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铝业职工撸起袖子加油干吧! 力争2020年支线民机铝材全部国产化

2017-10-20

  航空器是指在地面以上100km厚的大气层内飞行的各种器械,如飞机、直升机、无人飞机等,航空器又称飞行器,大体上可分为两大类,军用的与民用的,也有军民兼用的。ARJ21、新舟60型支线客机、C919干线客机、AG600水陆两栖飞机等系民用的,可简称民机;轰炸机、歼击机、强击机、Y-20重型军用运输机等是军用的,可简称军机;Y-20也可军民兼用,但以军用为主。干线客机又可称大飞机,是指100座以上、航程≥5000km的飞机。

  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座~90座级的中、短航程涡扇发动新支线客机,家族中有基本型、加长型、货机和公务机四兄弟。

  ARJ21民用客机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和机载系统,发动机、航电、电源等系统全部是在世界范围内竞标采购的,其中有不少零部件是在中国制造的,也有一些产品是中国分交的。

  2002年4月,ARJ21飞机项目正式立项,9月成立了中航商用飞机有限公司,负责该项目运作,由其工程部总体设计,2003年初初步设计和详细设计转至中国一航第一飞机设计研究院。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,由成都航空公司技术过硬、经验丰富的拥有ARJ21飞行资质的飞行员驾驶着第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,初期投入成都至北京、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喷气支线客机,是中国航空工业发展史上一件特等大事。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

  用了哪些铝合金铝材

  2017年1月23日,工业和信息化部副部长徐乐江在民机铝材上下游合作机制年度工作会议上指出,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。

  ARJ21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,几乎所有系的合金都用了,大的有四五十公斤的蒙皮板,小的是以克计的铆钉,但是数量甚多,多达四十余万个。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古老的铆钉。铆钉问世可能有几千年了,在飞机上的应用也有112年了。

  在ARJ21支线客机主结构铝材中用得最多的是2xxx系及7xxx系合金,而且都是最新一代的合金,而制造取证用的原型机所用铝材全是美国铝业公司提供的,万里迢迢从美国西海岸越过大洋来到中国,板材来自艾奥瓦州(Iowa)达文波特轧制厂(Davenport 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。2xxx系及7xxx系合金在ARJ21主结构铝材用量中占总用量的98%。原型取证机之所以没有用中国铝材制造,是为取得适航证,并不是说中国1kg也不能制造,随着适航证的取得,国产铝材的用量会逐年有所上升。

  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7xxx系合金的7050、7150、7055,它们约占35%,都在T77状态下应用,T7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最大值低了一些,但抗应力腐蚀开裂和晶间腐蚀能力却有较大提高。

  此外,还用了少量的钛合金薄板,Ti-6Al-4V合金是一种最常用的钛合金,也是价格较低与综合性能较好的一种合金。

  蒙皮全用2524-T3合金

  2524-T3合金真是一个很牛的2xxx系合金,ARJ21-700支线客机的所有蒙皮它都全包了,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、方向舵蒙皮与调整片、副翼蒙皮与调整片、缝翼蒙皮、升降舵调整片。2524合金1995年诞生,同年在美国铝业协会注册,而它“爷爷”的“爷爷”2024合金却是1934年诞生的。2524合金是2024合金家族的第六代,在主成分(Cu、Mg、Mn)方面它们的含量大体相等,例如2024合金含3.8%~4.9%Cu,而2524合金为4.0%~4.5%Cu;2024合金的镁含量为1.2%~1.8%,而2524合金含1.2%~1.6%Mg;2024合金含0.30%~0.9%Mn,而2524合金的含量为0.45%~0.7%Mn,由此可见,2024合金的主合金元素含量范围比2524合金的宽松一些,因而2524合金的生产难度稍大一些。

  可是2524合金的杂质含量比2024合金的少得多,是一个很干净的合金,它的杂质Si、Fe、Cr含量依次为0.06%、0.12%、0.05%,分别只有2024合金的12%、24%、50%,其他杂质的含量也相应地大幅下降,因而其杂质相数量少得多,合金的常规力学性能与2024合金的相当,但是其断裂韧性与抗应力腐蚀开裂能力、抗疲劳裂纹扩展能力比2024合金强,也更耐损伤容限,所以它的综合性能比2024合金的更好,真是一代胜过一代。用它制造的零部件更加经久耐用,维修期长了,维护费用下降了,飞机的安全性更高了。

  T3表示板材固溶处理后经过拉伸,然后再时效处理(自然时效)后发给用户,用户用于加工零件,因为拉伸在用户加工零件之前,故被称为预拉伸,拉伸永久变形量为1.5%~3%。淬火后的板材内存着巨大的内应力,表层为压应力,内部为拉应力,如不消除它们,用户用其加工零件时会产生变形,变为废品,预拉伸就是消除这种淬火残余应力,便于机械加工工件的顺利进行。经过预拉伸的铝合金板被称为预拉伸板,多用于制造航空器蒙皮,是一类高技术产品。预拉伸在拉伸机上进行,中国目前可生产预拉伸板的企业有东北轻合金有限责任公司、西南铝业(集团)有限责任公司、南山轻合金公司、爱励国际(镇江)有限公司等7家。

  用2024型合金制造的ARJ21飞机零件还有:用2524-3511合金加工的机翼下壁板,用2324-T39合金加工的机翼梁腹板。用2026-T3511合金制造的机翼梁下缘头,2026合金是1999年在美国铝业协会公司注册的一个美国Al-Cu-Mg系合金,它的Cu、Mg、Mn含量比2524合金的低一些,但相差不太大,大的区别还在于它含有0.05%~0.25%Zr与杂质Si、Fe、Cr、Zn、Ti的含量全面低于2524合金的,因而它的综合性能比2524合金的更胜一筹,T3511表示固溶处理后经过拉伸的挤压材料,拉伸永久变形量1%~3%。

  7xxx系合金

  在ARJ21支线客机结构制造中,用得最多的是2xxx系的2524合金,在铝合金总量中约占60%;其次是7xxx系合金占35%左右,主要用了三种合金:7050、7150、7055,这3种7xxx系铝合金撑起ARJ21客机半边天,实际上可以说是两种合金,因为7050合金与7150合金的主成分相同。

  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、翼染、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,长期使用温度不得超过125℃。

  ARJ21客机用7050合金T7452材料的零件有后机身框、机身框、机身机翼上方机身框、旅客观察窗框等。

  7150合金是7050合金的发展,Zn的含量更高一点,Mg含量略有变动,Zn/Mg比有所提高,Cu含量稍有下降,因而性能进一步改善了,用其T77状态材料制造的结构承力件有:机翼肋缘条、翼肋腹条、襟翼盈、襟翼梁缘头、襟翼梁腹板、垂尾梁缘头、垂尾梁腹板、垂尾腹板、垂尾肋、升降舵肋与梁、平尾肋、梁腹与梁缘头、方向舵肋、梁复板与梁缘头、副翼肋与梁、缝翼肋与梁、前缘肋、机身地板梁下增压区剪切角片。用T7751状态材料制造的承力结构件有:机翼上下翼面上桁条、机翼梁上缘头、垂尾长桁、与机翼对接的机身部位长桁、机身桁、地板梁下增压区桁。

  用7055合金制造的零件虽不多,但都是受力大的与关键性的,如用7055-T77511合金制造机翼上壁板,起落架接头是用7055-T77合金锻造。在7xxx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,一个也不能少

  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,至今仍如此,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ARJ21客机相当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ARJ21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截荷的结构零件、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的改进型,不过它的杂质含量低以及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413.0、360、355、A357、Tens-50、380、A380合金等。

  ARJ21支线客机铝材

  即将全部国产化

  ARJ21支线客机是中国自主设计制造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,2016年年底有5架完成交付,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,建设总目标是50架/年,一期建设目标30架/年。按规划,所用铝材可于2020年以后达到100%国产化,笔者认为,在工信部牵头下成立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率进程。

  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、中铝西北铝加工分公司等为主的约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,他们的装备都是世界一流的,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,其炉温设计温度±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,单板最大质量25t。在ARJ21客机所用铝材中,生产难度大的是T77状态材料,只要能生产这种材料,其他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。

  ARJ21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24955kg)25t的75%,约合50t(含铸件与锻件),即需要采购50t铝;结构钢和不锈钢的占10%;复合材料的占8%;钛合金的占2%;其他材料的占5%。在2020年以前,如果每年生产30架,每年铝材的最大用量为1500t。

  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。



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