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在航空業(yè)一百多年的發(fā)展歷程中，材料與飛機一直在相互推動下不斷發(fā)展。從木制飛機到金屬飛機，再到如今復合材料成為民用飛機制造商爭奪的技術高地，每一次航空材料的變革都會推動飛機制造業(yè)技術水平的顯著提升。“一代材料，一代飛機”這句話可以說是世界航空發(fā)展史的一個真實寫照。
對于中國民機產(chǎn)業(yè)來說也同樣如此。據(jù)C919大型客機總設計師吳光輝介紹，新材料的應用是C919的一大技術亮點。在C919飛機上，我國第一次大范圍使用 第三代鋁鋰合金，復合材料的應用范圍涵蓋了方向舵等次承力結(jié)構(gòu)和飛機平尾等主承力結(jié)構(gòu)。此外，在C919項目的帶動下，我國在航空材料領域取得了許多重大突破，新材料加工工藝和基礎設施建設也有了質(zhì)的飛躍。
C919的“選材之道”
作為一款全新研制的飛機，C919大型客機在結(jié)構(gòu)選材方面充分考慮了材料的成熟度與先進性，這么做的目的一方面是保證C919作為新一代窄體客機的競爭優(yōu) 勢，另一方面則是考慮飛機未來投入航線運營的可靠性和易維修性。經(jīng)過大量試驗和嚴密論證，在C919飛機上，針對主要結(jié)構(gòu)件的不同要求，中國商飛公司分別 選取了碳纖維復合材料、第三代鋁鋰合金以及鈦合金這三種主要的航空新材料。
鋁鋰合金具有密度低、強度高且損傷容限性優(yōu)良等特點，用它替代常規(guī)鋁合金材料，能夠使飛機構(gòu)件的密度降低3%，重量減少10%~15%，剛度提高15%~20%，因此被認為是新一代飛機較為理想的結(jié)構(gòu)材料。
C919大型客機采用的是第三代鋁鋰合金，該材料解決了第二代鋁鋰合金的各向異性問題，材料的屈服強度也提高了40%。C919飛機的機身蒙皮、長桁、地板梁、座 椅滑軌、邊界梁、客艙地板支撐立柱等部件都使用了第三代鋁鋰合金，其機體結(jié)構(gòu)重量占比達到7.4%，獲得綜合減重7%的收益，在國際上屬于領先水平。
目前，民用飛機上使用的復合材料主要是碳纖維增強樹脂基復合材料，它具有比強度高、比模量高、抗疲勞性優(yōu)良、耐腐蝕等優(yōu)點。這種材料比鋁更輕，比鋼更硬，其密度是鐵的1/4，強度卻是鐵的10倍，化學組成非常穩(wěn)定，不僅有助于減輕飛機重量，還能提高飛機的總體性能。因此，在波音和空客近年來推出的一些新機型中，復合材料的用量逐漸增大。
考慮到在90000次起降的設計壽命周期里，C919要經(jīng)受許多由溫差帶來的對飛機機體結(jié)構(gòu)“冷凍熱蒸的考驗”，其機體結(jié)構(gòu)材料的抗腐蝕、抗疲勞性能顯得格外重要。鑒于復合材料的上述優(yōu)點，中國商飛在C919的設計中也選用了復合材料。其應用范圍涵蓋方向舵等次承力結(jié)構(gòu)和飛機平尾等主承力結(jié)構(gòu)，主要包括雷達罩、機翼前后緣、活動翼面、翼梢小翼、翼身整流罩、后機身、尾翼等部件，用量達到機體結(jié)構(gòu)重量的11.5%。其中，尾翼主盒段和后機身前段使用了先進的第三代中模高強碳纖維復合材料，主承力結(jié)構(gòu)、高溫區(qū)、增壓區(qū)使用復合材料在國內(nèi)民用飛機研制中也屬首次。更重要的是，通過大量的驗證試驗，中國商飛初步建立了具有自主知識產(chǎn)權的先進材料和特種材料規(guī)范體系、設計許用值體系和制造工藝規(guī)范體系，實現(xiàn)了高標準的生產(chǎn)過程控制。
制造工藝的考驗
由于起步較晚，與國際先進水平相比，我國無論在材料基礎研究、工程化應用研究還是工業(yè)化批生產(chǎn)能力方面都存在明顯差距。隨著C919研制的推進，在項目牽引下，這種差距正在快速縮小。
C919大型客機前機身大部段首次采用第三代鋁鋰合金材料，作為前機身供應商的中航工業(yè)洪都為此專門建設了一個面積近20萬平方米的大部件裝配廠房，引進了全球第 二臺蒙皮鏡像銑設備。為了能夠更好地了解新材料的性能，洪都用了近3年時間開展材料性能測試工作，先后完成2500多件試驗件測試。新材料需要新的加工工藝與之匹配，洪都在C919大型客機前機身段研制過程中，先后攻克鋁鋰合金蒙皮噴丸強化、鋁鋰合金型材滾彎成形制造、蒙皮鏡像銑切加工、鋁鋰合金型材熱壓陷制造、鋁鋰合金蒙皮噴丸校形等關鍵技術。2014年5月，C919大型客機前機身大部段順利下線，該部段包括前段客艙、前貨艙和再循環(huán)風扇艙，包含1600多項零件，涉及近2000項工裝。
在復合材料使用上，中國商飛公司通過與高校開展合作，開辟了一條產(chǎn)學研相結(jié)合的道路。例如，大連理工大學運載工程與力學學部承擔了C919飛機尾翼、中央復 合材料壁板等多個部位的試驗項目。針對C919飛機對于大型復合材料構(gòu)件試驗需求，大連理工大學進行了大噸位大尺寸加載系統(tǒng)、承力系統(tǒng)和電測系統(tǒng)建設，開展材料級、結(jié)構(gòu)級、部件級三級的大飛機復合材料結(jié)構(gòu)破壞機理研究，開發(fā)數(shù)值分析模型和軟件，指導、校正實際試驗，形成飛機典型復合材料結(jié)構(gòu)破壞行為數(shù)據(jù) 庫。為保證從復合材料壁板各環(huán)節(jié)處獲得準確的試驗數(shù)據(jù)，及時處理意外情況，研發(fā)團隊對飛機壁板上使用復合材料后特別需要注意的部位貼上了大量應變片，實時采集相關數(shù)據(jù)。通常情況下，一塊大型壁板就需要300~400個通道數(shù)據(jù)。在C919項目中，大連理工大學研制團隊共測試了60多塊壁板，大量的試驗數(shù)據(jù)保證了C919飛機所用材料的可靠性。
除此之外，北京航空航天大學王華明教授帶領的團隊，在C919項目的推動下，成功研發(fā)具有世界領先水平的“飛機鈦合金大型復雜整體構(gòu)件激光成形技術”，使我 國成為目前世界上唯一突破飛機鈦合金大型主承力結(jié)構(gòu)件激光增材制造技術并實現(xiàn)裝機工程應用的國家。該團隊不僅打印出飛機鈦合金起落架、主承力框等大型關鍵 件，還為C919樣機制造出鈦合金主風擋整體窗框，零件成本不足20萬美元。
C919項目采用國際通行的“主制造商-供應商”模式，以全球招標的形式引進產(chǎn)業(yè)鏈頂尖供應商，隨著項目的推進，目前已經(jīng)成立了16家相關的合資企業(yè)。其中，湖南博云新材料股份有限公司與霍尼韋爾公司于2012年合資成立的霍尼韋爾博云航空系統(tǒng)有限公司攻克了碳/碳復合材料及高溫合金材料的生產(chǎn)與制造難題，為 C919飛機提供高性能飛機機輪剎車系統(tǒng)。
碳 /碳復合材料是碳纖維及其織物增強的碳基體復合材料，具有低密度、高強度、高比模量、高導熱性、低膨脹系數(shù)、抗熱沖擊性能好、尺寸穩(wěn)定性高等優(yōu)點，是如今在1650℃以上應用的少數(shù)備選材料，最高理論溫度達到2600℃。用炭/炭復合材料制造的機輪剎車系統(tǒng)，耐高溫，性能好，使用壽命是金屬材料的2~4倍，重量卻只有1/4。在C919項目之前，國內(nèi)企業(yè)幾乎沒有能力開展此類材料的研制和生產(chǎn)工作。在C919項目的帶動下，研制團隊攻克了炭/炭航空制動材料的制備技術，具備了飛機機輪剎車系統(tǒng)的設計、研發(fā)、測試、部件制造及系統(tǒng)總裝能力。
制造裝備的升級
在國際民用航空配套領域，相關材料制造商都是國際知名的材料研發(fā)制造企業(yè)。這些企業(yè)大都具有悠久的民用航空配套歷史，樹立了良好的品牌，掌握著材料的關鍵制造工藝和技術。寶鋼作為我國重要的鋼鐵企業(yè)，同時也是中國商飛公司的股東，其在C919項目中也扮演了重要的角色。
制造起落架的材料是C919項目所需的關鍵材料之一。由于商用飛機起降頻繁，對飛機起落架所用材料的抗沖擊性、抗疲勞強度、韌塑性等都有很苛刻的要求。寶鋼 在C919項目中承擔了飛機起落架用高強鋼的研制任務。為此，公司在2011年8月成立了民用航空材料領導小組及工作小組，下設產(chǎn)品與技術、合格供應商認 證、商務貿(mào)易與服務三大團隊，全面推進各項工作任務。通過技術攻關，寶鋼成功研制出C919起落架所需要的TC4、TC18、TA15等４大牌號的大型鈦 合金棒材、等溫鍛件。在C919項目的帶動下，我國航空材料研制實現(xiàn)了重大飛躍。
借家大力發(fā)展航空業(yè)的東風，C919項目啟動之后，寶鋼投入大量資金進行技術改造，先后引進十余臺（套）大型真空感應熔煉爐、真空自耗熔煉爐等裝備；建成 由500噸至1萬噸多臺壓機組成的等溫模鍛生產(chǎn)線；引進4000噸級快鍛機，啟動6000噸級快鍛機立項工作。根據(jù)規(guī)劃，到2020年，寶鋼的發(fā)展目標是 在成為中國商飛、中國航發(fā)合格供應商的同時，瞄準國際市場，努力成為空客、波音、羅羅、GE等世界一流公司的材料配套供應商。
模鍛壓機主要用于制造航空、航天、核電、石化等領域的高強度鈦/鋁合金鍛件。長期以來，由于缺乏巨型模鍛壓機的支持，我國鈦鋁合金框、梁、軸、臂、桿等模鍛件基本依賴國外進口。在C919項目啟動之初，鈦合金大噸位鍛制成型是一個制約項目發(fā)展的瓶頸。
為此，位于陜西閻良的三角航空科技有限責任公司專門組織科研力量，成功研制出我國首臺4萬噸級大型模鍛液壓機，并于2012年成功實現(xiàn)熱試車，順利生產(chǎn)出我 國首個大型盤類件產(chǎn)品。該模鍛液壓機采用的是清華大學“鋼絲預應力-剖分坎合”技術設計，最大壓力能夠達到5萬噸，鍛造速度可在0.01~60mm/s之間調(diào)控。一年之后，更大型的8萬噸級模鍛液壓機在四川德陽中國第二重型機械集團投入試生產(chǎn)。這是目前世界上最大的模鍛液壓機，總高42米，設備總重2.2萬噸。該設備為日后我國航空航天領域高強度鈦/鋁合金鍛件的生產(chǎn)奠定了基礎。 |
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