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中国有色网:中国攻克大飞机铝-锂合金零部件三道关

时间:2017年08月15日 21:36   来源:中国有色网
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  铝信cnal.com讯 中国拥有全部自主知识产权具有国际主流水平大型客机C919的101架机于5月5日在上海祝桥基地一飞冲天,圆满完成首飞,向全世界宣布,中国有了自制的大型干线客机,但要与波音公司、空客公司平起平坐,还有一段漫漫长路要走。在设计制造过程中有很多很多亮点,其中光芒四射的大亮点就有四五个,其中之一就是首次大范围地采用铝-锂合金制造机身与机翼零部件与紧固件。

  C919大飞机用了哪些铝-锂合金

  C919前机身蒙皮、机头蒙皮、中机身蒙皮、中后机身蒙皮是用2198-T8铝-锂合金厚板与Al-Li-S4-T8铝-锂合金厚板制造的,这里所说的厚板是指厚度>6mm的板材;前机身长桁、机头长桁、中机身长桁与地板梁、支柱、座椅导轨是用2196-T8511/2099-T83铝-锂合金挤压材等制造的;中后机身的长桁用的是2196-T8511/2099-T83铝-锂合金挤压材,它的地板梁与支柱用材料为2099-T83、2196-T8511铝-锂合金挤压材。由此可见,C919用的常用铝-锂合金有3种:2196、2198、2099,它们都已在美国铝业协会公司(AA)注册,注册年度依次为2000年、2005年、2003年,都是美国合金,还用了一种牌号为Al-Li-S4-T8的铝-锂合金,但其成分未见报道。

  2099合金是一个很纯的合金,它的杂质铁、硅含量很低,必须用高纯原铝锭配制,同时它的锂含量也高,因此其材料的价格比其他两种合金的都高。2196和2198合金还含有少量的银,银能显着加速Al-Li合金的时效强化过程,总的来说,含银的铝-锂合金的综合性能优于不含银的铝-锂合金,银不但能细化合金的晶粒,而且加速合金的时效析出过程,使时效后合金的塑性有较大的下降。

  2099合金还含有0.40%~1.0%Zn,锌可与Mg形成η'(MgZn2)相并促进δ'和S'相的析出,从而提高其力学性能,时效前的预应变可促使Al-Li-Cu-Mg-Zn-Zr合金在190℃时效后的抗拉强度提高约20N/mm2。

  C919用的铝-锂合金从哪里来

  C919机身蒙皮用的板材,长桁、地板梁、支柱等用的挤压材,座椅导轨等铝-锂合金材料与机身等直段用的所有铝-锂合金材料是美国铝业公司(Alcoa)提供的,而且其他一切铝材也是从美国铝业公司进口的,板材产于达文波特厂(Davenport Works),挤压材与锻件是拉斐特厂(Lafayette Works)加工的。除铝-锂合金挤压材外,其他挤压铝材有一部分是美国铝业公司设在韩国的一个挤压厂生产的。

  C919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,在飞机制造中起着非常重要的作用,所有的连接紧固件是美国铝业公司设在中国江苏省苏州市的两个工厂生产的,也可能有一些是进口的。古老的铆接法仍是飞机零件的主要连接工艺,C919的机身由一千六七百块钣金件组装而成,仅铆钉就用了六万多个,有的为2xxx系合金,有的为含锂的2xxx系合金。

  早在2009年年中,中国商用飞机有限责任公司就与美国铝业公司接触,谈判有关大飞机所用铝材供应的有关事项,谈判甚为顺利,美国铝业公司答应提供所需的一切高端铝材,而且价格比中国自己生产的还便宜一些,交货期也得到保证,美国铝业公司还派了材料专家深入中国商飞公司有关部门,帮助铝材选用与介绍铝材性能,为了双方合作得更好,该公司亚太地区总部特意从北京搬迁到上海。

  铝-锂合金为何博得C919青睐

  大家知道,航空航天工业对零件质量是锱珠必究的,用现在的话说,就是在计算零件质量时必须精准到“克”。锂的密度为540kg/m3,是最轻的金属元素,是铝密度的20%,向铝中每添1%Li,合金的密度均下降约3%,正弹性模量上升约5%。因而含锂的铝-锂合金具有低的密度,高的比强度、比刚度、比弹性模量等优点而成为优秀的航空航天器用铝材,有报道称:如果要用铝-锂合金制造波音飞机结构,其质量可以下降14.6%,燃料节省5.4%,飞机成本将下降2.1%,每架飞机每年的飞行费用降低2.2%。这就是飞机制造企业为什么对铝-锂合金情有独钟的原因。

  2011年9月11日,中国研制的载人飞行器——天宫一号发射成功,顺利进入预定轨道。它的资源舱是用铝-锂合金制造的,比用2xxx系及7xxx系常规合金制造减重10%左右,舱内装有太阳能电池、动力系统、推进系统、控制力矩陀螺,加足燃料后总质量约1.4t。

  铝-锂合金的发展历程

  世界第一个含锂的铝-锂合金诞生于上世纪20年代初的德国,商品名称Scleron,但没有获得工业应用。1942年美国铝业公司的利巴朗(Lebaron)发明的X2020合金(Al-4.5Cu~1.0Li-0.8Mn-0.6Cd)获得专利,1957年其板材在美国海军的A3J侦察机上获得应用;60年代初在超声速轰炸机B-58和歼击机上获得少量应用,但是此合金的断裂韧性低,尤其是缺口敏感性比7075-T6合金的大。

  1955年,英国科学家哈代(Hardy)与西尔科克(Silcock)对Al-Li及Al-Cu-Li合金的时效过程作了研究,发现了有序的δ'-Al3Li相。60年代苏联研制成01420合金,其成分(W%):4~7Mg,1.5~2.6Li,0.2~1.0Mn或0.05~0.3Zr,0.0015~0.15Ti,0.05~0.3Cr,其余为Al。1971年,英国富尔默(Fulmer)研究所研制出新的Al-Mg-Li-Zr合金,特别是1973年的石油危机以后,再次掀起了研究铝-锂合金的浪潮,在解决其低韧性与晶界脆性方面取得了突破性的成就,诞生了第三代铝-锂合金,如肯联铝业公司的AirwareTM合金及其生产工艺,在A380宽机体大飞机上获得了大量应用,现在飞机上应用的铝合金都是第三代。

  现在,不管什么变形铝合金,只要是含有合金元素锂的都被称为铝-锂合金。截至2015年1月,在美国铝业协会注册的铝-锂合金共25个,其中属2xxx系的22个,Li的最大含量为2.6%(2090合金);属8xxx系3个,含Li最多为8091合金,含2.4%~2.8%,在当前常用的(active)的铝-锂合金中的锂含量都不超过2.8%。

  在全球发展铝-锂合金历程中可以明显地看出,苏联-俄罗斯着重发展以Al-Mg系合金为基的含锂合金,而美国与法国则发展以2xxx系合金为基础的含锂合金,由于意识形态的关系,苏联研发的变形铝合金不到美国铝业协会注册,直到苏联于1991年解体后,1997年俄罗斯才注册了一个非原型合金2224A。笔者所指原型合金是第二位数字为“0”的合金。

  现在有独立铝-锂合金工业的国家只有美国、俄国、法国和中国,它们建立了从熔炼-铸造-加工的完整体系,熔炼-铸造是生产铝-锂合金材料的关键工序。可生产铝-锂合金材料的企业有美国铝业公司的达文波特轧制厂、拉斐特挤压-锻造厂、英国的其茨格林轧制厂(Kitts Green Works)、俄罗斯的萨马拉冶金公司(Samara)、意大利的富西拉(Fusina)轧制厂;肯联铝业公司的法国伊苏尔(Issoire)轧制厂;俄罗斯联合铝业公司的卡缅斯克冶金公司;中国的西南铝业(集团)有限责任公司。全世界2015年铝-锂合金材料生产能力约200kt/a,其中美国铝业公司占50%以上。

  砥励奋进攻克铝-锂合金零部件加工难关

  生产航空航天器铝-锂合金零部件是一条艰辛崎岖的道路,必须攻克三道关:首先必须攻克合金关,一代材料一代航天器,只有研制出了一代又一代新型铝合金,才能设计与制造一代代的新飞机,研制一代新飞机铝合金,就是在工业发达国家也要六七年,当前应用的是第三代铝-锂合金,正在研发的是第四代,一代航空铝合金“年富力强”时间大多数只有二三十年;第二关是材料塑性压力加工关,有了性能优秀的合金后,就是要尽快把它加工成各种各样的性能高的且价比高的半成品(板、带、管、棒、型、线、箔、锻件等),制订从熔炼、铸造、加工到精整的成套工艺规范,通常攻克这一关需要约一年的时间;第三关是攻克零部件制造关,包括加工工艺设计、工装准备、机械加工、连接、表面处理、性能检测、包装发运等,制得的零部件不但尺寸、性能等都是优等的,而且价格合理,有相当强的市场竞争力,没有市场竞争力的产品不算好的航空器零部件,当然对某些航天器与国家安全攸关的产品不在此列。

  洪都公司倾全力攻克机身铝-锂合金零件集成加工关

  C919大飞机的前机身和中后机身都是中国航空工业集团公司南昌洪都飞机制造公司制造的,为完成前所未有的艰巨任务,江西省与中航工业公司联手在南昌市专门建成了一座航空工业城,有十几栋高大现代化厂房,成千台高精尖设备,其中的蒙皮镜像铣床,不但中国仅此一台,就是全世界也只有2台。C919的前机身含全段客舱、前货舱和再循环风机舱,由蒙皮、长桁、客舱地板梁和支柱、货舱地板和支柱、座椅导轨等1600多个零部件组件;中后机身(不是指中机身与后机身,而是一个整体段)更复杂,由蒙皮、长桁、地板梁和支柱等的4000多个零部件组成。

  以上那些零部件都是用先进的第三代铝-锂合金如2198-T8、Al-Li-S4-T8、2198-T8511、2099-T83合金制造的。铝-锂合金材料虽具有密度低、比强度与比刚度高的特点,Al-Mg-Li合金还有高的可焊性与抗腐蚀性能等优良特性,但它们的可塑性较差,断裂韧性不尽人意,性能的各异性较大,如在一个长桁上平面可承受50kN的力,而其下平面可承受的力则要低一些,而且2xxx系Al-Li合金的可焊性也低,零件只能铆接连接,零件切削加工极易产生裂纹甚至断裂。

  洪都公司制造C919大飞机前机身与中后机身用的2196、2198、2088、Al-Li-S4合金材料是从美国铝业公司(2016年11月1日起改名为奥科宁克铝业公司)的达文波特轧制厂与拉斐特挤压锻造厂进口的,但在加工前机身零件过程中遇到了“拦路虎”。据称,一度出现零件加工报废率超过60%的难堪困境,甚至出现了在机械加工某一个零件时成品率只有4.2%(加工48件报废46件)的尴尬局面,造成了巨大浪费。后来通过全体员工的日夜奋战,改进加工工艺,特别加工工具结构和热处理条件的不断改进和经验积累,情况大为改观,在生产中后机身时,零件合格率达97%以上,一级品率大幅度上升,从而跻身世界先进行列。前机身与中后机身62%部件都是用铝-锂合金制的,零部件的连接是全铆的。这两段机身的制造用了这么多铝-锂合金,无论对洪都公司来说,还是对整个中国民航来说都是一次“零的突破”,在中国民用航空工业发展史上有着里程碑意义。

  西飞公司用铝-锂合金打造C919大飞机中机身和中央翼

  中机身和中央翼指飞机机翼连接的飞机机身中段和机翼,它们占机体结构的50%,由西安飞机公司制造,C919中机身长5.99m,宽3.96m,由机身筒段(等直段)、龙骨、应急门、中央翼等组成,有8000多个零件,大部分用铝-锂合金制造,如2198-T8、Al-Li-S4-T8、2196-T8511、2099-T83等,但是由于整个飞机的载荷和操作系统中枢都在中机身段,因此有些零部件是用钛材和复合材料制造的。

  西安飞机公司在铝-锂合金蒙皮加工、机翼壁板加工、钻孔与无余量装配等技术领域都取得了突破性的成就。C919机翼为超临界型,与常规翼型相比,在升力相等时飞机可飞得更快,而在飞行速度相等时,飞机可有更大的升力,油耗率会相应地下降,不过这种机翼的加工制造难度大,特别是对机翼蒙皮内部构型有特殊要求,必须加工成台阶状,该公司经过大量论证试验,克服前所未有的重重困难,最后采用化铣与五坐标激光刻形相结合工艺终于“啃”下了这块超硬的“骨头”,在国内实现了“零的突破”。

  虽然中国在小规模研发和生产铝-锂方面已有近60年的历程,但都是跟踪型的,尚未形成自己的体系,要想达到奥科宁克铝业公司(Arconic Inc.)和肯联铝业公司(Constellium)那时的水平恐怕还要15年,因为中国在生产铝-锂合金需闯过的三关中,只攻克了一个中等难度的零部件制造与集成关,还有合金关与半成品塑性加工关有待攻克。路漫漫兮,任重道远,大家一起撸起袖子加油干吧!

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