界航空發(fā)展史真實(shí)演繹了“一代材料，一代飛機(jī)”這句話；100多年來，飛機(jī)的外型、構(gòu)造和材料都發(fā)生了翻天覆地的變化，可以說，航空業(yè)的發(fā)展與機(jī)體材料、結(jié)構(gòu)材料、發(fā)動(dòng)機(jī)材料以及各類組件材料的創(chuàng)新應(yīng)用密不可分。
在近日召開的2020（第六屆）航空材料與制造工藝上海國(guó)際論壇上獲悉，隨著我國(guó)材料工業(yè)正在由大變強(qiáng)，以及我國(guó)民機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)入快車道，未來航空材料市場(chǎng)的規(guī)模可觀，國(guó)產(chǎn)化也將是大勢(shì)所趨。
航空復(fù)合材料市場(chǎng)規(guī)模可觀
航空材料是航空工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，涉及大量的全球進(jìn)出口貿(mào)易。由于航空零部件廠商對(duì)材料的高需求，亞太、歐洲和北美地區(qū)航空航天材料市場(chǎng)潛力巨大，據(jù)預(yù)測(cè)，全球航空航天材料市場(chǎng)規(guī)模到2022年將達(dá)到258億美元，2017年~2022年的年復(fù)合增長(zhǎng)率則為6.9%。此外，到2023年中國(guó)航空業(yè)僅復(fù)合材料市場(chǎng)的規(guī)模就將達(dá)到282.7億元人民幣。
材料是實(shí)現(xiàn)先進(jìn)飛機(jī)高性能、輕量化、高可靠性、長(zhǎng)壽命、低成本的重要技術(shù)保障，而且飛機(jī)具有用途多、使用環(huán)境多樣、服役環(huán)境苛刻等特點(diǎn)，這些都對(duì)飛機(jī)使用的材料和制造技術(shù)提出了很高要求。基于飛機(jī)材料的重要性，世界航空強(qiáng)國(guó)對(duì)飛機(jī)材料的發(fā)展都予以高度重視。航空技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，推動(dòng)著航空材料的更新。與此同時(shí)，新材料的出現(xiàn)以及制造工藝與理化測(cè)試技術(shù)的進(jìn)步，又為航空產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造提供了重要的物質(zhì)與技術(shù)基礎(chǔ)，從而不斷推動(dòng)航空產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
截至目前，國(guó)產(chǎn)“新舟”系列飛機(jī)已交付100余架，ARJ21支線客機(jī)交付39架，大型干線客機(jī)C919正在密集試飛中，國(guó)內(nèi)外訂單達(dá)815架，我國(guó)民機(jī)產(chǎn)業(yè)已步入發(fā)展快車道。復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的使用已經(jīng)非常廣泛，在大型客機(jī)方面，國(guó)際上最先進(jìn)的波音787和空客A350，以及國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)C919和中俄寬體機(jī)項(xiàng)目CR929都使用了大量的復(fù)合材料。
據(jù)中國(guó)商飛復(fù)合材料中心典型結(jié)構(gòu)部主任、研發(fā)工程師陳萍透露，國(guó)內(nèi)外研發(fā)的先進(jìn)金屬材料在國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)C919上都有應(yīng)用，其中復(fù)合材料在C919上主要用于后機(jī)身段，復(fù)合材料用量約為12%；不過，未來CR929除了機(jī)頭以外，整個(gè)機(jī)身和機(jī)翼尾翼都計(jì)劃使用復(fù)合材料，用量目標(biāo)為50%以上。
她認(rèn)為，復(fù)合材料在大型客機(jī)的使用上，是從尾翼等次承力結(jié)構(gòu)向機(jī)身、機(jī)翼等主承力結(jié)構(gòu)不斷擴(kuò)展。“當(dāng)前，國(guó)內(nèi)大型客機(jī)復(fù)合材料在國(guó)內(nèi)的運(yùn)用技術(shù)成熟度和生產(chǎn)效率還有待提高，全自動(dòng)專業(yè)化生產(chǎn)有待實(shí)現(xiàn)，液體成型技術(shù)有待進(jìn)入生產(chǎn)線正式開展應(yīng)用。高性能、高效率、低成本將會(huì)是未來原材料領(lǐng)域的主要發(fā)展方向。”
市場(chǎng)對(duì)航空材料要求越來越高
100多年來，人們對(duì)飛機(jī)的要求越來越高：旅客要求更安全更舒適，制造商要求成本更低更耐用，航空公司要求運(yùn)營(yíng)更經(jīng)濟(jì)……其實(shí)這些需求與航空材料和制造工藝的創(chuàng)新升級(jí)密不可分。
要實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，對(duì)于民機(jī)設(shè)計(jì)者來講，就要做到減重和長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)；對(duì)于材料而言，就需要輕質(zhì)和高耐損傷容限性能。用通俗的話來講，就是飛機(jī)要足夠輕，又要足夠耐用。
中國(guó)商飛上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院型號(hào)副主任設(shè)計(jì)師、研究員李紅萍表示，盡管如今新型飛機(jī)上復(fù)合材料的比例越來越大，金屬材料依然是主體，C919鋁合金占62%，ARJ21更是占72%。但是新一代鋁鋰合金已被要求做到輕質(zhì)，市場(chǎng)對(duì)航空材料的要求越來越高。
結(jié)合商飛的使用現(xiàn)狀以及國(guó)外供應(yīng)商的研發(fā)方向，李紅萍預(yù)測(cè)，未來5年~10年金屬材料的主要研發(fā)方向有：適用于機(jī)身壁板、梁、機(jī)身框等部位應(yīng)用的鋁鋰合金厚板，適用于機(jī)身蒙皮用的鋁鋰合金薄板，適用于蒙皮壁板長(zhǎng)桁用鋁鋰合金型材，高（中）強(qiáng)高韌耐損傷容限性能的先進(jìn)鋁合金，高耐損傷容限性能、超高強(qiáng)度的不銹鋼等。
航空材料的國(guó)產(chǎn)化是大勢(shì)所趨。中國(guó)寶武作為全球鋼鐵技術(shù)的引領(lǐng)者，一直致力于新材料的研發(fā)及應(yīng)用。據(jù)寶武特種冶金有限公司副總工程師馬天軍介紹，寶武特冶產(chǎn)品中的鈦合金、高溫合金、超高強(qiáng)度鋼等與航空材料關(guān)聯(lián)度非常大。該企業(yè)在1966年就通過了高溫合金雙真空冶煉，近年來在國(guó)家重大裝備材料方面實(shí)現(xiàn)了重大突破。與此同時(shí)，其新型變形高溫合金開發(fā)步伐不斷加快，還與研究機(jī)構(gòu)合作開發(fā)了一系列耐高溫難變形的高溫合金材料，部分產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了工程應(yīng)用，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)提供了更多可選材料。他希望未來能在特種冶金等方面進(jìn)行更多研究，不讓冶金技術(shù)質(zhì)量拖航空工業(yè)的后腿。
中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院副總工程師張學(xué)軍表示，對(duì)于飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)來說，材料要求輕質(zhì)、高強(qiáng)度、耐高溫，結(jié)構(gòu)要低缺陷、高穩(wěn)定性，這是航空材料增材制造必須要解決的問題。
增材制造（Additive Manufacturing，AM）俗稱3D打印，融合了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、材料加工與成型技術(shù)，以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，通過軟件與數(shù)控系統(tǒng)將專用的金屬材料、非金屬材料以及醫(yī)用生物材料，按照擠壓、燒結(jié)、熔融、光固化、噴射等方式逐層堆積，制造出實(shí)體物品的制造技術(shù)。與傳統(tǒng)的、對(duì)原材料切削、組裝的加工模式不同，這是一種“自下而上”通過材料累加的制造方法。這使得過去受到傳統(tǒng)制造方式約束而無法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件制造變?yōu)榭赡堋?br>
為實(shí)現(xiàn)增材制造的可靠應(yīng)用，張學(xué)軍提出了解決辦法，一是通過研究飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)在組織、表面和結(jié)構(gòu)方面的全流程表現(xiàn)和關(guān)鍵技術(shù)，確保飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)所用的材料和結(jié)構(gòu)的可靠性；二要注意解決基礎(chǔ)性問題，提高技術(shù)成熟度；三要制定全流程的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
建立中國(guó)民機(jī)材料產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系
提升航空材料供給水平是先進(jìn)制造業(yè)發(fā)展和制造強(qiáng)國(guó)建設(shè)的重要基礎(chǔ)支撐。近年來，國(guó)家先后出臺(tái)了一系列新材料領(lǐng)域的重大政策，對(duì)全面推動(dòng)國(guó)家新材料產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)指明了方向，提供了發(fā)展空間。
目前，在各方的共同努力下，我國(guó)已基本形成比較完整的航空材料研制技術(shù)體系和批量生產(chǎn)能力，具備了主要航空裝備關(guān)鍵材料的供給能力。但是國(guó)產(chǎn)材料裝機(jī)比例、材料生產(chǎn)企業(yè)質(zhì)量管控能力等仍然與國(guó)際先進(jìn)水平有較大差距。
為增強(qiáng)民機(jī)材料的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，提高自主創(chuàng)新能力，中國(guó)商飛公司也一直致力于依托大型客機(jī)項(xiàng)目提高國(guó)內(nèi)民機(jī)新材料的研用水平，以型號(hào)需求為牽引，以掌握關(guān)鍵核心技術(shù)為目標(biāo)，推動(dòng)民用飛機(jī)材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展；同時(shí)以適航要求為導(dǎo)向，建立符合適航審定要求的民機(jī)材料研制和合格鑒定體系，并探索建立中國(guó)民機(jī)材料產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系。
為此，中國(guó)商飛于2018年10月成立了復(fù)合材料中心，主要負(fù)責(zé)復(fù)合材料典型結(jié)構(gòu)以及相關(guān)產(chǎn)品從預(yù)研、設(shè)計(jì)、工藝到制造、維修的全過程管理及質(zhì)量、進(jìn)度、成本、適航等全要素管理，同時(shí)負(fù)責(zé)商飛復(fù)合材料技術(shù)體系建設(shè)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范編制，以及復(fù)合材料產(chǎn)品供應(yīng)商專業(yè)技術(shù)的輸出和管控等。
