2022年4月16日，中國神舟十三號載人飛船在東風(fēng)著陸場成功著陸，神舟十三號載人飛行任務(wù)取得圓滿成功！從萊特兄弟創(chuàng)造出的第一架飛機采用鋁合金鑄造的發(fā)動機曲柄箱開始，具有質(zhì)輕、耐腐蝕等優(yōu)點的鋁合金就伴隨著航空行業(yè)的進步而不斷發(fā)展，在當今運載火箭結(jié)構(gòu)材料中，鋁材、鋁基復(fù)合材料是用量最大的一類材料。據(jù)估計，在運載火箭結(jié)構(gòu)與零部件中，鋁及鋁合金的凈質(zhì)量占結(jié)構(gòu)總凈質(zhì)的85％以上，可以說鋁合金技術(shù)的進步與飛機火箭技術(shù)進步息息相關(guān)密不可分。

01航空用鋁合金發(fā)展進程

百年鋁材百年航空，隨著飛機設(shè)計思想的不斷創(chuàng)新，先進飛機的構(gòu)件制造對鋁合金性能及規(guī)格提出了越來越高的要求，特別是現(xiàn)代飛機的輕量化、寬敞化、舒適化、長壽命、高可靠和低成本的發(fā)展需求，推動了高強鋁合金的發(fā)展。按照鋁合金的成分、工藝、組織－性能特征，可將航空鋁合金的發(fā)展歷程大致分為五個階段：

表1：鋁合金發(fā)展特征性能、關(guān)鍵技術(shù)與特征微結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)來源：火石創(chuàng)造根據(jù)公開資料整理

我國高強鋁合金的研發(fā)主要受國內(nèi)航空航天工程發(fā)展和國外高強鋁合金相關(guān)技術(shù)發(fā)展的推動，經(jīng)歷了60多年的發(fā)展，通過國外引進與國內(nèi)制造結(jié)合，基本建成了具有國際先進水平的高強鋁合金材料生產(chǎn)的裝備和加工基地，形成了我國自己的第一代、第二代、第三代鋁合金材料及其批量生產(chǎn)的能力，研發(fā)了如LC4、LC9、LY12、2A12、2A16、2A19、7A04、7B04等系列鋁合金，與國際差距逐漸縮小，我國高強鋁合金發(fā)展也大致經(jīng)歷了五個階段：

表2：我國高強鋁合金材料的發(fā)展進程

數(shù)據(jù)來源：火石創(chuàng)造根據(jù)公開資料整理

我國研制和生產(chǎn)的鋁合金材料支撐了不同時代的各種類型高端裝備的研制與批產(chǎn)，在高強度鋁合金材料研發(fā)生產(chǎn)方面積累了豐富的生產(chǎn)技術(shù)與工藝，為保障國家安全做出了貢獻。

02 2xxx系與7xxx系鋁合金

鋁合金在航空航天領(lǐng)域的運載火箭上應(yīng)用較多，主要牌號是7075、20X4、2219等，發(fā)動機裝置、主體部件、旋轉(zhuǎn)臺、遙控部分等主要是鋁合金7075，液氧槽主要為2219，20X4主要用于衛(wèi)星流線型外罩和控溫閥部件等。此外，載人飛行器的骨架是用2024和7075鋁合金制作而成。

鋁合金在飛機上主要是用作結(jié)構(gòu)材料，如蒙皮、框架、螺旋槳、油箱、壁板和起落架支柱等。根據(jù)明泰鋁業(yè)公司披露，當今世界各國大飛機結(jié)構(gòu)用鋁合金主要是高強度的2xxx系（2024、2224、2324、2424、2524 等）和超高強度的7xxx系（7075、7475、7050、7150、7055、7085 等），在民用客機鋁材占比分別達約38％、45％。

圖1：航空用鋁合金占比數(shù)據(jù)來源：東方證券、明泰鋁業(yè)

2xxx系（Al－Cu－Mg）鋁合金以Cu為主要的合金元素，在強度、耐熱性、加工性能上會有更好的提升，能夠在高溫狀態(tài)下保持良好的強度穩(wěn)定性和工藝性能，主要用于航空航天耐高溫部件中，多用于150～250℃溫度范圍內(nèi)工作的耐熱零件和耐熱可焊接的結(jié)構(gòu)件及鍛件，但Cu元素的引入會使鋁合金內(nèi)部更容易呈現(xiàn)晶間腐蝕，該系鋁合金耐腐蝕性能較低。因此，對于2xxx系的鋁合金一般都在表面做純鋁或6xxx系鋁合金包覆處理作為本體鋁合金的電化學(xué)保護膜，提高其耐腐蝕的性能。

7xxx系（Al－Zn－Mg－Cu）鋁合金以Zn最為主要添加元素，通過熱處理強化鋁合金的韌性，加入Mg元素可以提高熱變形性能并擴大淬火范圍，改變熱處理條件可以改善強度、焊接性和耐腐蝕性，但Mg元素的引入使得鋁合金的應(yīng)力腐蝕傾向嚴重。因此，7000系鋁合金屬于高強可焊且應(yīng)力腐蝕敏感度高的合金。而加入Cu元素的Al－Zn－Mg－Cu合金則具有更高的強度，屬于超高強鋁合金，屈服強度與拉伸強度十分接近，屈強比和比強度都很高，但塑性較差，且在高溫下的強度較低，經(jīng)常用于使用溫度低于120℃的承力結(jié)構(gòu)件。7xxx系鋁合金的加工性能優(yōu)異、耐蝕性和高韌性使其成為航空航天的主要結(jié)構(gòu)材料。

03  第三代航空用鋁——鋁鋰（Al－Li）合金

據(jù)推算，運載火箭每減重1kg可節(jié)省發(fā)射費用約2萬美元，戰(zhàn)斗機質(zhì)量若減輕15％，則可縮短飛機滑跑距離15％，增加航程20％，提高有效載荷30％。降低合金質(zhì)量最簡單的方法就是向其中添加輕原子量元素，以減小合金的密度。目前為止，鋰是世界上發(fā)現(xiàn)最輕的金屬元素。前期研究發(fā)現(xiàn)，向鋁合金基體中每添加質(zhì)量分數(shù)為1％的Li，可降低該合金密度3％，彈性模量上升5％～6％。相比于常規(guī)的2xxx系和7xxx系高強鋁合金，不僅具有低密度、高彈性模量、高比強度和高比模量的優(yōu)點，還兼具低的疲勞裂紋擴展速率、較好的高溫及低溫性能等特點，相比于復(fù)合材料，在抗沖擊、塑性和修復(fù)性等方面也具有不可替代的優(yōu)勢。鋁鋰合金已在航空航天器材上得到廣泛應(yīng)用，是現(xiàn)代航空航天器材設(shè)計中最具競爭力的材料之一。

我國直到20世紀80年代中期才正式啟動Al－Li 合金的研發(fā)工作，起步較晚。中南大學(xué)、北京航空材料研究院、航天703 所、北京有色院以及西南鋁業(yè)公司等高校和單位依托國家相關(guān)課題項目，圍繞Al－Li 合金的成分設(shè)計、組織調(diào)控以及性能生成等方面進行了深入系統(tǒng)的研究，已經(jīng)能夠產(chǎn)業(yè)化制備多種Al－Li 合金。并根據(jù)航空航天領(lǐng)域鋁合金的應(yīng)用背景和性能要求，開發(fā)出了綜合性能良好的Al－Li合金，建立了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的合金牌號，如2A97、X2A66。

此外，鋁鋰合金在我國航空航天領(lǐng)域已獲得成功應(yīng)用。2017 年5 月5日，中國擁有全部自主知識產(chǎn)權(quán)的大型客機C919在上海祝橋基地圓滿完成首飛。鋁鋰合金材料在C919 中的用量約15．5％，其中南昌洪都飛機制造公司采用Al－Li－S4 和2198 鋁鋰合金厚板制造了C919前機身蒙皮、機頭蒙皮以及中機身蒙皮等。

鋁鋰合金的研究加速了我國航空航天領(lǐng)域的發(fā)展，如天宮一號、嫦娥一號、長征系列火箭等都可以看到鋁鋰合金的身影。我國在鋁鋰合金的研發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用方面與國外還存在差距，但強勁的發(fā)展勢頭和大量的研究成果讓差距逐漸減小。

04 航空用鋁合金需求預(yù)測與發(fā)展建議

據(jù)東方證券預(yù)計，全球客機用鋁20－24、25－39年均需求分別為17．8、44．2萬噸。全球客機20－24年年均用鋁需求或仍低于疫情前水平，但隨著疫情的恢復(fù)，全球航空業(yè)將重返增長通道，預(yù)計25－39年全球客機用鋁年均需求或提升至44．2萬噸。在我國自主研發(fā)的ARJ17和C919機型量產(chǎn)帶動下，我國航空用鋁產(chǎn)業(yè)有望崛起，其中第三代航空用鋁材料鋁鋰合金或是未來重點發(fā)展方向。

目前國內(nèi)航空用鋁合金材料的生產(chǎn)主要集中在東輕公司、西南鋁以及西北鋁，這三家的航空用鋁合金材料生產(chǎn)和應(yīng)用占到國內(nèi)的95％以上。在裝備能力方面，國內(nèi)以南山鋁業(yè)、南南鋁業(yè)、兗礦集團、遼寧忠旺、愛勵鋁業(yè)等為代表的大型鋁加工企業(yè)具有較強優(yōu)勢，但均缺少高性能鋁合金材料的研發(fā)基礎(chǔ)以及工程化生產(chǎn)經(jīng)驗。

這些航空用鋁合金制造企業(yè)從“七五”開始航空用鋁的研制工作，解決了一大批自主化保障難題，推動了我國航空工業(yè)發(fā)展。但在我國現(xiàn)有航空機型方面，仍有一大部分材料從國外進口進行裝機應(yīng)用，主要原因具體如下：

1．技術(shù)設(shè)備壁壘鋁合金中厚板輥底式固溶熱處理爐用于對航空、航天用高性能要求和高表面質(zhì)量的2xxx、7xxx鋁合金中厚板材的固溶淬火處理。該設(shè)備是生產(chǎn)大飛機、船舶、兵器裝備預(yù)拉伸板必備的高端高精裝備。一直被國外公司掌控，裝備技術(shù)含量高、研發(fā)難度大。

2．認證壁壘以波音公司對供應(yīng)商認證要求為例，包含AS9100，EN9100和JISQ9100等一系列認證要求，目前國內(nèi)僅有南山鋁業(yè)等為數(shù)不多的鋁加工企業(yè)獲得波音認證。

3．國內(nèi)產(chǎn)品價格高于進口同類產(chǎn)品國內(nèi)航空用鋁合金材料起步較國外晚，且大部分產(chǎn)品都是通過后期的裝備升級、改造才具備了生產(chǎn)條件，新裝備的折舊費用致使材料的制造成本增加。另外，由于材料的研究還不夠深入，雖然能夠生產(chǎn)出合格產(chǎn)品，但質(zhì)量不穩(wěn)定，成品率較低也致使成本增加。

基于此，我國航空用鋁合金未來發(fā)展還需關(guān)注以下幾點：

1）加大高強鋁合金材料科學(xué)基礎(chǔ)技術(shù)的研發(fā)，從材料成分組成、熱處理工藝、加工工藝等諸多方面進行高強鋁合金材料性能的提升；

2）加強對高強鋁合金生產(chǎn)設(shè)備的開發(fā)研制，使鋁合金的傳統(tǒng)工藝向智能制造工藝快速轉(zhuǎn)變；

3）全力推進波音、空客、商飛、賽峰、龐巴迪等航空公司的產(chǎn)品認證工作，盡快實現(xiàn)國產(chǎn)材料在民用航空領(lǐng)域的批量化應(yīng)用；

4）加強國際技術(shù)合作，借鑒國外先進的技術(shù)開發(fā)經(jīng)驗及研發(fā)理念。

參考資料：

［1］張麗嬌《航空航天高強鋁合金材料應(yīng)用及發(fā)展趨勢研究》［2］東方證券：《高端鋁材：承新能源東風(fēng)，需求進入爆發(fā)期》［3］羅先甫等《2xxx系航空鋁合金研究進展》［4］于以標等《高性能鋁鋰合金的研究進展及其應(yīng)用》  

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作者 ｜ 火石創(chuàng)造 鄭丹妮  

審核 ｜ 火石創(chuàng)造 邵錢、殷莉等  

運營 ｜ 火石創(chuàng)造 黃淑萍