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我国航空航天业对铝锂合金的需求

来源:中铝协 时间:2020-03-17 09:48 浏览次数:7119
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摘要:目前中国在通用航空器制造业已经走出了关键三大步,分别为支线客机ARJ21-700、单通道喷气客机C919和双通道喷气客机C929。ARJ21-700飞机铝制零部件多采用铝铜合金、铝锌合金等硬铝合金材料,铝锂合金没有获得应用。

  铝合金具有质轻、比强度高、耐腐蚀等优点,自1903年莱特兄弟制造的世界上第一架飞机采用铝合金铸造的发动机曲柄箱体起,铝合金就伴随着航空工业的进步而不断发展。锂是最轻的金属元素,在铝合金中每增加1%的锂,铝合金密度就可降低3%,模量提高6%,使得铝锂合金材料除了具有上述优点外,还能极大地提高抗疲劳性能和低温韧性。因此,铝锂合金已成为当前各国争相发展的重要航空材料。

  01、国内外铝锂合金生产及应用现状

  铝锂合金的研究和开发大致经历了3个阶段,第一代以2020、BAД23为代表;第二代以1420、2090为代表;当前已发展到第三代铝锂合金,其具有较好的综合性能,新近开发和改良的1460、2198、2199、2050等铝锂合金在先进大型客机和航天器上应用广泛。为满足航空航天工业的需要,世界上大型铝业公司和科研机构已经着手开发第四代铝锂合金,与第三代相比,新一代铝锂合金的锂含量将会降低,而强度、断裂韧性有所提升,伸长率有所降低,其他性能仍能达到甚至超越第三代铝锂合金的水平。

  1.1国外生产及应用现状

  目前,国外有完整铝锂合金生产体系的国家主要分布在有限的美国、俄罗斯、英国、法国和意大利共5个发达地区,铝锂合金的生产能力总计约20万t/a。这些国家建立了熔炼-铸造-加工的完整体系,其中熔炼-铸造是生产铝锂合金材料的关键工序。

  美国在铝锂合金的研发、生产和应用上走在世界前列,其生产能力占到全球的50%左右,产品种类覆盖板带材、挤压材、棒线材和锻件等,代表合金有Weldalite、AIRWARE、2099、7055等,主要生产企业有奥科宁克铝业公司、肯联铝业公司、爱励铝业公司。奥科宁克铝业公司是全球最大的铝锂合金生产企业,产能约5.5万t/a,奥科宁克公司的产能主要分布在达文波特轧制厂、拉斐特锻造挤压厂、郎维铝业公司、英国基茨格林铝业公司、意大利富西纳铝业公司、韩国的长元挤压厂;主要客户包括波音、空客、洛克希德马丁、湾流宇航、中国商飞等众多大型民用及军用飞机制造商。

  肯联铝业公司的铝锂合金生产在法国伊苏瓦尔轧制厂完成,产能约1.4万t/a,主要客户有欧洲宇航、空客和庞巴迪公司等。爱励铝业公司的铝锂合金生产位于德国的科布伦茨工厂。上世纪50年代,美国将最早的工业铝锂合金2020用于RA-5C预警飞机上,使得飞机总重减轻了6%;90年代后将第三代铝锂合金用于F-16后隔框、波音787大梁、奋进号航天飞机外储箱上,均取得了良好的减重效果。C-17运输机使用了2.8t铝锂合金板材和挤压型材制造货舱的地板梁、襟翼副翼蒙皮等结构,比用普通铝合金减重208kg。

  俄罗斯铝锂合金的研发、生产和应用始于前苏联,是仅次于美国的世界第二大研发、生产与应用大国;生产能力占到全球的25%左右,加工材种类与美国类似,代表合金有1420、1450、1460等,生产企业主要是俄罗斯联合铝业公司乌拉尔卡缅斯克铝业公司,市场主要是面向国内的航空航天部门。早期在上世纪70年代,俄罗斯就将1420铝锂合金用于MiG-29的机身、油箱、座舱等部位,减重效果达到24%;待发展到第三代铝锂合金时,俄罗斯还将新型铝锂合金用于暴风雪号航天飞机液氢贮箱、MiG-29、Su-27、Tu-144等民用及军用飞机上,如每架MiG-29飞机铝锂合金用量达3.8t,Su-27铝锂合金的用量占到了机身总重的3%。

  欧洲地区铝锂合金的研发、生产和应用分布在英国、法国和意大利,这些国家在第三代铝锂合金研发上已落后于美国和俄罗斯,在生产上由美国的公司在欧洲的分厂进行,如原法国普基铝业公司现已并入美国肯联铝业公司;英国基茨格林轧制厂、意大利富西纳轧制厂均是美国奥科宁克铝业公司的一部分。用户有空客公司、阿古斯塔·维斯特兰公司、欧洲战斗机公司等。台风战斗机前部所有薄板状零件皆由8090铝锂合金薄板制成,占所有材料的9%,驾驶舱内电子设备室的盖板长达1.5m;EH101直升机机身框架、蒙皮和内部结构大量采用铝锂合金板材和锻件,每架质量减轻200kg。

  1.2国内生产及应用现状

  在中国,为满足国产飞机对铝锂合金的需求,我国铝加工业在上世纪60年代就开始对铝锂合金进行跟踪性研究,成功仿制了8090和2091两种铝锂合金。在“八五”期间,我国已经能够熔铸1t级的铝锂合金,初步具备了生产小规格铝锂合金板、型材的能力。“九五”期间,通过引进俄罗斯1台6t级的铝锂合金真空熔炼炉和铸造设备及技术,在铝锂合金熔铸方面实现了从1t级向6t级的大跨越。2012年西南铝突破第三代铝锂合金多项关键技术,实现了铝锂合金综合性能的协同提高。

  我国经历近四十年的研究与探索,已基本掌握了航空航天铝锂合金材料的熔炼技术,如铝锂合金大扁锭与铝锂合金圆锭的铸造技术。但在铝锂合金基础研究与工业生产及应用方面,与美、俄仍存在较大差距,当前仅有西南铝业(集团)有限责任公司能够生产少量铝锂合金,年产量不足100t,远远不能满足国产大飞机的需求。

  02、国内铝锂合金市场需求预测

  铝锂合金已经在军用飞机、民用客机、直升飞机和航天器上使用,主要用于机身框架、襟翼翼肋、垂直安定面、整流罩、进气道唇口、舱门、燃油箱等。在新型飞机设计制造中,轻质和减重在航空领域常常“克克计较”,采用铝锂合金可使飞机铝合金零部件的质量减轻14%~30%,减重的效果就是每架飞机每年的飞行费用会下降2.2%以上,所以铝锂合金被认为是航空航天最理想的结构材料。

  目前中国在通用航空器制造业已经走出了关键三大步,分别为支线客机ARJ21-700、单通道喷气客机C919和双通道喷气客机C929。ARJ21-700飞机铝制零部件多采用铝铜合金、铝锌合金等硬铝合金材料,铝锂合金没有获得应用。C919大飞机的机身蒙皮、长桁、地板梁、滑轨、边界梁、地板支撑结构等部件都使用了第三代铝锂合金,全机铝锂合金材料占15.5%,用量达到14t,取得了综合减重7%的良好效果。

  由中航洪都制造的C919机身前部等直段部和中航西安制造的C919中机身和副翼大部件均大量采用了铝锂合金板,但C919大飞机采用的第三代铝锂合金均来自奥科宁克铝业公司。2018年6月,C929远程宽体客机整体外形和尺寸正式确定,正在开展初步设计(G3)工作,可以确定的是未来C929铝制零部件也将大量采用第三代甚至是第四代铝锂合金。

  据中国民用航空局发布的《2017年民航行业发展统计报告》统计,2017年,我国民航行业完成运输总周转量1083.08亿吨公里,比上年增长12.6%,过去五年全行业运输总周转量年均增长12.2%。截至2017年底,民航行业运输飞机期末在册架数3296架,比上年底增加346架。根据2016年12月发布的《中国民用航空发展第“十三个”五年规划》,预计到2020年,全国民航行业航空运输总周转量将达到1420亿吨公里,期间年均增长率达到10.8%,民航通用航空器达到5000架以上。

  同时规划提出“十三五”期间要做好ARJ21-700飞机和新舟60系列飞机的型号合格证证后管理,开展国产大型客机C919飞机等型号合格审定工作。另根据中国商飞公司2017年9月发布的《中国商飞公司2017-2036年民用飞机市场预测年报》,未来二十年,中国预计将交付8575架客机,价值约12104亿美元,年平均客机需求量达到420架以上。其中单通道喷气客机占64%,共计5475架;双通道喷气客机占23%,共计2003架;喷气支线客机占13%,共计1097架。

  近年来我国经济快速发展,消费得到逐步升级,2017年我国全年人均GDP为8836美元,已经进入中等偏上收入国家水平,航空消费需求持续上升,我国人均乘机次数接近0.4次/年,相比10年前提升1倍,但与发达国家美国(2.7次/年)、英国(2.1次/年)和日本(0.9次/年)相比,差距明显。根据民航局规划,2020年我国人均乘机次数将达到0.5次/年,到2030年人均年乘机次数达到1.04次/年,可看出,中国航空运输业的提升为航空器的需求提供了巨大的市场空间。

  目前国产单通道喷气客机C919已经接到订单730架,首架C919有望在2021年投入商用,若这些订单全部采用国产化材料,铝锂合金材料使用量参考当前C919水平,考虑每架飞机铝锂合金用量为14t,则仅单通道C919大飞机就需要铝锂合金10220t,再加上已在研发的双通道C929大飞机,铝锂合金的需求量在20000t以上。根据中国商飞公司的预测,未来二十年中国需要7478架单通道及双通道飞机,若其中1/3飞机由中国商飞公司生产,与波音、空客公司竞争,则国内铝锂合金的需求量在30000t以上。

  铝锂合金除了在民用航空器上大量应用外,另一主要应用市场是军用航空器。据统计,2017年中国军用作战飞机的数量达到1453架,主要以二、三代作战飞机为主,占世界比重达到10%,仅为美国的一半,居第二位。随着我国国力的提升,国家为了缓解陆上运输压力、保护国土安全和海外利益,不断加大对航空航天工业的投入,“十三五”期间中国空军将迎来“三代半”战机包括歼-10C、歼-11D,歼16和苏-35SK的换装高峰期,“三代半”战机规模将跃居世界第二,这些战术飞机产能有望突破115架/年以上,且第四代战斗机歼-20、歼-31已经服役,再加上战略飞机运20约10架/年的产能,一跃成为世界军用航空器产量最高的国家,未来十年这一局面也不会有大的变化。

  若按这一速度生产,中国军用航空器年需铝锂合金量达到近500t。铝锂合金在航天领域可用于制造航天飞机油箱、火箭燃料储罐、空间站结构件。综上所述,未来十年国内民用及军用航空器平均年需达到550架左右,铝锂合金材料年需求量约1500t以上。

  03、铝锂合金市场供应预测及建议

  目前,国内中南大学、北京航空材料研究院等院校进行了铝锂合金的基础研究工作,生产单位仅有西南铝能够生产铝锂合金,且产量很低,不足百吨,大飞机需要的铝锂合金仍需从美国进口,而国内军用及民用航空器用铝锂合金年需求量达到1500t,需求量是生产能力的15倍以上,铝锂合金材料亟需得到产业化。

  未来我国应以铝锂合金在大飞机、火箭等先进航空航天器的需求为契机,加强第三代乃至更先进铝锂合金材料的研究、生产及应用工作,提高自主创新和国产化保障能力。因此建议国家及相关企业不断提供政策支持和投入专项资金,增加研究和生产主体数量,强化和升级研究及生产、应用平台和工装设备建设,促进研发、生产和应用企业联合开发、协同促进,提升铝锂合金研发和创新能力及成果转化能力、升级和扩建航空航天铝锂合金生产线。





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