A380飛機鋁材研發(fā)路線圖

王祝堂

(中國有色金屬工業(yè)協(xié)會，北京 100814)

2005年4月27日，空客A380型飛機從法國圖盧茲機場起飛，實現(xiàn)了圓滿的成功首飛。而早在1998年，空客公司的設(shè)計人員與加鋁航空部(時稱普基航空航天部)的工程師就設(shè)計制造A3××飛機用先進合金的供應(yīng)與加工進行了深入探討。得出結(jié)論：為新A3××系飛機提供一批制造機身板及機翼用的性能優(yōu)異的鋁合金及研發(fā)制造新合金大型結(jié)構(gòu)件的工藝與裝備需要7年。

1998年4月首次技術(shù)聯(lián)絡(luò)會議后，雙方同意組建若干個集成產(chǎn)品小組，其職責是為大飛機的各種機構(gòu)遴選合金與加工制造工藝，圍繞這兩大目標各集成產(chǎn)品小組分頭工作。

1 職責與設(shè)備改擴建

分解分工要求，加拿大鋁業(yè)公司提供A380大飛機所有鋁合金零部件材料，因此必須配置適合加工大飛機大尺寸零部件的裝備；機翼是飛機的最大部件，空客公司的職責是確定最大零件的尺寸，但必須適合加拿大鋁業(yè)公司裝備的加工能力。

合金開發(fā)方面，加拿大鋁業(yè)公司負責研發(fā)適合A380飛機的系列新型鋁合金，同時大力發(fā)掘現(xiàn)有航空鋁合金的潛力，發(fā)揮其優(yōu)勢以適用于制造大飛機的某些零部件?？湛凸镜娜蝿?wù)是，緊跟加鋁公司的合金研究步伐，及時將其可能提供的材料用來設(shè)計大飛機。

大部分研究工作在加拿大鋁業(yè)公司的伊蘇瓦爾軋制廠進行，在確定A380飛機用鋁合金厚板的最大長度為36m(約為1/2翼展)后，為了生產(chǎn)這種超大規(guī)格鋁合金厚板，需要做如下工作：

首先完善生產(chǎn)這種板材的硬件，開發(fā)相應(yīng)的工藝訣竅，其中最關(guān)鍵的是先進合金大扁錠的鑄造，用這些扁錠軋制出上、下內(nèi)翼壁板用厚板，并用這些厚板集成銑削上機翼外壁板。所謂集成銑削即是在數(shù)控機床上、電腦控制下在厚板上雕銑出過去由多個零件組裝成的整體部件，例如客機的乘客進艙門，過去是由近50個零件組裝的，現(xiàn)在可用一塊厚約60mm的板材集成銑削而成。

A380用的飛機用的鋁合金板須用大而重的扁錠軋制，因此不但須對現(xiàn)有鑄造設(shè)備進行現(xiàn)代化的技術(shù)改造，而且對軋制車間的各種相應(yīng)設(shè)備也應(yīng)作大型化的改擴建，例如熱軋機輥道應(yīng)加長，固溶處理爐、預(yù)拉伸機、從美國引進的水浸式超聲探傷槽、仿形銑床等都需要加大和進行技術(shù)升級改造。

伊蘇瓦爾軋制廠過去生產(chǎn)的厚板規(guī)格較小，因此對裝卸工具也需作較大改造或重新制作，由于機翼壁板兩面須銑削一層，處理一面后，須翻轉(zhuǎn)過來再處理另一面，如何翻轉(zhuǎn)也值得重視，需要大型翻轉(zhuǎn)機。

設(shè)備改造與擴建工作完成后，成功地鑄出了先進的質(zhì)量達20t的2xxx系及7xxx系合金大扁錠，很快打通了生產(chǎn)長36m的特長特寬航空級鋁合金厚板的工序，同時通過試生產(chǎn)工藝過程也得到了完善。

大飛機翼梁用7xxx系合金制造，為了生產(chǎn)這種大翼梁，加拿大鋁業(yè)公司確定由美國華盛頓州雷文斯伍德軋制廠鑄造質(zhì)量10t的大型7xxx系合金扁錠，1998年成功下線。爾后，將鑄造設(shè)備及鑄造研發(fā)團隊轉(zhuǎn)移到法國伊蘇瓦爾軋制廠，2001年在法國較為順利地鑄出17t的7xxx系合金扁錠。在生產(chǎn)2xxx系及7xxx系合金大扁錠時，熔煉-鑄造工序最為關(guān)鍵。國內(nèi)可以鑄造2xxx系合金各種尺寸各種合金扁錠，但個別7xxx系合金某些尺寸的大扁錠還不能批量生產(chǎn)，或者產(chǎn)品率極低。

2003年以來，伊蘇瓦爾軋制廠可以鑄造大飛機所需的7xxx系合金的任何尺寸的大扁錠。大厚板軋制工藝、熱處理與精整工藝也得到全面升級與進一步完善，可以滿足2030年以前航空工業(yè)對鋁平軋產(chǎn)品的需求。

2 A380大飛機鋁合金發(fā)展

A380型飛機是目下最大的客機之一，外形尺寸大，起飛質(zhì)量大，結(jié)構(gòu)質(zhì)量大，因此，對所用結(jié)構(gòu)材料的性能有不同尋常的高要求，有些零部件的選材著眼于靜態(tài)性能，而另一些則側(cè)重于損傷容限，還有一些對二者都有很高要求。為了達到這些目標，加鋁-空客材料小組從兩方面展開工作，一方面對現(xiàn)有鋁合金的性能進行全面提高，另一方面致力于研發(fā)性能優(yōu)秀的新合金。

現(xiàn)在大飛機的結(jié)構(gòu)材料仍立足于鋁合金，在超大型A380客機的結(jié)構(gòu)材料中，鋁合金占61％、復(fù)合材料占22％、鈦合金與鋼占10％、纖維金屬夾層材料占3％。不過，復(fù)合材料在飛機結(jié)構(gòu)中的用量在不斷上升，A320飛機的比例只有12％，而在A380飛機中的比例上升至22％。

關(guān)于金屬(主要是鋁)與復(fù)合材料在飛機結(jié)構(gòu)材料中的用量競爭，空客公司早在1990年就定下了目標，如以1990年標準金屬加工工藝為基準，在未來，復(fù)合材料占質(zhì)量的比例為20％～30％，占成本的比例為20％～40％。

2.1 機翼合金

2.1.1 翼梁合金

考慮到飛機設(shè)計在不斷向高層次發(fā)展，機翼設(shè)計也在不斷更新，要求材料產(chǎn)業(yè)提供性能更加優(yōu)秀的鋁材，必須研發(fā)一批能滿足機翼不同大零件制造要求的合金，諸如制造各種壁板、縱梁(桁條)、翼梁(小梁)、翼肋等用的鋁材。

例如，為了制造翼梁迫切需要靜態(tài)力學(xué)性能與斷裂韌性全面超過7010/50-T7651合金的鋁合金。另外，翼梁合金還必須有良好的冷延伸能力，即應(yīng)有相當大的伸長率，還應(yīng)有相當高的可切削性能。雷文斯伍德軋制廠的研發(fā)部門與加拿大鋁業(yè)公司沃雷普研究所(現(xiàn)屬肯聯(lián)鋁業(yè)公司，下同)研制的7040-T7651合金材料具有高的靜態(tài)力量性能、高的斷裂韌性，低的殘余應(yīng)力、良好的冷延伸能力。由于7040-T7651合金具有良好綜合性能，A380飛機的兩個翼梁——內(nèi)前翼梁及內(nèi)中心翼梁選用此合金厚板制造，這是迄今為止制造過的最大翼梁。

7040及7140合金均以沃雷普研究所的名義分別于1996年和2004年在美國鋁業(yè)協(xié)會注冊，其化學(xué)成分見表1，由于雜質(zhì)含量很低，因而各項性能得到全面提高。

表1 7040合金的化學(xué)成分(wt％)

2.1.2 翼肋合金

多數(shù)情況下，翼肋合金應(yīng)有高的靜態(tài)強度與彈性模量，設(shè)計工程師選用7449合金，獲得最大的質(zhì)量減輕效果。此合金是沃雷普研究所為A380飛機制造研發(fā)的，1994年在美國鋁業(yè)協(xié)會注冊，成分(wt％)為：0.12Si，0.15Fe，1.4～2.1Cu，0.20Mn，1.8～2.7Mg，7.5～8.7Zn，0.25(Zr+Ti)，其他雜質(zhì)每個0.05，總計0.15，其余為Al。

7449合金的原型合金為7049合金，是美國鋁業(yè)公司1968年注冊的，后來沃雷普研究所于1972年研制出7049A合金，為配合A380飛機的設(shè)計制造于1994年研究成功7349及7449合金(表2)。最后，飛機設(shè)計師選用7449合金制造翼肋。

2.1.3 機翼壁板

A340-500/600型機翼壁板是用過時效狀態(tài)T7651、厚達100mm的板材加工的，A380飛機的翼肋也是用7449-T7651合金、厚100mm的板材銑削的，即使少數(shù)幾根用復(fù)合材料制造的翼肋，其蓋帽材料仍是7449-T7651合金。

下翼縱梁必須具有更高的強度性能，研發(fā)小組認為應(yīng)采用含鋯的2xxx系合金，2027合金不但有更高的斷裂韌性，而且疲勞強度也高，于是A380飛機的下翼縱梁材料選用2027-T3511合金。該合金是沃雷普研究所研發(fā)的，2001年在美國鋁業(yè)協(xié)會注冊，是一種低雜質(zhì)含量合金，因而具有高的韌性與疲勞強度，其成分(wt％)：0.12Si，0.15Fe，3.9～4.9Cu，0.50～1.2Mn，1.0～1.5Mg，0.20Zn，0.08Ti，0.05～0.15Zr，其他雜質(zhì)每個0.05、總計0.15，其余為Al。

A380-800F飛機的上翼蒙皮采用新研發(fā)的7056合金。由于貨運機的某些要求與客運機的略有不同，民用客機的蒙皮材料必須具有高的斷裂韌性，因而靜態(tài)力學(xué)性能可下降一些，7056-T7951合金的斷裂韌性比7449合金的高40％，因此被選做用于A380-800F飛機的上翼壁板，其化學(xué)成分(wt％)：0.10Si，0.12Fe，1.2～1.9Cu，0.20Mn，1.5～2.3Mg，8.5～9.7Zn，0.08Ti，0.05～0.15Zr，其他雜質(zhì)每個0.05、總計0.15，其余為Al。7056合金是沃雷普研究所為A380飛機研發(fā)的一系列合金之一，2004年在美國鋁業(yè)協(xié)會注冊，其性能滿足了A380飛機的設(shè)計要求。

機翼下蒙皮也必須有高的斷裂韌性。為此，加拿大鋁業(yè)公司研制成功厚板合金2024A-T351，用于制造各種結(jié)構(gòu)零部件，近期推向市場的A330飛機的下翼壁板也是用該合金制造的。

不久前研制成功的含鋯的2024A-T351合金用于制造A380-800F飛機下翼外壁板，以及A340-600飛機中央翼盒的下部結(jié)構(gòu)。

在設(shè)計A380-800及A380-800F飛機的下翼結(jié)構(gòu)時用了第三代Al-Li合金，即2050-T84合金。合金扁錠由加拿大鋁業(yè)公司設(shè)在加拿大的杜巴廠鑄造，后來轉(zhuǎn)移到伊蘇瓦爾軋制廠生產(chǎn)。

2.2 機身合金

2.2.1 機身結(jié)構(gòu)合金7040

A380飛機的一些機身結(jié)構(gòu)是用7040-T7451合金厚板制造的，例如主框架、座艙窗框架、梁與配件，其靜態(tài)強度與斷裂韌性比7010/7050-T74合金的高得多，因其Cu含量較低，比其在鋁中的最大固溶度低很多，因而既有高強度又有良好的斷裂韌性。此外生產(chǎn)厚板的工藝還需保證板中的殘余應(yīng)力在一個合理的水平上，以免在后續(xù)機械切削加工時產(chǎn)生大的變形與歪扭。7040合金還是一個低鍛造成本合金。伊蘇瓦爾軋制廠與雷文斯伍德軋制廠可以生產(chǎn)厚度≤220mm的7040-T7451合金厚板。

2.2.2 可激光束焊接的6xxx系合金

A380飛機的各種機身下殼壁板均是用激光束焊接(LBW)的，因此要求提供可激光焊接的6xxx系合金，前座艙下的壓力壁板也是激光焊的，用激光焊接的零部件不但質(zhì)量有所下降，而且制作成本也可降低。

為了制造機身下殼，沃雷普研究所研制出6156合金。此合金是6056合金的發(fā)展，其成分見表3，強度比6056合金的高，在T6狀態(tài)下應(yīng)用，由于此狀態(tài)合金有晶間腐蝕傾向，為避免此缺點，生產(chǎn)時應(yīng)包鋁。

表3 6056及6156合金的化學(xué)成分(wt％)

6056及6156合金都是沃雷普研究所研發(fā)的，分別于1988年及2003年在美國鋁業(yè)協(xié)會注冊。由表3的成分可見，6156合金在成分方面的改變，僅在于降低了主要合金元素Mn的含量，對雜質(zhì)Zr、Ti含量也作了更嚴格的限制，其幾乎不溶于鋁固溶體(α-Al)，因而減少了不溶解的含Mn、Zr、Ti化合物質(zhì)點數(shù)量，使激光焊接性能得以提高。

2.2.3 2024-T432合金擠壓型材

設(shè)計A380飛機時，采用2024-T432合金擠壓型材制造其機身框架，因為該材料有一定的質(zhì)量減輕效果且材料利用率較高，其強度與常規(guī)2024-T4合金的相當，而其彎曲成形次數(shù)又有所提高，可以滿足框架制造工藝要求。T432狀態(tài)是加拿大鋁業(yè)公司新近開發(fā)的，尚未獲得此狀態(tài)的處理工藝細節(jié)，很可能是在固溶處理后做了適當?shù)念A(yù)時效處理。這種框架型材目前由加拿大鋁業(yè)公司蒙特利爾·茹伊恩擠壓廠生產(chǎn)。

2.2.4 Al-Li合金

經(jīng)過近十幾年的研究發(fā)展，加拿大鋁業(yè)公司在Al-Li合金生產(chǎn)方面取得了很大進步，與美國鋁業(yè)公司、俄羅斯聯(lián)合鋁業(yè)公司并列為世界三大Al-Li合金與材料研發(fā)及生產(chǎn)者。加拿大鋁業(yè)公司生產(chǎn)的第三代Al-Li合金在A380飛機中得到了有效應(yīng)用，通過化學(xué)成分的優(yōu)化組合與形變熱處理工藝的改變，使第三代Al-Li合金的塑性與短橫向斷裂韌性，以及熱穩(wěn)定性均比第一代合金的有了很大改善。

綜上所述，A380飛機機翼選用的材料為改進的2xxx系與7xxx系合金。設(shè)計與制造如此大型的飛機，面臨著兩大嚴峻的挑戰(zhàn)：減輕飛機質(zhì)量和特大零部件的加工組裝，例如其翼梁是當今最大的7085合金模鍛件。7085合金是美國鋁業(yè)公司研發(fā)的，2002定型與注冊，其成分(wt％)：0.06Si，0.08Fe，1.3～2.0Cu，0.04Mn，1.2～1.8Mg，0.04Cr，7.0～8.0Zn，0.06Ti，0.08～0.015Zr，其他雜質(zhì)每個0.05、總計0.15，其余為Al。生產(chǎn)該合金時應(yīng)特別注意成分控制。

3 未來航空鋁合金的發(fā)展

從所介紹的A380大飛機的設(shè)計制造于所用鋁合金的研發(fā)加工生產(chǎn)路線圖可看出，新一代飛機的問世與所需先進鋁合金或新一代鋁合金的研發(fā)是一件非常不易的事情。所謂先進鋁合金是指新的2xxx、7xxx、Al-Mg-Sc合金及新的Al-Li合金，其性能得到較全面的提高，強度與損傷容限性能上升，抗蝕性更強，密度更低，等等，同時它們的工藝性能(可焊性、可鑄造性、壁板的可擠壓性等)也同步有所提高，最終達到飛機結(jié)構(gòu)制造成本與質(zhì)量減輕的最佳合理結(jié)合。如加拿大鋁業(yè)公司(現(xiàn)在的肯聯(lián)鋁業(yè)公司)為A380飛機研發(fā)的7040、7140、7049A、7449、2050、6056、6156等合金與新開發(fā)的T432狀態(tài)。

新一代飛機用的鋁材可分為兩類：專門為此款飛機研發(fā)的新合金及改型的合金加工材料，如制造A380飛機用的諸多合金，C919飛機機身等直段用的第三代Al-Li合金，盡管它不是為C919飛機特意研制的；另一類為傳統(tǒng)的鋁合金，如ARJ21支線客機選用的2524合金、7150合金、7055合金等，C919大飛機選用的2024、7075、7050、7055等合金，它們都以傳統(tǒng)鋁合金為主，可以獲得最大的性價比，且主要是7xxx系合金，占所用鋁材的70％左右。

從飛機的翼展可以大致計算出制造機翼所需厚板的最大長度，例如A380飛機的翼展79.75m、外機身寬度7.14m，則制造機翼厚板的最大長度約(79.75m-7.14m)/2=36.305m，與所用厚板的最大長度36m極為接近。由此，C-919大飛機的寬度3.96m、翼展33m，計算所需最長厚板為(33m-3.96m)/2=14.52m，因此估算厚板的最大長度為14～15m。這對建設(shè)厚板項目有一定的參考價值，在2020年以前中國航空工業(yè)還不需要長度超過20m的厚板，2030年以前用的厚板長度很可能不會超過25m，在2040年以前中國批量制造A380級特大飛機的可能性小，因此不需要長度≥36m的厚板。在可預(yù)見的時期內(nèi)，飛行器的翼展不會超過80m。

4 結(jié)束語

中國主要的航空航天鋁材生產(chǎn)企業(yè)宜大力提高各自的綜合實力，特別是研發(fā)力量，爭取成為中國商用飛機有限責任公司的緊密型合作伙伴，在波音飛機公司、空客、洛克希德·馬丁公司的鋁材采購單上有各自的名字。成為大飛機企業(yè)的緊密合作者實屬不易，一是因為名額有限，通常僅一個，以便于產(chǎn)品品質(zhì)監(jiān)控與追跡；二是必須有很強的研發(fā)力量，一旦飛機公司需要新產(chǎn)品，能及時生產(chǎn)出來；三是有一批精通鋁材性能與了解飛機設(shè)計的工程師，能參與飛機鋁制零部件的設(shè)計討論與幫助設(shè)計選用鋁材。

研發(fā)力量強弱對航空航天鋁材生產(chǎn)企業(yè)來說至關(guān)重要，沒有強大的技術(shù)開發(fā)實力，很難成為航空器企業(yè)的緊密型鋁材供應(yīng)者，一定要有自己的研發(fā)基地。從飛機用的鋁材來說，除大更新?lián)Q代的飛機外，一般飛機或改型不大的飛機用的還是以傳統(tǒng)鋁合金為主，如國內(nèi)的ARJ21支線客機所用鋁材中幾乎全是常規(guī)合金，如2024、7050、7055、5052、3003等合金。如果將產(chǎn)品定位于常規(guī)合金，就沒有必要組建專門研發(fā)部門，與獨立的研究院所或高等院校建立較為密切的關(guān)系即可。