飞机制造材料专题报告：大飞机应用材料解析

 

“一代飞机、一代材料”，材料与飞机一直在相互推动下不断发展。首先，先进 材料的应用是航空技术发展和进步的最重要推动力之一。航空材料是航空产品的技术 性能、生存能力、延长寿命和提高经济可承受能力的基础，属于优先发展、重点突破 的关键技术。成本方面，材料是飞机制造的物质基础，一定程度上决定了飞机机体结 构的制造成本。供应链方面，材料是商用飞机“供应链保障”上的一个重要环节。可 以说，航空材料的发展对航空技术起到强有力的支撑和保障作用；反过来，航空技术 的发展需求又极大地引领和促进航空材料的发展。

 

民用飞机的材料发展经历了五次跨时代的发展。由于工业水平有限，以莱特兄弟为代表的第一代飞机采用木制的梁条、翼肋、机翼包裹帆布，利用钢索固定维持 机身的刚度，例如第一次世界大战的绝大部分飞机。随着工业发展及结构设计方法认 知，结构设计仅以材料静强度试验为准则，第二代飞机采用铝合金、钢材等作为主 结构。为了减轻机体重量并提升飞机性能，第三代飞机机体结构除了铝合金、钢材 等材料外，新增了钛合金；而第四代飞机机体主结构采用了轻质铝合金、钛合金作 为主承力材料，非主承力结构上选取少量的复合材料；第五代飞机采用了更为先进 的复合材料、钛合金及部分铝合金。

从国外大型客机材料应用的具体情况来看，传统的铝合金及结构钢在飞机上的 用量逐渐减少，而复合材料和钛合金的占比快速提升。根据《一代材料技术，一代 大型飞机》，从波音 787 开始，50%用量的复合材料成为未来飞机的起点，继波音 787 之后，空客 A350 改进型(A350XWB)的复合材料用量从原来的 37%提高至 52%。同时， 钛合金用量与日俱增，一方面是因为它在减轻结构重量上的优势，另一方面则是因为 钛与碳纤维复合材料的电极电位相近，钛合金又成为复合材料惟一的连接材料。

 

飞机结构材料总体发展趋势是轻质化、高强度、高模量、耐高温、低成本。随着航空航天产业的快速发展，对飞行器重量、性能、能源消耗等要求地不断提高，对 材料也提出了更严格的要求。其中，降低重量是最首要的目标。根据《航空航天材料 发展现状及前景》，小型民机的结构重量每减 1磅所获得的直接经济效益为 50 万美元 /磅，而对战斗机来说，这个数值是 400 万美元/磅，商用运输机为 800 万美元/磅。

 

 

商用飞机选材犹为严苛。总体而言，客机对材质的要求比军机对材质的要求更为苛刻，大型客机对材质的要求又比中小型客机对材质的要求高。在商用飞机发展目 标围绕“更安全、更经济、更舒适、更环保”开展设计，提出了“减重、减阻、减排” 的目标设计。对材料而言，也提出了“轻量化、高可靠、长寿命、高效能、绿色环保， 飞机材料需要满足“性能优先原则”、“先进性原则”、“成熟型原则”、“经济性原则” 和“环保性”原则五大原则。同时，综合考虑各方面需求，大飞机的材料也要满足适航当局、飞机设计制造商、航空公司等三方面的要求。

中国商飞已具备基本的选材能力，C919 选材兼具成熟性和先进性。中国商飞已 经基本建立起“在理解自己产品需求的基础上科学评价材料可用性”的技术能力。已经基本具有工程设计中材料选用权、材料及供应商的合格鉴定权、采购过程中的选择 权。商飞为 ARJ21 和 C919 两款飞机共计选用金属材料 100 种、非金属材料 200 余种、 标准件数千规格。同时，选材中体现了成熟性和先进性的结合，以 C919 大型客机为 例，在中央翼、机翼、机身等主承力部段上使用了经 ARJ21 飞机成功验证的铝合金等 成熟材料，在尾翼、后机身和襟缝翼上使用了复合材料，特别是在尾翼盒段和后机身 前段上使用了国外先进的第三代中模高强碳纤维复合材料，在机身蒙皮和长桁结构中 使用了第三代铝锂合金。

 

 

铝材是民机制造最重要的关键材料之一，也是应用最为广泛的材料。铝合金是 混合型金属，包括铜、锌、锰等多种金属元素。一方面，铝合金的密度小，其密度大 约是铁密度的三分之一，由于铝合金中含有丰富的混合金属元素，熔点在 60 摄氏度 左右，可塑性较强，同时也兼有铜、锰等多种金属抗腐蚀性的特点，因此在航空领域 得到广泛应用。

 

C919 前机身、中机身、中后机身、机头与机翼结构件几乎全是用铝材制造的， 铝材占全机结构总重的比例为 65%。上述主要零部件是用当今高端传统 2xxx 系与 7xxx 系铝合金制造的，一些重要结构件则是用铝-锂制造的，一些次要的零部件与功能零件，如空调系统、油路管、行李架、卫生设施等则是用其他铝合金制造的。

 

C919 飞机是由一百多万个零部件连接组装而成，铝合金零件的连接与其他零件的连接如发 动机与机翼的连接，在飞机的制造中起着非常重要的作用。 C919 大飞机所使用的铝材档次是最高的，符合它的要求的铝合金材料在其他航 空器上也都可以使用。按生产工艺难度与价格高低可以将 C919 使用铝材分为如下的 几类：1）常用传统铝合金材料：7075-T62、7075-T73、7075-T73511、2024-T42、 2024-T3511、2024-T3 等；2）7050-T77 型与 7055-T77 合金；3）近代发展起来的铝锂合金：2196、2198、2099 等。第一类材料，我国已解决了“有无问题”，但竞争力 问题尚未解决。因为材料的经济性是飞机公司选材的重要原则之一，国产铝材必须各 项性能指标务必全面达到或超过制造原型取证机用的进口铝材的，以全面替代进口产 品，同时价格合理，才具备国际市场竞争力；第二类材料仍需解决供应问题；第三类 材料仍与国外有较大差距，研制一代新飞机所需要的全部新型铝材，即使在工业发达 国家也需要六七年的时间。

 

C919 铝合金或即将实现 100%国产化，带动 90000t 高端铝材市场。根据《铝材力 推三大“国之重器”遨游蓝天》，C919 原型机出于获取适航取证的需要，铝材均使用 进口材料，从第二架飞机开始，国产铝材的用量逐渐增加，2022 年 C919 的铝材（不 包括铝锂合金）国产化率可望达到 100%。根据《铝合金在中国民用航空器上的应用》， 假设未来 20 年可制造 1200 架 C919，每架的投铝量按 75t 匡算，需采购铝材、铸件、 锻件总计 90000t，每年平均 4500t/a，若铸件按 15%计算，则铝材及锻件的采购量为 3825t/a。

 

制造 C919 大飞机所需的国产铝材，主要由中国铝业集团有限公司提供的。例如 其下属的西南铝业继为 C919 飞机提供了 30 个规格、600 余件铝合金锻件外，2017 年 11 月又试制成功旅客观察窗窗框和起落架轮毂精密模锻件。这些模锻件具有高强度、 高韧性、抗疲劳性强与抗腐蚀性高的特点，是飞机的关键结构件，主要用在机翼、机 翼活动面、机身中央翼、起落架等部位。2018 年，西南铝业 7050 铝合金厚板通过适 航鉴定，获得中国商飞授权，进入 C919 飞机合格产品目录，打破国外技术垄断。此 外，南山铝业也已具备民机关键铝材的研制能力，其板材、型材相关 5 项产品已列入 C919 飞机合格产品目录。

 

 

铝锂合金性能优越，是当前最具竞争力的先进材料。降低合金质量最简单的方 法就是向其中添加轻原子量元素，以减小合金的密度。锂是世界上目前为止发现的最 轻金属元素，锂在铝中的最大溶解度为 4.2%。前期研究发现向铝合金基体中每添加 1% 的 Li，可降低该合金密度 3%，弹性模量上升 5%～6%。铝锂合金相比于常规的 2XXX 系 和 7XXX 系高强铝合金，不仅具有低密度、高弹性模量、高比强度和高比模量的优点， 还兼具低的疲劳裂纹扩展速率、较好的高温及低温性能等特点，相比于复合材料，在 抗冲击、塑性和修复性等方面也具有不可替代的优势。铝锂合金是现代航空航天器材 设计中最具竞争力的材料之一。

 

铝锂合金已在航空航天器材上得到广泛应用。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。

铝锂合金已发展到第三代，第四代高性能合金正在研制中。铝锂合金的研究和