我國(guó)航空航天業(yè)對(duì)鋁鋰合金的需求

王 偉，張 蕾

(1.中色科技股份有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039；2.國(guó)網(wǎng)洛陽(yáng)供電公司，河南 洛陽(yáng) 471000)

鋁合金具有質(zhì)輕、比強(qiáng)度高、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，自1903年萊特兄弟制造的世界上第一架飛機(jī)采用鋁合金鑄造的發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄箱體起，鋁合金就伴隨著航空工業(yè)的進(jìn)步而不斷發(fā)展。鋰是最輕的金屬元素，在鋁合金中每增加1%的鋰，鋁合金密度就可降低3%，模量提高6%，使得鋁鋰合金材料除了具有上述優(yōu)點(diǎn)外，還能極大地提高抗疲勞性能和低溫韌性。因此，鋁鋰合金已成為當(dāng)前各國(guó)爭(zhēng)相發(fā)展的重要航空材料。

1 國(guó)內(nèi)外鋁鋰合金生產(chǎn)及應(yīng)用現(xiàn)狀

鋁鋰合金的研究和開(kāi)發(fā)大致經(jīng)歷了3個(gè)階段，第一代以2020、BAД23為代表；第二代以1420、2090為代表；當(dāng)前已發(fā)展到第三代鋁鋰合金，其具有較好的綜合性能，新近開(kāi)發(fā)和改良的1460、2198、2199、2050等鋁鋰合金在先進(jìn)大型客機(jī)和航天器上應(yīng)用廣泛。為滿足航空航天工業(yè)的需要，世界上大型鋁業(yè)公司和科研機(jī)構(gòu)已經(jīng)著手開(kāi)發(fā)第四代鋁鋰合金，與第三代相比，新一代鋁鋰合金的鋰含量將會(huì)降低，而強(qiáng)度、斷裂韌性有所提升，伸長(zhǎng)率有所降低，其他性能仍能達(dá)到甚至超越第三代鋁鋰合金的水平。

1.1 國(guó)外生產(chǎn)及應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，國(guó)外有完整鋁鋰合金生產(chǎn)體系的國(guó)家主要分布在有限的美國(guó)、俄羅斯、英國(guó)、法國(guó)和意大利共5個(gè)發(fā)達(dá)地區(qū)，鋁鋰合金的生產(chǎn)能力總計(jì)約20萬(wàn)t/a。這些國(guó)家建立了熔煉-鑄造-加工的完整體系，其中熔煉-鑄造是生產(chǎn)鋁鋰合金材料的關(guān)鍵工序。

美國(guó)在鋁鋰合金的研發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用上走在世界前列，其生產(chǎn)能力占到全球的50%左右，產(chǎn)品種類(lèi)覆蓋板帶材、擠壓材、棒線材和鍛件等，代表合金有Weldalite、AIRWARE、2099、7055等，主要生產(chǎn)企業(yè)有奧科寧克鋁業(yè)公司、肯聯(lián)鋁業(yè)公司、愛(ài)勵(lì)鋁業(yè)公司。奧科寧克鋁業(yè)公司是全球最大的鋁鋰合金生產(chǎn)企業(yè)，產(chǎn)能約5.5萬(wàn)t/a，奧科寧克公司的產(chǎn)能主要分布在達(dá)文波特軋制廠、拉斐特鍛造擠壓廠、郎維鋁業(yè)公司、英國(guó)基茨格林鋁業(yè)公司、意大利富西納鋁業(yè)公司、韓國(guó)的長(zhǎng)元擠壓廠；主要客戶包括波音、空客、洛克希德馬丁、灣流宇航、中國(guó)商飛等眾多大型民用及軍用飛機(jī)制造商。肯聯(lián)鋁業(yè)公司的鋁鋰合金生產(chǎn)在法國(guó)伊蘇瓦爾軋制廠完成，產(chǎn)能約1.4萬(wàn)t/a，主要客戶有歐洲宇航、空客和龐巴迪公司等。愛(ài)勵(lì)鋁業(yè)公司的鋁鋰合金生產(chǎn)位于德國(guó)的科布倫茨工廠。上世紀(jì)50年代，美國(guó)將最早的工業(yè)鋁鋰合金2020用于RA-5C預(yù)警飛機(jī)上，使得飛機(jī)總重減輕了6%；90年代后將第三代鋁鋰合金用于F-16后隔框、波音787大梁、奮進(jìn)號(hào)航天飛機(jī)外儲(chǔ)箱上，均取得了良好的減重效果。C-17運(yùn)輸機(jī)使用了2.8t鋁鋰合金板材和擠壓型材制造貨艙的地板梁、襟翼副翼蒙皮等結(jié)構(gòu)，比用普通鋁合金減重208kg。

俄羅斯鋁鋰合金的研發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用始于前蘇聯(lián)，是僅次于美國(guó)的世界第二大研發(fā)、生產(chǎn)與應(yīng)用大國(guó)；生產(chǎn)能力占到全球的25%左右，加工材種類(lèi)與美國(guó)類(lèi)似，代表合金有1420、1450、1460等，生產(chǎn)企業(yè)主要是俄羅斯聯(lián)合鋁業(yè)公司烏拉爾卡緬斯克鋁業(yè)公司，市場(chǎng)主要是面向國(guó)內(nèi)的航空航天部門(mén)。早期在上世紀(jì)70年代，俄羅斯就將1420鋁鋰合金用于MiG-29的機(jī)身、油箱、座艙等部位，減重效果達(dá)到24%；待發(fā)展到第三代鋁鋰合金時(shí)，俄羅斯還將新型鋁鋰合金用于暴風(fēng)雪號(hào)航天飛機(jī)液氫貯箱、MiG-29、Su-27、Tu-144等民用及軍用飛機(jī)上，如每架MiG-29飛機(jī)鋁鋰合金用量達(dá)3.8t，Su-27鋁鋰合金的用量占到了機(jī)身總重的3%。

歐洲地區(qū)鋁鋰合金的研發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用分布在英國(guó)、法國(guó)和意大利，這些國(guó)家在第三代鋁鋰合金研發(fā)上已落后于美國(guó)和俄羅斯，在生產(chǎn)上由美國(guó)的公司在歐洲的分廠進(jìn)行，如原法國(guó)普基鋁業(yè)公司現(xiàn)已并入美國(guó)肯聯(lián)鋁業(yè)公司；英國(guó)基茨格林軋制廠、意大利富西納軋制廠均是美國(guó)奧科寧克鋁業(yè)公司的一部分。用戶有空客公司、阿古斯塔·維斯特蘭公司、歐洲戰(zhàn)斗機(jī)公司等。臺(tái)風(fēng)戰(zhàn)斗機(jī)前部所有薄板狀零件皆由8090鋁鋰合金薄板制成，占所有材料的9%，駕駛艙內(nèi)電子設(shè)備室的蓋板長(zhǎng)達(dá)1.5m；EH101直升機(jī)機(jī)身框架、蒙皮和內(nèi)部結(jié)構(gòu)大量采用鋁鋰合金板材和鍛件，每架質(zhì)量減輕200kg。

1.2 國(guó)內(nèi)生產(chǎn)及應(yīng)用現(xiàn)狀

在中國(guó)，為滿足國(guó)產(chǎn)飛機(jī)對(duì)鋁鋰合金的需求，我國(guó)鋁加工業(yè)在上世紀(jì)60年代就開(kāi)始對(duì)鋁鋰合金進(jìn)行跟蹤性研究，成功仿制了8090和2091兩種鋁鋰合金。在“八五”期間，我國(guó)已經(jīng)能夠熔鑄1t級(jí)的鋁鋰合金，初步具備了生產(chǎn)小規(guī)格鋁鋰合金板、型材的能力。“九五”期間，通過(guò)引進(jìn)俄羅斯1臺(tái)6t級(jí)的鋁鋰合金真空熔煉爐和鑄造設(shè)備及技術(shù)，在鋁鋰合金熔鑄方面實(shí)現(xiàn)了從1t級(jí)向6t級(jí)的大跨越。2012年西南鋁突破第三代鋁鋰合金多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了鋁鋰合金綜合性能的協(xié)同提高。我國(guó)經(jīng)歷近四十年的研究與探索，已基本掌握了航空航天鋁鋰合金材料的熔煉技術(shù)，如鋁鋰合金大扁錠與鋁鋰合金圓錠的鑄造技術(shù)。但在鋁鋰合金基礎(chǔ)研究與工業(yè)生產(chǎn)及應(yīng)用方面，與美、俄仍存在較大差距，當(dāng)前僅有西南鋁業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司能夠生產(chǎn)少量鋁鋰合金，年產(chǎn)量不足100t，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)的需求。

2 國(guó)內(nèi)鋁鋰合金市場(chǎng)需求預(yù)測(cè)

鋁鋰合金已經(jīng)在軍用飛機(jī)、民用客機(jī)、直升飛機(jī)和航天器上使用，主要用于機(jī)身框架、襟翼翼肋、垂直安定面、整流罩、進(jìn)氣道唇口、艙門(mén)、燃油箱等。在新型飛機(jī)設(shè)計(jì)制造中，輕質(zhì)和減重在航空領(lǐng)域常?！翱丝擞?jì)較”，采用鋁鋰合金可使飛機(jī)鋁合金零部件的質(zhì)量減輕14%～30%，減重的效果就是每架飛機(jī)每年的飛行費(fèi)用會(huì)下降2.2%以上，所以鋁鋰合金被認(rèn)為是航空航天最理想的結(jié)構(gòu)材料。

目前中國(guó)在通用航空器制造業(yè)已經(jīng)走出了關(guān)鍵三大步，分別為支線客機(jī)ARJ21-700、單通道噴氣客機(jī)C919和雙通道噴氣客機(jī)C929。ARJ21-700飛機(jī)鋁制零部件多采用鋁銅合金、鋁鋅合金等硬鋁合金材料，鋁鋰合金沒(méi)有獲得應(yīng)用。C919大飛機(jī)的機(jī)身蒙皮、長(zhǎng)桁、地板梁、滑軌、邊界梁、地板支撐結(jié)構(gòu)等部件都使用了第三代鋁鋰合金，全機(jī)鋁鋰合金材料占15.5%，用量達(dá)到14t，取得了綜合減重7%的良好效果。由中航洪都制造的C919機(jī)身前部等直段部和中航西安制造的C919中機(jī)身和副翼大部件均大量采用了鋁鋰合金板(圖1)，但C919大飛機(jī)采用的第三代鋁鋰合金均來(lái)自?shī)W科寧克鋁業(yè)公司。2018年6月，C929遠(yuǎn)程寬體客機(jī)整體外形和尺寸正式確定，正在開(kāi)展初步設(shè)計(jì)(G3)工作，可以確定的是未來(lái)C929鋁制零部件也將大量采用第三代甚至是第四代鋁鋰合金。

圖1 C919客機(jī)鋁鋰合金制中后機(jī)身和中機(jī)身Fig.1 Rear fuselage and mid-body of C919 aluminum-lithium alloy system

據(jù)中國(guó)民用航空局發(fā)布的《2017年民航行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)報(bào)告》統(tǒng)計(jì)，2017年，我國(guó)民航行業(yè)完成運(yùn)輸總周轉(zhuǎn)量1083.08億噸公里，比上年增長(zhǎng)12.6%，過(guò)去五年全行業(yè)運(yùn)輸總周轉(zhuǎn)量年均增長(zhǎng)12.2%。截至2017年底，民航行業(yè)運(yùn)輸飛機(jī)期末在冊(cè)架數(shù)3296架，比上年底增加346架。根據(jù)2016年12月發(fā)布的《中國(guó)民用航空發(fā)展第“十三個(gè)”五年規(guī)劃》，預(yù)計(jì)到2020年，全國(guó)民航行業(yè)航空運(yùn)輸總周轉(zhuǎn)量將達(dá)到1420億噸公里，期間年均增長(zhǎng)率達(dá)到10.8%，民航通用航空器達(dá)到5000架以上。同時(shí)規(guī)劃提出“十三五”期間要做好ARJ21-700飛機(jī)和新舟60系列飛機(jī)的型號(hào)合格證證后管理，開(kāi)展國(guó)產(chǎn)大型客機(jī)C919飛機(jī)等型號(hào)合格審定工作。另根據(jù)中國(guó)商飛公司2017年9月發(fā)布的《中國(guó)商飛公司2017-2036年民用飛機(jī)市場(chǎng)預(yù)測(cè)年報(bào)》，未來(lái)二十年，中國(guó)預(yù)計(jì)將交付8575架客機(jī)，價(jià)值約12104億美元，年平均客機(jī)需求量達(dá)到420架以上。其中單通道噴氣客機(jī)占64%，共計(jì)5475架；雙通道噴氣客機(jī)占23%，共計(jì)2003架；噴氣支線客機(jī)占13%，共計(jì)1097架。

近年來(lái)我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，消費(fèi)得到逐步升級(jí)，2017年我國(guó)全年人均GDP為8836美元，已經(jīng)進(jìn)入中等偏上收入國(guó)家水平，航空消費(fèi)需求持續(xù)上升，我國(guó)人均乘機(jī)次數(shù)接近0.4次/年，相比10年前提升1倍，但與發(fā)達(dá)國(guó)家美國(guó)(2.7次/年)、英國(guó)(2.1次/年)和日本(0.9次/年)相比，差距明顯。根據(jù)民航局規(guī)劃，2020年我國(guó)人均乘機(jī)次數(shù)將達(dá)到0.5次/年，到2030年人均年乘機(jī)次數(shù)達(dá)到1.04次/年，可看出，中國(guó)航空運(yùn)輸業(yè)的提升為航空器的需求提供了巨大的市場(chǎng)空間。目前國(guó)產(chǎn)單通道噴氣客機(jī)C919已經(jīng)接到訂單730架，首架C919有望在2021年投入商用，若這些訂單全部采用國(guó)產(chǎn)化材料，鋁鋰合金材料使用量參考當(dāng)前C919水平，考慮每架飛機(jī)鋁鋰合金用量為14t，則僅單通道C919大飛機(jī)就需要鋁鋰合金10 220t，再加上已在研發(fā)的雙通道C929大飛機(jī)，鋁鋰合金的需求量在20 000t以上。根據(jù)中國(guó)商飛公司的預(yù)測(cè)，未來(lái)二十年中國(guó)需要7 478架單通道及雙通道飛機(jī)，若其中1/3飛機(jī)由中國(guó)商飛公司生產(chǎn)，與波音、空客公司競(jìng)爭(zhēng)，則國(guó)內(nèi)鋁鋰合金的需求量在30 000t以上。

鋁鋰合金除了在民用航空器上大量應(yīng)用外，另一主要應(yīng)用市場(chǎng)是軍用航空器。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2017年中國(guó)軍用作戰(zhàn)飛機(jī)的數(shù)量達(dá)到1453架，主要以二、三代作戰(zhàn)飛機(jī)為主，占世界比重達(dá)到10%，僅為美國(guó)的一半，居第二位。隨著我國(guó)國(guó)力的提升，國(guó)家為了緩解陸上運(yùn)輸壓力、保護(hù)國(guó)土安全和海外利益，不斷加大對(duì)航空航天工業(yè)的投入，“十三五”期間中國(guó)空軍將迎來(lái)“三代半”戰(zhàn)機(jī)包括殲-10C、殲-11D，殲16和蘇-35SK的換裝高峰期，“三代半”戰(zhàn)機(jī)規(guī)模將躍居世界第二，這些戰(zhàn)術(shù)飛機(jī)產(chǎn)能有望突破115架/年以上，且第四代戰(zhàn)斗機(jī)殲-20、殲-31已經(jīng)服役，再加上戰(zhàn)略飛機(jī)運(yùn)20約10架/年的產(chǎn)能，一躍成為世界軍用航空器產(chǎn)量最高的國(guó)家，未來(lái)十年這一局面也不會(huì)有大的變化。若按這一速度生產(chǎn)，中國(guó)軍用航空器年需鋁鋰合金量達(dá)到近500t。

鋁鋰合金在航天領(lǐng)域可用于制造航天飛機(jī)油箱、火箭燃料儲(chǔ)罐、空間站結(jié)構(gòu)件。

綜上所述，未來(lái)十年國(guó)內(nèi)民用及軍用航空器平均年需達(dá)到550架左右，鋁鋰合金材料年需求量約1500t以上。

3 鋁鋰合金市場(chǎng)供應(yīng)預(yù)測(cè)及建議

目前，國(guó)內(nèi)中南大學(xué)、北京航空材料研究院等院校進(jìn)行了鋁鋰合金的基礎(chǔ)研究工作，生產(chǎn)單位僅有西南鋁能夠生產(chǎn)鋁鋰合金，且產(chǎn)量很低，不足百?lài)?，大飛機(jī)需要的鋁鋰合金仍需從美國(guó)進(jìn)口，而國(guó)內(nèi)軍用及民用航空器用鋁鋰合金年需求量達(dá)到1 500t，需求量是生產(chǎn)能力的15倍以上，鋁鋰合金材料亟需得到產(chǎn)業(yè)化。

未來(lái)我國(guó)應(yīng)以鋁鋰合金在大飛機(jī)、火箭等先進(jìn)航空航天器的需求為契機(jī)，加強(qiáng)第三代乃至更先進(jìn)鋁鋰合金材料的研究、生產(chǎn)及應(yīng)用工作，提高自主創(chuàng)新和國(guó)產(chǎn)化保障能力。因此建議國(guó)家及相關(guān)企業(yè)不斷提供政策支持和投入專(zhuān)項(xiàng)資金，增加研究和生產(chǎn)主體數(shù)量，強(qiáng)化和升級(jí)研究及生產(chǎn)、應(yīng)用平臺(tái)和工裝設(shè)備建設(shè)，促進(jìn)研發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用企業(yè)聯(lián)合開(kāi)發(fā)、協(xié)同促進(jìn)，提升鋁鋰合金研發(fā)和創(chuàng)新能力及成果轉(zhuǎn)化能力、升級(jí)和擴(kuò)建航空航天鋁鋰合金生產(chǎn)線。