我国航空铝合金产业发展战略研究_熊柏青.pdf

我国航空铝合金产业发展战略研究DOI 10.15302/J-SSCAE-2023.01.005我国航空铝合金产业发展战略研究熊柏青 1,2，闫宏伟 1,2,3，张永安 1,2,3，李志辉 1,2，李锡武 1,2,3（1.中国有研科技集团有限公司有色金属材料制备加工国家重点实验室，北京 100088；2.中国有研科技集团有限公司，北京 100088；3.有研工程技术研究院有限公司，北京 101407）摘要：航空铝合金作为航空器机体结构中最重要的结构材料之一，是我国国防科技工业发展、现代化经济体系建设、深入实施制造强国战略的重要物质基础。当前国际上已发展形成高强高韧铝合金、高比强/高比模铝合金、含钪高性能铝合金等三类主要航空铝合金体系，新一代高性能合金研究、高灵活度制备加工以及数据驱动的高效合金设计是主要的发展趋势。当前我国航空铝合金产业与国际发达国家总体“并跑”、部分“跟跑”，特别是在日趋复杂的国际国内宏观形势下，发展机遇与挑战并存，自主创新能力难以支撑航空铝合金材料创新引领、部分品种材料及装备“卡脖子”问题突出、产品国际市场竞争力不足、测试和应用数据积累及过程管控等基础体系能力短板尚存等问题更为突出。需从航空铝合金材料竞争力提升、新材料研发先行、高效上下游合作研发、新材料应用推广、材料指标和应用指标评价体系建立等方面发力，提升我国航空铝合金产业创新发展水平。关键词：航空；铝合金；高强高韧；高比模量中图分类号：TG146.2 文献标识码：ADevelopment Strategy for the Aviation-Grade Aluminum Alloy Industry in ChinaXiong Baiqing 1,2,Yan Hongwei 1,2,3,Zhang Yongan 1,2,3,Li Zhihui 1,2,Li Xiwu 1,2,3(1.State Key Laboratory of Nonferrous Metals and Processes,China GRINM Group Co.,Ltd.,Beijing 100088,China;2.China GRINM Group Co.,Ltd.,Beijing 100088,China;3.GRIMAT Engineering Institute Co.,Ltd.,Beijing 101407,China)Abstract:Aviation-grade aluminum alloy is one of the most important structural materials for aircraft body structure.It is the material basis for developing national defense industry,constructing a modern economic system,and strengthening the manufacturing sector of China.Aluminum alloys with high strength/toughness,high specific strength/modulus,and Sc addition have been developed in the recent decades.At present,research on next-generation alloy design,processing methods,and new alloy research and development paradigm have been drawing attention.The aviation-grade aluminum alloy industry in China has been developing rapidly.Especially in the increasingly complex international and domestic macro situation,development opportunities and challenges coexist.However,deficiencies are becoming increasingly apparent,such as lacking independent innovation capability to support the leadership of aviation-grade aluminum alloy materials,prominent risks of specific materials and equipment,lacking competitiveness in the international market,and the accumulation of test and application data.It is necessary to improve the competitiveness of aviation-grade aluminum alloy materials,develop new materials,cooperate with upstream and downstream research and development,promote the application of new materials,and establish material and application evaluation systems to improve the innovation and development of the 收稿日期：2022-11-08；修回日期：2022-12-27通讯作者：熊柏青，中国有研科技集团有限公司高级工程师，主要研究方向为有色金属结构材料；E-mail:资助项目：中国工程院咨询项目“我国先进有色金属材料发展战略研究”(2022-XZ-20)本刊网址： 2023 年 第 25 卷 第 1 期aviation-grade aluminum alloy industry in China.Keywords:aviation;aluminum alloys;high strength and high toughness;high specific modulus一、前言铝合金具有比重轻、比强度高、成本低、易加工、耐腐蚀等特点，长期以来一直是全球航空航天领域不可缺少的关键结构材料1,2。在当代航空制造业中，铝合金一直是航空器机体结构中最重要的选材之一，其用量约占机体结构重量的 40%70%，广泛应用于飞机主承力框、梁、壁板、蒙皮等部位3。经过近百年的发展，航空铝合金已经成为了代次特征鲜明、状态规格齐全的航空航天用核心关键配套材料，是航空主干材料的重要组成部分。航空铝合金主要包括高强/超高强高韧型Al-Zn-Mg-Cu系（7xxx系）、中高强耐损伤型Al-Cu系（2xxx系）、中强可焊型Al-Mg-Si系（6xxx系）、以及高比强高比模轻质型Al-Li合金和少量其他体系铝合金，主要包括预拉伸厚板、薄板、锻件、挤压材、铸件等。近年来，树脂基复合材料由于其在比强度、比模量、耐腐蚀等方面的性能优势，在更为关注燃油经济性的先进民航客机中的用量大幅提升，如波音B787、空客 A350 等客机中复合材料的用量均超过50%4，但仍存在装机成本高、可回收性差、无损检测困难等局限。因此在当前和未来很长一段时间，铝合金仍然是世界航空制造业的核心结构材料。航空铝合金是我国国防科技工业发展、现代化经济体系建设、深入实施制造强国战略的重要保障。从国家重大战略需求看，所谓“一代装备、一代材料”，航空铝合金是保障国产大型飞机、先进战机、航天飞行器等重大型号自主可控的物质基础；从铝加工行业高质量发展需求看，航空铝合金作为一种高技术含量、高附加值的产品，工业发达国家一直将其看作是反映一个国家铝加工业综合实力和科学技术发展水平的重要标志，是带动铝加工行业高质量发展的核心引擎。自“十五”以来，特别是在大型飞机重大科技专项的带动下，我国航空铝合金产业快速发展，多项合金关键技术取得突破，第三代/第四代多种高强高韧铝合金材料实现自主保障，总体达到了国际先进水平，有力保障了先进战机、大型飞机等的研制生产。本文通过梳理航空铝合金产业国内外发展现状、我国新形势下对航空铝合金产业的发展需求，分析我国存在的差距和不足，总结凝练中长期发展目标，并提出发展对策与建议，助力我国航空铝合金产业高质量、创新发展。二、国外航空铝合金的发展现状与趋势西方发达国家研究开发和生产制造航空铝合金材料已有近百年历史。国际上以奥科宁克公司（Arconic）、肯联铝业（Constellium）、诺贝利斯（Novelis）铝业公司、爱励铝业公司（Aleris）、凯撒铝业公司（Kaiser）、奥地利金属公司（AMAG）等为代表的美欧等发达国家和地区的企业引领全球航空铝合金领域创新发展，产品大量用于制造飞机的关键结构件，如机翼蒙皮、机翼壁板、机翼翼梁和翼肋、机身蒙皮、机身承力框架和隔板、机舱地板梁等。（一）航空铝合金的成分设计1.高强高韧航空铝合金7xxx系和2xxx系高强韧铝合金在所有航空铝合金中用量最大、品种和规格最多，是最具代表性的航空铝合金。欧美等工业发达国家和地区在不同的历史阶段，通过调整主合金元素的含量和配比、微合金化元素的添加种类和数量等，至今已经先后发展了四代商业化航空铝合金，满足了不同时期航空航天飞行器制造发展的需要。国际上新一代7xxx系/2xxx系航空铝合金正处于研发攻关与小批量应用阶段。如在500600 MPa强度级别的7xxx系铝合金的基础上，通过大幅度提高7xxx系铝合金的Zn含量及优化主合金元素配比，同时控制微量元素及杂质元素含量，开发出强度级别达到600650 MPa、具有优异综合性能的新一代超高强高韧铝合金材料，如7056、7065、7255等；在传统2xxx系铝合金的基础上，通过调整主合金元素配比、持续降低Fe、Si杂质元素含量以及复合微合金化等，实现了在强度水平相当的情况下，断裂韧性提高了20%左右，疲劳裂纹扩展速率水平降低了15%，开发出了一系列中高强损伤容限 2xxx 系铝合金材料，如089我国航空铝合金产业发展战略研究2524、2624等。未来7xxx系/2xxx系航空铝合金发展主要在强度级别提升的同时保持高综合性能匹配为主线，聚焦超高合金化程度条件下的合金成分优化设计原理，重点突破7xxx系超高强铝合金、高强耐损伤容限2xxx系铝合金、中高强耐热2xxx系铝合金等。2.高比强/高比模航空铝合金铝锂合金是近年来航空材料中发展最为迅猛的先进轻量化结构材料，具有密度低、弹性模量高、比强度和比刚度高、疲劳性能好、耐腐蚀、易焊接的特点，机械性能等同或者优于常用航空铝合金。国际上铝锂合金的研发已有70多年的历史，已开发出第三代产品。受材料自身性能的影响，前两代铝锂合金产品中，除前苏联的第二代铝锂合金1420外，大部分未获得规模应用。近十年来开发的2097，2197、2297、2397、2099、2199、2195、2196、2098、2198和2050等第三代铝锂合金具有密度低、耐损伤、各向异性小、耐腐蚀、加工成形性好等特点，其中2197合金应用于F-16战机的后机身舱壁和其他部件，2099-T8511和2196-T8511合金应用于空客A380客机的地板梁、座椅导轨、辅助导轨、座舱、紧急舱地板等部位5。从2010年发展至今，以2050、2055、2060等为代表的第四代铝锂合金正在向着更高强度、高淬透性、优良的耐损伤以及焊接性能不断发展，如Arconic开发的2060铝合金已应用于我国C919大型客机机身蒙皮。3.含钪高性能航空铝合金微量钪元素的添加对高强高韧铝合金晶粒细化、抑制再结晶、提升焊接性能等方面具