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航空材料:中國民機產業新“藍海”

時間:2021年01月07日   來源:

100多年的世界航空發展史真實演繹了“一代材料,一代飛機”這句話;100多年來,飛機的外型、構造和材料都發生了翻天覆地的變化,可以說,航空業的發展與機體材料、結構材料、發動機材料以及各類組件材料的創新應用密不可分。
  在近日召開的2020(第六屆)航空材料與制造工藝上海國際論壇上獲悉,隨著我國材料工業正在由大變強,以及我國民機產業發展進入快車道,未來航空材料市場的規模可觀,國產化也將是大勢所趨。
  航空復合材料市場規模可觀
  航空材料是航空工業發展的基礎,涉及大量的全球進出口貿易。由于航空零部件廠商對材料的高需求,亞太、歐洲和北美地區航空航天材料市場潛力巨大,據預測,全球航空航天材料市場規模到2022年將達到258億美元,2017年~2022年的年復合增長率則為6.9%。此外,到2023年中國航空業僅復合材料市場的規模就將達到282.7億元人民幣。
  材料是實現先進飛機高性能、輕量化、高可靠性、長壽命、低成本的重要技術保障,而且飛機具有用途多、使用環境多樣、服役環境苛刻等特點,這些都對飛機使用的材料和制造技術提出了很高要求。基于飛機材料的重要性,世界航空強國對飛機材料的發展都予以高度重視。航空技術的進步與發展,推動著航空材料的更新。與此同時,新材料的出現以及制造工藝與理化測試技術的進步,又為航空產品的設計與制造提供了重要的物質與技術基礎,從而不斷推動航空產業的發展。
  截至目前,國產“新舟”系列飛機已交付100余架,ARJ21支線客機交付39架,大型干線客機C919正在密集試飛中,國內外訂單達815架,我國民機產業已步入發展快車道。復合材料在航空航天領域的使用已經非常廣泛,在大型客機方面,國際上最先進的波音787和空客A350,以及國產大飛機C919和中俄寬體機項目CR929都使用了大量的復合材料。
  據中國商飛復合材料中心典型結構部主任、研發工程師陳萍透露,國內外研發的先進金屬材料在國產大飛機C919上都有應用,其中復合材料在C919上主要用于后機身段,復合材料用量約為12%;不過,未來CR929除了機頭以外,整個機身和機翼尾翼都計劃使用復合材料,用量目標為50%以上。
  她認為,復合材料在大型客機的使用上,是從尾翼等次承力結構向機身、機翼等主承力結構不斷擴展。“當前,國內大型客機復合材料在國內的運用技術成熟度和生產效率還有待提高,全自動專業化生產有待實現,液體成型技術有待進入生產線正式開展應用。高性能、高效率、低成本將會是未來原材料領域的主要發展方向。”
  市場對航空材料要求越來越高
  100多年來,人們對飛機的要求越來越高:旅客要求更安全更舒適,制造商要求成本更低更耐用,航空公司要求運營更經濟……其實這些需求與航空材料和制造工藝的創新升級密不可分。
  要實現上述目標,對于民機設計者來講,就要做到減重和長壽命設計;對于材料而言,就需要輕質和高耐損傷容限性能。用通俗的話來講,就是飛機要足夠輕,又要足夠耐用。
  中國商飛上海飛機設計研究院型號副主任設計師、研究員李紅萍表示,盡管如今新型飛機上復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,市場對航空材料的要求越來越高。
  結合商飛的使用現狀以及國外供應商的研發方向,李紅萍預測,未來5年~10年金屬材料的主要研發方向有:適用于機身壁板、梁、機身框等部位應用的鋁鋰合金厚板,適用于機身蒙皮用的鋁鋰合金薄板,適用于蒙皮壁板長桁用鋁鋰合金型材,高(中)強高韌耐損傷容限性能的先進鋁合金,高耐損傷容限性能、超高強度的不銹鋼等。
  航空材料的國產化是大勢所趨。中國寶武作為全球鋼鐵技術的引領者,一直致力于新材料的研發及應用。據寶武特種冶金有限公司副總工程師馬天軍介紹,寶武特冶產品中的鈦合金、高溫合金、超高強度鋼等與航空材料關聯度非常大。該企業在1966年就通過了高溫合金雙真空冶煉,近年來在國家重大裝備材料方面實現了重大突破。與此同時,其新型變形高溫合金開發步伐不斷加快,還與研究機構合作開發了一系列耐高溫難變形的高溫合金材料,部分產品實現了工程應用,為航空發動機提供了更多可選材料。他希望未來能在特種冶金等方面進行更多研究,不讓冶金技術質量拖航空工業的后腿。
  中國航發北京航空材料研究院副總工程師張學軍表示,對于飛機和發動機來說,材料要求輕質、高強度、耐高溫,結構要低缺陷、高穩定性,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,融合了計算機輔助設計、材料加工與成型技術,以數字模型文件為基礎,通過軟件與數控系統將專用的金屬材料、非金屬材料以及醫用生物材料,按照擠壓、燒結、熔融、光固化、噴射等方式逐層堆積,制造出實體物品的制造技術。與傳統的、對原材料切削、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制造方式約束而無法實現的復雜結構件制造變為可能。
  為實現增材制造的可靠應用,張學軍提出了解決辦法,一是通過研究飛機和發動機在組織、表面和結構方面的全流程表現和關鍵技術,確保飛機和發動機所用的材料和結構的可靠性;二要注意解決基礎性問題,提高技術成熟度;三要制定全流程的行業標準。
  建立中國民機材料產業標準體系
  提升航空材料供給水平是先進制造業發展和制造強國建設的重要基礎支撐。近年來,國家先后出臺了一系列新材料領域的重大政策,對全面推動國家新材料產業結構調整和制造業轉型升級指明了方向,提供了發展空間。
  目前,在各方的共同努力下,我國已基本形成比較完整的航空材料研制技術體系和批量生產能力,具備了主要航空裝備關鍵材料的供給能力。但是國產材料裝機比例、材料生產企業質量管控能力等仍然與國際先進水平有較大差距。
  為增強民機材料的國際競爭力,提高自主創新能力,中國商飛公司也一直致力于依托大型客機項目提高國內民機新材料的研用水平,以型號需求為牽引,以掌握關鍵核心技術為目標,推動民用飛機材料產業發展;同時以適航要求為導向,建立符合適航審定要求的民機材料研制和合格鑒定體系,并探索建立中國民機材料產業標準體系。
  為此,中國商飛于2018年10月成立了復合材料中心,主要負責復合材料典型結構以及相關產品從預研、設計、工藝到制造、維修的全過程管理及質量、進度、成本、適航等全要素管理,同時負責商飛復合材料技術體系建設和標準規范編制,以及復合材料產品供應商專業技術的輸出和管控等。

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