持續(xù)創(chuàng)新 實(shí)現(xiàn)航空鋁合金制造強(qiáng)國夢
——訪北京有色金屬研究總院副院長熊柏青

本刊記者 玲 犀

鋁合金作為輕質(zhì)材料，是一種理想航空材料，請您介紹一下其在航空領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展歷程。

熊柏青：從全世界鋁加工行業(yè)視角出發(fā)，鋁合金材料發(fā)展并無代際之分，但由于航空鋁合金材料技術(shù)發(fā)展呈明顯的“一代飛機(jī)、一代材料”特征，為便于歸納航空鋁合金材料，特別是2000系和7000系這兩種主干航空鋁合金材料的發(fā)展，業(yè)內(nèi)通常將二戰(zhàn)后的主干航空鋁合金材料與飛機(jī)的發(fā)展同步進(jìn)行代際劃分。

二戰(zhàn)后第一代噴氣式飛機(jī)在機(jī)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中主要關(guān)注靜強(qiáng)度性能，20世紀(jì)30～40年代開發(fā)的2024與7075合金是第一代航空鋁合金中的代表。由于當(dāng)時尚未認(rèn)識到鋁合金結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力腐蝕給飛機(jī)服役帶來的潛在危害，因此在選用7075合金這類高強(qiáng)鋁合金時，普遍采用了追求高的靜強(qiáng)度和抗應(yīng)力腐蝕性能差的T6單級峰時效熱處理狀態(tài)。直到20世紀(jì)50年代后期，因鋁合金結(jié)構(gòu)件應(yīng)力腐蝕開裂，連續(xù)導(dǎo)致多架飛機(jī)失事，迫使人們對航空鋁合金材料及工藝狀態(tài)進(jìn)行重新審視，并針對7075合金這類高強(qiáng)鋁合金開發(fā)了T73雙級深度過時效熱處理工藝，以犧牲15%～20%屈服強(qiáng)度代價換取抗應(yīng)力腐蝕性能提升，此時7075合金的屈服強(qiáng)度一般控制在380～450MPa。

20世紀(jì)60年代在越南戰(zhàn)爭中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)一些飛機(jī)遭受炮火打擊后并未造成致命部位破壞但仍出現(xiàn)空中解體，其核心原因在于鋁合金結(jié)構(gòu)件的耐損傷性能不足，從而使人們開始關(guān)注航空鋁合金的斷裂韌性和抗疲勞性能，并于20世紀(jì)60年代開發(fā)出了以2124和7475合金為代表的第二代航空鋁合金。以7475合金為例，通過降低合金中的Fe和Si等雜質(zhì)含量、減少合金對裂紋與缺口的敏感性，在屈服強(qiáng)度沒有發(fā)生明顯變化的情況下，其斷裂韌性值與7075-T73狀態(tài)合金相比提高了1倍以上，疲勞裂紋擴(kuò)展速率也大幅度降低，在二代噴氣式作戰(zhàn)飛機(jī)的后期型號和民用飛機(jī)制造中得到大量應(yīng)用。

以美國F-15和F-16為代表的第三代噴氣式作戰(zhàn)飛機(jī)以追求亞/跨音速范圍內(nèi)的高機(jī)動性為特征，從而使結(jié)構(gòu)件的進(jìn)一步減重設(shè)計(jì)受到關(guān)注。人們通過提高主合金元素含量、嚴(yán)格控制Fe/Si等雜質(zhì)含量，于20世紀(jì)70年代初發(fā)展了以2524合金和7050合金為代表的第三代航空鋁合金以及與7050合金匹配的T74雙級中度過時效熱處理狀態(tài)，并于20世紀(jì)80年代初發(fā)展了以7150合金為代表的第三代改型航空鋁合金以及與之匹配的T77三級時效熱處理狀態(tài)。第三代7000系航空鋁合金的特點(diǎn)是在保持了優(yōu)異耐損傷性能和抗應(yīng)力腐蝕性能的條件下，合金的屈服強(qiáng)度可控制在460～540MPa，從而為航空鋁合金結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)減重奠定了基礎(chǔ)，成為迄今為止航空制造業(yè)用量最大的航空鋁合金材料。

第四代噴氣式作戰(zhàn)飛機(jī)以追求4S性能為特征，比階段由于樹脂基復(fù)合材料和鈦合金材料的快速發(fā)展，航空鋁合金材料的地位受到了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。為支撐飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的進(jìn)一步減重設(shè)計(jì)，20世紀(jì)80年代末至21世紀(jì)初期發(fā)展的第四代7000系航空鋁合金，可以歸納為兩個分支：一是以7055合金為代表的超高強(qiáng)鋁合金，其特點(diǎn)是與7050合金相比耐損傷性能小幅下降、抗應(yīng)力腐蝕性能基本相當(dāng)?shù)臈l件下，合金的屈服強(qiáng)度可提高至550～630MPa，適用于高抗壓部位結(jié)構(gòu)件的減重設(shè)計(jì)選材；二是以7085合金為代表的高強(qiáng)高淬透性鋁合金，其特點(diǎn)是與7050合金相比耐損傷性能、抗應(yīng)力腐蝕性能、屈服強(qiáng)度略有提高的條件下，在制造超大厚度結(jié)構(gòu)件時，表層與芯部綜合性能的均勻一致性大幅提高，特別適合于大型整體銑削式結(jié)構(gòu)件制造，從而可獲得與傳統(tǒng)的拼裝式大型結(jié)構(gòu)相比減重15%～20%效果。

值得指出的是，伴隨著飛機(jī)結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)對材料剛度性能的重視，具有高模量特征的Al-Li合金從20世紀(jì)70年代逐步得到了航空界的青睞并獲得了應(yīng)用。當(dāng)前常用的Al-Li合金一般是在2000系和5000系鋁合金中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%～2%的Li,可以產(chǎn)生彈性模量提高8%～10%、比重下降5%～8%的效果。截至目前已經(jīng)發(fā)展了三代Al-Li合金，并在20世紀(jì)80年代以后出現(xiàn)的各種軍用和民用飛機(jī)中得到了一定范圍的應(yīng)用，但制造工藝復(fù)雜、成品率低、成本高昂、產(chǎn)品的尺寸規(guī)格受限等仍是制約Al-Li合金大范圍應(yīng)用的主要原因。

隨著復(fù)合材料等新材料的應(yīng)用，鋁合金在航空領(lǐng)域的應(yīng)用受到一定沖擊，您如何看待這個問題？

熊柏青：鋁合金具有比重輕、易加工、成本低、資源保障性好等特點(diǎn)，是航空航天等行業(yè)不可或缺的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。當(dāng)前廣泛使用的航空合金材料，以2000系和7000系變形鋁合金為主，還有少量的5000系和6000系變形鋁合金以及鑄造鋁合金，主要用于飛機(jī)蒙皮、機(jī)身框和梁、機(jī)身和機(jī)翼壁板、機(jī)翼梁和肋等的制造，一般占飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)重量的50%～70%。相對于樹脂基復(fù)合材料和鈦合金材料，航空鋁合金材料低成本、結(jié)構(gòu)件制造工藝成熟和加工效率高等優(yōu)勢短期內(nèi)仍不可動搖。即使在面臨復(fù)合材料和鈦合金材料嚴(yán)峻挑戰(zhàn)的今天，最新一代軍用和民用飛機(jī)的設(shè)計(jì)制造之中，鋁合金結(jié)構(gòu)件的總重仍會占機(jī)體結(jié)構(gòu)重量的20%～50%。

今后鋁合金材料的發(fā)展重點(diǎn)和未來的發(fā)展方向是怎樣的？

熊柏青：航空鋁合金材料的未來發(fā)展將主要集中在：以進(jìn)一步增加合金中沉淀強(qiáng)化相的總量為出發(fā)點(diǎn)，通過高合金化成分設(shè)計(jì)，在保證合金耐損傷性能、耐腐蝕性能和淬透性的前提下，不斷提高航空鋁合金材料的強(qiáng)度性能，支撐飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的減重設(shè)計(jì)；圍繞Li含量和富Li沉淀強(qiáng)化相總量的增加，開發(fā)綜合性能更優(yōu)的Al-Li合金材料，在保證合金耐損傷性能的前提下，進(jìn)一步提高Al-Li合金的彈性模量和強(qiáng)度性能；結(jié)合新型耐熱強(qiáng)化相的設(shè)計(jì)，開發(fā)具有優(yōu)異綜合性能、長期服役溫度可達(dá)200℃以上的2000系航空鋁合金材料以及低成本可鑄造、適于在300℃～400℃條件下長期服役的耐熱鋁合金材料。進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國鋁加工業(yè)發(fā)展迅猛，從2013年起，我國鋁加工材的年產(chǎn)量均保持在4000萬t以上，超過全球總量的50%，企業(yè)與科研單位的硬件裝備水平穩(wěn)居國際一流，后發(fā)優(yōu)勢明顯?！笆濉逼陂g，我國已能大批量生產(chǎn)前三代航空鋁合金材料，第四代航空鋁合金材料已經(jīng)下線、在國產(chǎn)大飛機(jī)上獲得應(yīng)用，新一代航空鋁合金材料亦已進(jìn)入工程化開發(fā)階段。在未來5～10年中，伴隨著科研單位和企業(yè)的共同努力，通過在航空鋁合金材料與制備加工技術(shù)方面持續(xù)創(chuàng)新，我國航空鋁合金材料的制造強(qiáng)國夢將得以實(shí)現(xiàn)。