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航空铝材迈入黄金需求期

2016-08-06 10:03:37 来源: 中国有色金属报

  世铝网讯 航空铝材是指制造航空器用的各种铝合金,包括变形铝合金与铸造铝合金,以及先进的铝合金。变形铝合金用于加工板、带、管、棒、型、线材、锻件与粉材等半成品,铸造铝合金用于生产压铸件,它们都用于深加工航空器的种种零部件。航空器指的是从离地面100km的大气层内飞行的各种器械,如飞机、直升机等。

  本文所说的“五部引擎”系指ARJ21支线客机、C919干线客机、Y-20大型喷气式运输机,往往又把它们称为大飞机;另二部引擎是所有军机和通用航空器。从2015年至2035年的20年是中国航空工业大发展时期,也就是这五大板块迈入高速持续稳定增长期,拉动铝材进入黄金需求期,在此阶段的年复合增长率可达10%,比国民经济任一大产业的增长率可能都大(见表)。

  航空器制造对铝材需求有两个明显的特点:一是品种规模多,不像汽车覆盖件ABS、罐料带材、PS及CTP带材那样的可以大批量生产,品质要求高,95%以上的材料是用热处理可强化铝合金加工的,生产工序多,成品率较低,价格较高;二是材料利用率低,有些零件的利用率只有百分之几,如用厚板铣削飞机进舱门的利用率就很低,过去是用近50个零件组装的,现在用一整块厚板铣削而成,虽然材料利用率很低,但门的强度提高了,制造成本下降了,为此笔者提出了材料采购质量这一概念。由于无法获得航空器的每个零部件的材料用量,因此只能根据它们的整体净质量匡算材料的采购质量,例如某种飞机的净质量为60t,铝合金零部件占75%,则铝合金零部件质量为45t,若材料利用率按50%计算,则需采购铝材90t(含铸造铝合金)。

  ARJ2与新舟60型支线客机

  ARJ21支线客机

  2007年12月21日。中国首架具有完全自主知识产权的大型新支线客机ARJ-700在上海飞机制造厂总装下线,2008年11月28日首次试飞成功。2015年制造ARJ2016年起可进行批量生产,到2035年年底总产量估计可达800架,全部在上海飞机制造厂的3000余m2的厂房内组装,建设总目标是50架/年,一期建设目标30架/年。所用铝材在2020年以后的国产化率可望达到100%,目前制造认证机用的铝材全部是进口的。

  ARJ21命名“翔凤”,其基本型为单通机舱,每排5座,一侧为3排座,另一侧2排座,其舒适程度比一般支线飞机的高很多,因为座位比B737飞机的宽12.7mm,是当今支线飞机中客舱最宽敞的之一。2008年11月28日首飞成功,它的英文名称“Advanced Regional Jet for the 21st Century”(先进的21世纪喷气支线客机),承载着中国民用客机制造业的希望,从英文的字面意思可以看出,它寄托着国内民用客机制造者的历史使命,是中国梦这棵参天大树上的一叶。支线客机是指100座以下的小型客机。严格地说,只有C919才算得上大飞机,同时它还是大飞机家族中的小兄弟。

  2015年3月ARJ-700飞机完成首次航线演示飞行,2015年11月29日正式交付成都航空公司。根据上海飞机制造厂计划,至2016年年底,将有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。至2035年可交付550架,每架用铝约42t。

  ARJ21飞机的选材以铝合金为主,铝制零部件的质量占飞机净质量的75%,结构钢和不锈钢的10%,复合材料的占8%,钛合金的占2%,其他材料的占5%。ARJ21飞机用的铝合金大体上与波音B777飞机的相同,选用综合性能的第四代高强耐损伤铝合金制造主体结构件;机翼下壁板选用高损伤容限型的2527-T3铝合金板与2324-T39合金板;上翼上壁板用的是7150-T7751、7055-T7751合金预拉伸厚板,它们有高的强度和抗蚀性;机翼梁、机身桁条、机身框架、隔框、机翼上桁条、翼肋和翼梁等是用7150合金挤压材等制造的;7075、7050、2024等合金材料也有所应用,但用量不多。96%以上的铝合金零部件都是用热处理可强化的2xxx系及7xxx系合金制造的,仅有个别零件是用5052合金制造的。铝-锂合金在ARJ21-700飞机制造中没有获得应用。

  新舟60型支线客机

  此机是西安飞机制造公司自主研发的定型客机,是在运-7短/中运输机的基础上研制生产的50~60座级双涡轮螺旋浆发动机支线飞机,大量采用集成了国产技术部件。

  按照计划,中国将形成由新舟-60、新舟-600、新舟-700构成的高、中、低端合理搭配的系列化涡浆支线客机产品。根据西飞国际的规划,到2018年新舟系列飞机将占全球涡浆支线客机市场份额的40%,西安飞机制造公司将成为世界涡浆支线客机制造商。

  新舟-60飞机获得中国民航局的适航认证,2006年5月10日取得了印度尼西亚颁发的适航证,是当时中国运输机类飞机首获国外型号合格证,但直到今天尚未获得美国联邦航空管理局(FAA)及其国国家的适航认证。新舟-60的第一个国际用户是津巴布韦,采购了3架,2006年6月7日西安飞机制造公司与印度尼西亚鸽航有限签订了出口15架新舟-60的合同,也是那时中国民机外销史上一次性购销量的一个合同。

  在2015~2035年期间中国可能制造400架新舟系列支线客机,其结构件几乎全是铝合金的,铝化率可按80%匡算,每架飞机的铝材投入量若按25t计算则需要铝约10000t,平均500t/a。

  C919干线大客机

  中国C919大飞机的命名更是寓意深刻,“C”是China(中国)的首个字母,也是中国商用飞机有限责任公司英文缩写COMAC的头一个字母,同时还寓意该公司欲与欧洲Airbus(空中客车公司)、美国波音飞机公司(Boeing)在国际大型客机市场上试比高,形成ABC三足鼎立之势。第一个“9”寓意天长地久,“19”代表中国首款大型客机载客量为190座,以后的型号可能命名为“C929”,其中”29“代表这一机型的载客量为290座。

  中国自主研制的C919大型客机2008年开始研制,2015年11月2日在上海中国商飞公司下线,历时7年,计划2016年首飞。它的主要技术参数:基本型混合级布局158座,总长38.9m,高11.95m,翼展35.8m,标准航程4075km,可从北京直飞新加坡,胜任国内所有城市往返。与波音B737飞机相比,具有更安全、更轻巧、更大功率、更快、更舒适特点。

  C919的机头、前机身、中央翼、中后机身等九大部段都由中航工业集团等国内航空工业企业制造。飞行控制系统、机轮刹车系统、辅力动力装置和导航系统等由霍尼韦尔公司提供。

  大飞机发动机由美国通用电气公司(GE)和法国赛峰集团合作研制,比现役空客A320及波音B737飞机的发动机都要大,更有劲,而油耗却比它们的大大降低,使用成本比它们约低10%,碳排放量降低50%。

  C919采用中国自主研发的超临界机翼,提速省油,其声阻比、导航特性、失速特性等几项重要指标均优于国外同类机型,速度也比它们的快。大飞机客舱增设了减震系统,可以缓冲颠簸,客舱内壁设有单独通风口,能更好地调解机舱内的气压变化;舱内的中间位置坐椅比国际航空标准椅宽12.7mm(0.5英寸),因而乘客更舒适。

  在选材上,既选用了大量的传统铝合金,如7075-T62、7075-T73、7050-T7451、7075-T73511、7050-T77511、7075-T7351、7050-T7452、7150-T77511、7075-T6、7055-T7751、7055-T76511、7085-T7651、7080-T7452;2024-T42、2524-T3、2024-T3511、2024HDT-T351、2026-T3511等;还选用了一定数量的第三代铝-锂合金:2198-T8、Al-Li-S4-T8、2096-T8511、2099-T83等,但是7xxx系合金用得最多。

  C919的前机身、中机身、中后机身、机头与机翼的结构件则几乎全是用铝材制造的,而发动机吊挂、垂尾、平尾、后机身前段、后压力框、后机身后段、中央翼等则是用复合材料或钛合金锻件制造的。

  除上述部段的主要零部件是用当今的高性能的传统2xxx系与7xxx系合金制造的,一些重要的结构是用第三代铝-锂合金制造的外,一些次要的零部件与功能零件则是用其他铝合金制造的,如空调系统、油路管道、行李架、食品架、卫生间设施等等。因而,C919的铝制工件总质量占飞机总净质量的65%。

  截至2015年12月,C919客机国内外用户为21家,订单数520架,定价约5000美元/架,比波音737的9000美元/架便宜45%,同时于2016年首飞后打破了中国民航市场波音和空客飞机的垄断。在今后20年内,可能制造1200架,每架铝的投放量按75t匡算,需采购铝材90kt。

  运-20重型军用运输机

  运-20(中国代号:Y-20、鲲鹏)大型喷气式运输机,是中国自主研发的新一代重型军用运输机,由中国航空工业集团公司第一飞机设计研究院设计、西安飞机工业集团为主制造,并于2013年1月26日首飞成功。运-20与中国空军现役伊尔-76比较,发动机和电子设备有了很大改进,载重量也有提高。

  运-20飞机研发参考俄罗斯伊尔-76的气动外形和机体结构,并融合美国C-17的部分特点。该机采用常规布局,悬臂式上单翼、前缘后掠、无翼梢小翼,起飞重量220t,载重超过66t,速度≥800km/h,航程>7800km,实用升限13000m。拥有高延伸性、高可靠性和安全性。

  Y-20净质量若按220t-66t=154t,铝化率按70%计算,则铝制零部件质量为108t,材料利用率如为50%,则需投入216t/架,今后20a内若制造200架,需投入铝材43.2kt,平均2160t/a。

  运-20飞机是在运-5、运-7和运8军用运输机基础上发展起来的。运-5是轻型运输机,是中国第一种自行制造的运输机,南昌飞机制造公司研制,1957年定型并首飞。中国发展军用运输机已有60年的历史。

  运-7运输机是西安飞机工业公司研制生产的双发涡轮螺旋浆中短程运输机,1970年12月25日首飞,1984年完成试飞,机长23.7m,高8.55m,起飞重量21.8t。

  运-8中型中程四发涡轮多用途动输机是中国空军主力运输机型,陕西飞机制造公司研制,1975年首飞,起飞重量61t,机体采用全金属半硬壳结构,可一次搭载96名全副武装士兵或82名伞兵。运-8运输机陆续发展有近三十种改型。

  至2020年前后运-20运输机服役后,中国军用运输机系统完成了从轻型-中型-重型完整体系,成为美-俄-中三鼎之势,可以确保国家安全、应对重大自然灾害与突发事件的需要。原型机用的发动机是进口的,但即将配备国产的。大型动输机不但关乎国家安全,也是经济建设不可缺少的关键装备,自主研发大型飞机对于拉动国民经济增长、促进科学技术进步、实现国防现代化都具有重大意义。

  运-20由中国数千家企业共同参与研制,统一制造标准难度空前,为中国航空工业史上的首次。该机的成功首飞,是中国大型飞机研制自主创新能力的巨大跃升,标志着中国与欧美先进技术水平的差距进一步缩小。

  运-20大型运输机研发成功的战略意义不亚于第一艘航母辽宁舰的下水与服役。

  中国空军的空中加油机轰油-6是以轰-6轰炸机为基础,将原来轰炸机的弹药仓改为燃油储存仓,并加装软管加油系统研制而成的,使空军初步具备空中加油能力。但是轰油-6的燃油携带量和滞空时间与美俄等国家的大型空中加油机相比仍有差距。而运-20的出现意味着中国完全可将现有的空中加油系统整合到运-20上,研发一款专用的大型空中加油机。此外,运-20还可作为反潜巡逻机和电子侦察机的平台,进一步拓展中国海空力量的巡航范围。

  从解放军所面临的抢险救灾、部队集结和武装力量投送需求来看,中国对运-20的需求数量将非常庞大。仅以一个空运批次来看,如果需要在主要战役方向上投放一个坦克装甲旅,两个空降战车团,外加1500人的伞兵及伞兵配属的突击车、指挥车、武装直升机等,就至少需要250架左右的运-20。中国军方对运-20的实际需求,最起码的数量是300架以上,如此庞大的规模,足够两个飞机制造厂开足马力生产10a,需投放铝材64.8kt。

  运-20运输机的研发成功,可将装甲车、坦克甚至武装直升机等重型装备迅速部署到“一线战场”,将会和运-8、运-7将形成合理搭配,进一步完善国产军用运输机体系。到那时,不但中国的战略空军将会实际成型,中国空军的远程机动能力和战略投送能力将会获得大幅提升。

  运-20还可作为预警机、空中加油机和大型电子侦察机等“特种机”的平台。中国空军进的空警-2000预警机仍旧以俄罗斯的伊尔-76为平台,运-20的面世,意味着未来中国的大型预警机将实现100%国产化。

  军用航空器

  中国军用飞机从上世纪50年代初全盘从苏联引进米格-15型歼击(战斗)机开始到目前自主研发的第三代战机“枭龙”/FC-1的材料中铝材唱主角,绝大部分是中铝公司的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生产的。

  1986年9月在范保罗(英国)举行的第27届国际航空博览会上,中国首次展出11种飞机与导弹模型,其中有歼8-Ⅱ双发单座全天候歼击机、歼-7-Ⅲ单发单座全天候歼击机、强-5攻击机、歼教-7型单发双座喷气超声速教练机、运-8海上巡逻机、运-7旅客机、多用途运-12飞机。

  军用机是一个庞大的家族,包括诸如歼击机、轰炸机、运输机、直升机、舰载机、预警机、无人驾驶机、侦察机、两栖机等等,不胜枚举。虽然,当前总体上铝材仍是主要制造材料,但趋势上是:铝材占的比例在单一机种上会一代比一代的少一些,而复合材料及钛合金等占的比例则会相应地上升,如美国的第四代战机F-22和F-35以隐身性能、超声速巡航能力、高机动性、中距离空战能力、短距离起降能力和维护费用低为特点,在它们的用材中,钛合金、复合材料及隐身材料之和超过铝材的。

  估计在2015年~2035年期间中国需要新增加约3400架各种军用航空器,其中:150架运-8,120架运-20,1400架歼击(战斗)机,400架轰炸机,500架直升机,其他830架,它们对铝材的匡算总需求120kt,平均6kt/a。

  通用航空器

  笔者在此所说的通用航空器是指除ARJ21、C919、军用航空器以外的所有航空器,品种繁多,名目复杂,不胜枚举,估计在2015~2035年期间的铝材总需求量约210kt,平均需求量10.5kt/a。

  结束语

  在航空器消耗的铝中:平轧材约占60%,挤压材(管、棒、型、线)约占28%,锻件约占7%,铸件约占5%。此比例是平均值,在不同的航空器中会有不同的比例,有的甚至相差很大。

  中国航空器制造业有了很大发展,但与国防所需、大国所需、强国所需的航空器数量及其性能还有较大差距,与美国相比也有较大差距,必须努力赶超,今后20年是我们赶超的时期,是中国航空工业持续高速发展时期。铝材仍是航空器的主体材料,在这段时间内民用航空器的铝材用量会>70%,军用航空器的不会低于55%。铝材虽然会受到复合材料的挑战,但替代量不会大,镁材用量也会增加一点点,但镁材在民机上的应用至少是20a以上的事,镁的一些固有缺点不是短时间能改变的,本性难移,在可预见的时间内,铝仍是性价比最强的航空材料。不过铝工业不可掉以轻心,必须加强研发,加强创新,研发新的合金,创造新的材料加工工艺。

  所生产的铝材只要能为波音公司、空客公司、马丁·马立特公司、洛克希德公司、中国商用飞机有限责任公司一批又一批地一年又一年地采用就是航空级的了,就是顶呱呱的。不过,即使所生产的铝材完全符合GB(中国国际)、HB(中国航空材料标准)、ASTM、MIL(美国军用材料标准)、EU标准、欧洲宇航标准,也不一定能为国防军工航空器项目所采用,因为进入军工企业制造军用航空器的铝材除满足质量方面的标准外,还必须跨过其他的准入门坎,而对有些铝材生产企业来说这些门坎可能是不可逾越的。

  航空级铝材的主要竞争对手是美国铝业公司(Alcoa)、肯联铝业公司(Constellium)、爱励铝业公司(Aleris)、凯撒铝及化学公司(Kaiser)。我们与它们的差距还很大,特别是在合金研发与基础理论研究方面的差距更大,但在硬件——生产装置方面,我们的比他们的还更好一些,因为中国的一些航空铝材专业生产线与项目是在近几年投产的,还有一此在建与拟建的项目。加大科技投入,把创新与研究发展提高到一个新水平,有条件的企业不可等闲视之。

  锻件在航空器中的用量虽不多,仅占百分之几(总体平均数),却很重要,因为它们都是受力构件。有人说:“在飞机中锻件占70%。”实在令人匪夷所思。

  航空紧固件也是航空器制造中必不可少的重要受力件,中国还没有属于本国投资者建设的这类企业,虽然在苏州有两个专业紧固件厂,但都是美国铝业公司的独资企业,它们除生产铝合金紧固件外,还生产钛合金、镍合金与钢紧固件。投资者也可以考虑这方面的项目建设。

  航空铝材生产企业宜与航空器制造企业合作,建设航空铝零件深加工生产能力,为它们提供可直接进行组装的零部件,可以大大提高企业的经济效益与产品市场竞争力。(王祝堂)

(责任编辑:静静)
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