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铝基复合材料在中国民用航空器上的应用与生产概况(上)

2019-06-11 14:53:46 来源: 中国有色金属报

  航空航天领域先进复合材料的应用及其加工水平是一个国家综合实力和科技水平高低的体现。铝基复合材料在中国自主制造的飞机中已获得较为广泛的应用,为飞行器质量的减轻与性能的提高作出了应有的贡献,现举几起应用实例如下:

  CR929宽体客机复合材料前机身全尺寸筒段下线

  CR929远程宽体客机是中俄联合研制的双通道民用飞机。据中国商用飞机有限公司发布的官方公告称,2018年12月26日,CR929项目复合材料15m×6m前机身攻关全尺寸简段顺利下线,这是又一次突破性进展,是继11月6日CR929宽体客机首次亮相中国珠海航展之后又一阶段性成果,标志着CR929项目复合材料结构向前迈出了重要一步。

  这次下线的铝基复合材料机身筒段长15m、直径6m,环向壁板分为4块,由纵缝拼接而成,单块最大壁板长15m,弧长约6m,最大框弧长约6m。机身段结构由壁板、框、长桁、客货舱门框、旅客观察窗、客货舱地板等组成,壁板、框等零件尺寸大、整体化程度高、制造难度大。

  2017年5月22日,中俄远程宽体客机研制项目合资公司——中俄国际商用飞机有限责任公司在中国商飞公司正式挂牌成立,中国商用飞机有限责任公司董事长金壮龙在挂牌仪式上说:“合资公司的挂牌标志着中俄远程宽体客机项目取得重要进展。我们将按照最新国际主流适航标准,推出更有竞争力的远程宽体客机,努力为客户提供更优质的服务,为世界航空市场作出新的贡献。”

  俄罗斯联合航空制造集团总裁尤里·斯柳萨里说:“合资公司的成立使该项目迈出了重要的务实的一步,是俄中双方决心长期合作,力求取得项目成功的见证。”俄方表示,计划2023年首飞,预计2026年左右可完成认证和首次交付。

  在中俄国际商用飞机有限责任公司中,中俄双方各占50%股份。此项目将一直持续到2045年,在此期间计划出售约800架。波音和空中客车的俄中竞争对手被命名为CR929,字母C和R分别代表中国和俄罗斯,但中国在这个名称中所占的份量更重些,因为中国将消化大多数所产的飞机。9在中国文化中有永久之意,2是项目的实际编号。

  CR929远程干线宽体客机的LOGO为一对机翼图案,代表精诚合作,两翼齐飞,红色机翼代表中国,蓝色机翼代表俄罗斯。280座基本型CR929飞机的售价为1.135亿美元~1.178亿美元。与之相比的,波音B787-8的2.22亿美元,B787-9的为2.64亿美元,B787-10的为3亿美元。由此可见,中俄飞机的价格约比美国的便宜50%,不但俄罗斯和中国民航公司可以节约大量购置飞机资金,而且在国际市场上也应当有很强的竞争力。

  CR929的可行性研究早已完成,初步设计也于2018年接近尾声,已进入征询系统和设备供应商意见。

  法国希望参与中俄CR929大飞机项目,法国民航总局国际合作司司长贝特朗·德拉轧于2018年12月17日在俄法经济财政与工商业委员会第24次会议期间向塔斯社表示,法国希望参与俄中合建远程宽体客机CR929的建造。他说:“法国对与俄中一同参与飞机制造项目很感兴趣,在2018年11月举行的珠海航展上向中国伙伴表明了意向。中方伙伴同样对法国企业参与这一项目表现出了很大兴趣。

  中俄国际商用飞机有限责任公司表示,目前是为CR929选择供应商的阶段。现在准备参与招标的法国企业有:生产航空电子设备的卓达宇航集团、为机载设备研发信息系统的泰雷兹公司、生产航空发动机的赛峰集团等。

  根据初步设计,CR929大飞机有三种型号:包含三级客舱的基本型CR929-600,可容纳280名乘客,航程12000km;加长型CR929-700;缩短型CR929-500。

  C919飞机上复合材料的应用

  研制和发展大型民机,是《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006~2020年)》确定的重大科技专项,也是几代中国人的梦想,特别是大型客机研发和制造能力是一个国家航空水平的重要标志,也是一个国家整体实力的重要标志。

  材料是一切制造的基础,没有材料就没有制造业,C919大飞机是中国有完全自主知识产权,但在到2018年年底为止制造的6架试验、试飞的飞机中,首架原型机用的原材料几乎全是进口的,在C919飞机的净质量中,铝合金零部件质量约占65%。对民机用的材料有三个基本要求,用其制造的零部件应有长的使用寿命、高的可靠性、合理的价格。但是总体上航空航天铝材基本上中国都能生产,尽管质量还不尽人意,但在价格上还高于进口的,例如铝材约比美国和德国的贵一倍,铝基复合材料约比美国及日本的贵4倍,钛材比美国及日本的高40%左右。

  据飞机制造部门称,材料采购及零部件加工成本约占整个飞机造价的20%~30%,因此材料的经济性是飞机制造公司的重要原则之一。同时,材料的统计性能水平(飞机设计中的“材料许用值”)也是能否装机的决定性因素。材料性能的稳定性和不断降低成本是材料企业的关注重点,而产品生产过程的控制能力也是航空材料生产企业能否实现上述两个指标的核心。对航空航天铝材来说,即使能生产出一种好材料;但是如果不能很好地做到过程控制和性能波动控制,那么材料也不能用到民用飞机上。

  C919大飞机用的复合材料有碳纤维增强的铝基材料与环氧树脂基材料。原型试飞验证机用的这些材料都是进口的:

  “愿景”第二代机身铝基复合材料打造

  “愿景”喷气客机是中国航空工业西锐公司生产的一种小型民机,在同类机中,它的机舱是最大的,机身是用铝基复合材料打造的,为机舱创造了宽敞的空间,更有意想不到的头部和肩部空间,精心设计的噪声降低设计为飞行带来了更舒适的体验。纯手工打造的高级座椅,全景窗机舱设计等为每个乘客提供了一种沉浸式体验。客舱内设有USB电源端口、110V电源插头、杯托和储物袋,后部空气控制系统可供乘客在整个飞行过程中自行调节。

  机内的娱乐系统可以轻松地连接到个人设备,为每个人创造了一个高效的工作空间或轻松的观影体验。每个客舱座椅都是模块化的,很容易拆卸,提供了28种可能的座椅配置方案。独特的客舱设计符合人体工程学,为方便进出,入口是倾斜式的。

  第二代“愿景”喷气机的行李舱加大了,可存放滑雪板、高尔夫球杆或其他大的物品。它的飞行高度9450m,航程2222.4km。2018年10月12日,西锐SR20-2240飞机在珠海机场完成两次完美起飞,标志着西锐PC项目首架取证飞机取得首飞成功。

  中国航空工业西锐公司是一家在美国注册的公司,但是中国航空工业通飞所控股的,至2018年6月已向客户交付了第7000架全新的飞机。这是继西锐SR系列机型连续16年稳居全球最畅销四五座飞机榜之后,西锐公司所取得的又一成就。

  美国当地时间2018年4月4日,美国国家航空协会宣布:由中国航空工业控股的美国西锐飞机公司“愿景”SF50飞机获得2017年度“罗伯特·科利尔奖”。获奖理由是:世界首款带整机降落伞的单发私人喷气飞机。

  黑匣子壳体碳基复合材料制造

  在飞机上,黑匣子起着非常重要的作用,它记录着航空器的一切飞行数据,但它又要很结实,一旦飞机失事仍能完全保存所记录的数据,这对分析事故原因起着不可估量的作用,复合材料是制造这种壳体不可多得材料;另外,复合材料也是制造航空器刹车副的宝贵材料之一。

  中国中航飞机股份有限公司西安制动分公司、航空工业西安航空制造科技有限公司与中科院联合研制的新性能耐高温、抗冲击、耐腐蚀碳基复合材料成功应用于飞机“黑匣子”壳体,填补了国内空白;它们研制的新型复合材料刹车副荣获咸阳市高新区创新创业大赛一等奖。

  中国首款全铝基复合材料无人机

  中国已跻身全球最大的无人机制造大国与强国之一,用于制造的材料各种各样,当然用的最多的与最重要的结构材料是铝材与铝基复合材料。中航(成都)无人机系统股份有限公司制造的中国首款全铝基复合材料多用途无人机“翼龙”I-D无人机2018年12月23日在西部一机场成功首飞,是航空工业“翼龙”家族无人机系列化发展的重要里程碑。

  2018年12月25日,全部机制体制运营的中航(成都)无人机系统股份有限公司在成都市揭牌成立,做强做大中国无人机产业,努力打造国内领先、世界一流的高端无人机制造出口基地,向加快新时代航空强国建设迈出了实质性一步。同日,中国航空工业第100架“翼龙”系列无人机在成都通过全部验收,即将交付海外用户,创下了中国无人机出口的新纪录,也是中国有完全自主知识产权的“翼龙”系列无人机发展道路上一块新里程碑。

  每架无人机用的复合材料虽不多,但无人机的数量大,截至2018年底,全国无人机制造企业超11家,获无人经营许可证企业超4000家,注册无人机数量达27万架,无人机经营性飞行活动370kh。今后会以更快的速度增长,如果制造的无人机有10%用复合材料制造,那么复合材料的用量就会是一个不小的数字。

  铝基复合材料在航天器等上的应用

  大家知道,航天器零部件对材料的要求极为苛刻,既要求其密度尽量低些,又要求有优秀的综合性能,诸如具备抗疲劳、耐磨、高导热、低热膨胀和辐射屏蔽等优点,在现行的材料中,碳纤维或石墨烯增强的铝基复合材料成为首选的材料。能否为航空航天、电子封装、核电、汽车、轨道交通等产业提供所需的关键材料,成为一个国家是否强大与现代化水平高低的主要标志之一。

  近5年来,中国科学院金属研究所以马宗义研究员为首的团队在金属基特别是铝基复合材料攻关性研发方面取得了一批开创性的有里程碑意义的成就,先后为遥感、风云、高分、嫦娥、北斗、东风、天宫、龙舟等十几个关键型号卫星提供的复合材料产品达上百批次、上万余件,为中国航天事业发展与跻身世界先进水平作出了很大贡献。

  马宗义团队研发的铝基复合材料已获得国家发明专利授权近25项,先后制定企业标准4项,从金属所走向国内航天、核电、航空等领域的“首次”“首件”“首台”“首套”关键零部件多达七八件。

  蜂窝铝基复合材料

  蜂窝复合材料的制备难度很大,是一项高新技术,但其零部件的切削加工与成型是难度更大的技术。航空航天产业先进复合材料的应用及其加工工艺是一个国家综合实力和科技水平高低的体现,蜂窝复合材料是一种先进的材料,但其致命特点是刚度低,也就是说是一种弱刚度先进材料,还具有不连续和各向异性明显的特点,因此采用传统高速切削工艺加工时,不但效率低,而且质量差,无法满足航空航天产业等对大型铝基复合材料蜂窝芯构件高质高效的加工,高精度高效率加工工艺技术和设备的缺乏已成为制约国内先进复合材料蜂窝芯结构件应用的技术瓶颈之一。

  在国家“863”计划的重点支持下,由中国航空工业集团南昌飞机公司牵头,联合大连理工大学、陕西秦川机床有限公司等,合作开展技术研究,研制成功中国首台蜂窝芯超声切削专用机床,开发出了蜂窝芯超声切削专用系列化刀具和工艺数据库,形成了具有完全知识产权的超声切削体系。

  在较大规模上开展了直升机和大型客机复合材料蜂窝芯典型工件的超声加工应用验证,加工质量和效率均有很大提高,实现了国内超声切削工艺和装备在航空航天产业企业的应用,对促进国内先进制造技术的发展,推动复合材料蜂窝芯结构在航空航天、核电等领域的应用均具有重要意义。

  兼有高强度和模量的碳纤维

  现在的碳纤维不可能既有高的抗拉强度又有高的弹性模量,成了当前碳纤维复合材料发展的一大障碍。2018年11月,日本东丽公司(Toray)通过精准控制纳米石墨晶体结构,同时将碳纤维抗拉强度和模量提高到一个前所未有的新水平,研制的新型TORAY CAMX碳纤维的抗拉强度比原来的M40J碳纤维的抗拉强度提高30%,弹性模量也同时得到相应的提高。东丽公司将新的碳纤维的商品牌号定为MOX。东丽公司还将推出含有TORAY CA MX系列碳纤维预浸料,因为预浸料可以保持理想的刚度,同时保有相应的强度。这种新碳纤维增强的铝基复合材料将是新一代的新材料之一,对减轻航空航天器与交通运输装备的质量有着重要的意义。

  中国碳纤维及复合材料生产企业

  顾名思义,复合材料是两种或多种均质的单体物质混合而成的多相物质或材料,它综合了单体的性能,具有优秀的综合性能,因此获得了相当广泛的应用,而且应用在不断扩大,不但在航空航天、核电、军工等领域得到优先应用,而且正在向汽车、轨道车辆、电子电器等产品领域进军。

  复合材料的构成可分为增强体与基体,基体占质量的95%以上,通常增强体仅占百分之几,在当今全世界用的结构复合材料中,铝基复合材料超过75%。按不同的增强体,铝基复合材料可分为:纤维增强、颗粒(直径0.5μm~100μm的粒子)增强、晶须增强、石墨稀增强的。常用的增强粒子:SiC、Si3N4、Al2O3、TiC、AlN、B4C、金属颗粒、石墨稀等。

  常用的几种铝基复合材料的制备工艺:粉末冶金法、压力浸渗工艺、反应自生成法、高能高速固结工艺、半固态搅拌法、喷射沉积法、搅拌摩擦加工法等等。

  中国制造铝基复合材料的企业甚多,截至2018年12月约有35家,其中最主要的:中国科学院沈阳金属所、中铝集团山东分公司、南通民用复合材料有限公司(生产线)、天津波音复合材料有限责任公司等等。

  中科院金属研究所

  中国科学院沈阳金属所是中国当前最大的铝基(金属基)复合材料基地,不但是产业化基地,而且有马宗义为首的研发团队,人才济济,2018年的生产能力约200t/a,产量近100t,成为航空航天、核电等领域多个企业的主要供货者,金属所还致力为金属复合材料的更新换代积累基础,实现下一次工程化规模应用的突破,力争成为中国和世界铝基复合材料的领跑者。

  金属所:中国金属基复合材料研发基地。金属研究所的研发成果已获得国家发明专利授权23项,他们研制的低密度、高强度、高弹性模量、高疲劳强度SiC/Al复合材料是7XXX系高强度铝合金、钛合金的良好代用品,可使零件减轻20%~40%,为遥感飞行器、深空探测器等提供了上千件工件,深受用户欢迎;为多种型号卫星提供的高陶瓷含量铝基复合材料具有低密度和低热胀特性,在卫星零件制造领域可替代钼、铜、钛、因瓦合金(Fe-Ni36),大幅减轻了工件质量。

  原子能工业用的中子吸收材料长期依靠进口,制约国产核电装备的制造与技术的发展,金属所的科学家突破了B4C/Al复合材料坯锭工业化制造技术与板材轧制工艺,批量生产出性能均一、成材率高、价格合理、有市场竞争力、代替了进口的B4C/Al板材,同时解决了焊接瓶颈。B4C增强的铝基复合材料在中国“龙舟CSNC”乏燃料容器中获得大量应用,实现了乏燃料运输材料的全部国产化,全球首台中国造的高温气冷堆核电站的全部核燃料贮存和容器都是用金属所的B4C/Al材料打造的。

  制造金属基材料及其零件必须打通三大瓶颈,马宗义团队都先后解决了困难重重的难以逾越的难题:

  大尺寸坯料制备关

  要生产大尸寸或超大尺寸复合材料半成品:板材、棒材、型材、管材、锻件等,首先必须制得大尺寸坯锭,但是在制备大尺寸坯锭时,必须克服成分均匀性、界面反应等难驾驭、成本高、周期长的难题。为此,他们研发出了低成本短流程粉末冶金制备技术,所制备的坏锭具有组织均匀、致密度高无缺陷、无有害的界面产物,并于2017年制得3.4t的天下第一大锭,为公开报道的美国曾制备的最大的0.45t锭的7.6倍,而且原材料成本下降了50%,制造周期也缩短了一半。

  大材料加工成形

  铝基复合材料都含有脆性陶瓷增强相,制约与抑制金属基体的塑性成形,变形能力难上加难,为超越这道瓶颈,马宗义团队独创的精密物理仿真多尺度模拟新技术,顺利解决了成形加工过程中缺陷控制与组织性能调控,建立了大变形比成形加工中、高陶瓷含量复合材料成形加工,大挤压比异型材的生产,而且通过组织缺陷控制实现了较大规格板材的高效轧制、自由锻件性能的优化控制。

  焊接关的攻克

  金属基复合材料是一种各相性能相差甚大的混合物,传统的熔焊技术无法使这种材料获得合格的高质量连接,焊缝中总会产生颗粒偏桥、缩孔、气孔、有害界面产物;摩擦搅拌焊虽可以获得优质的连接焊缝,但焊接头会很快磨损,没有经济效益。为了绕过这道瓶颈,他们发明了一种有自主知识产权的高度耐磨的高强韧焊接工具,可在宽广的工艺参数下施焊,不会磨损,也不会断裂。他们还用中子衍射法和多尺寸模拟对焊接头残余应力实现精准模拟,为焊接工艺参数制定建立了崭新的依据。

  南通民用复合材料公司投产

  由中航高科与航空工业复材合作建设的民用复合材料生产线于2019年1月中旬在江苏省正式投产。它的投产是航空工业军民融合战略实施的重要成果,生产线的技术水平居国内领先地位,主导产品为汽车、轨道交通、通用航空器用的预浸料产品,有两个系列产品:高效成型预浸料和阻燃预浸料。航空工业复材公司研发的高效成型预浸料已实现了系列化,并在汽车零部件、电动车车身承力结构部件与无人机桨叶结构上通过了考核验证和工程应用,显著降低了高性能碳纤维复合铝材的成本,大幅度提升了复合材料的制备效率,实现碳纤维增强铝合金材料在新能源电动车、汽车及无人机等产业的领先规模化应用奠定了基础。

  南通复合材料项目2017年12月开始建设,历经15个月的高效建设,使国内领先、成本低、效率高民品复合材料项目顺利投产,意义重大,是军民融合的硕果。(王祝堂)

(责任编辑:静静)
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