上海铝工业展|C919开启中国航空新时代，航空铝材高速增长期到来
今天上海铝工业展小编来聊一聊航空铝材的发展。
高端装备的重大突破
2022年9月29日，C919大型客机获得中国民用航空局颁发的型号合格证，于同年12月9日交付首家用户——中国东方航空股份有限公司。
作为中国首款按照国际通行适航标准自行研制、具有自主知识产权的喷气式干线客机，C919大型客机于2007年立项，直至如今交付用户使用。历经几代人的努力，中国大飞机工业迎来了重要里程碑、迈入规模化系列化发展之路。
C919大客机研制成功并取得型号合格证投放市场，是深入实施创新驱动发展战略取得的重大成就，是建设制造强国的重要标志，是新时代改革开放和社会主义建设的重要成果，对于增强中国经济实力、科技实力、民族凝聚力，国际影响力都具有十分重要的意义。
全球关注中国有了大飞机
2023年5月28日上午，东方航空公司MU9191航班平稳降落在北京首都国际机场，穿过象征民航最高礼仪的水门，标志着该机型圆满完成首个商业航班飞行，正式进入市场，开启市场化运营、产业化发展新征程。
此次商业首航的C919飞机，机身前部印有“全球着架”的“中国印”标识，飞机注册号B-919A，B代表中国民航飞机，919和型号名称契合，A代表首架。东方航空公司接到飞机后，紧锣密鼓地进行了100h验证试飞，全面检验了飞机的航线运行能力。2022年12月28日10点33分载着约130名旅客从上海虹桥国际机场起飞。据称舱内共有8个公务舱、156个经济舱；行李舱是下拉式开合设计，更加节省空间，因而机舱显得更宽敞；在三座一排的座椅中，中间的比两侧的宽15mm。经过几代人的艰辛努力，中国终于有了自主研发的喷气式干线客机。按计划，此架C919飞机将在首航后在上海虹桥—成都天府的航线上实施初始商业运行。
C919的成功运营打破了波音公司和空客公司在单通道喷气式干线客机领域的垄断地位，意味着将能直接参与同世界两大飞机制造商——空客和波音的竞争，形成“三足鼎立”之势，意味着世界飞机制造产业进入激烈竞争时代。尽管目前这种竞争规模尚小，但却具有标志性的深远意义。有媒体称，未来20年，中国可能需要5000~6000架单通道客机，中国商飞需要迅速提高产量，以便在国内占有更大的份额。
中国航空市场巨大，C919仅依靠国内订单就可以支撑后续经营和研发，因此，有人预计中国商飞公司将选择优先发展国内商用航空市场，积累经验和品牌信誉，以博得更多潜在海外用户的信赖。非洲和亚洲应是C919最初阶段出口的主要市场。比如，鉴于以前的合作，印度尼西亚率先考虑引进C919的可能性较大；尼日利亚也曾表示有意购买C919。波音公司在2023年1月份的一份报告中认为，中国航空市场将成为全球最大的单一航空市场，到2041年，中国飞机乘客数量将增加两倍以上，中国购买的新客机数量将占全球的1/5。随着中国民航客机需求的不断增长，C919市场是不成问题的，未来市场的潜力巨大。
C919炎黄后裔心血＋华夏材料
2008年5月，中国在上海成立了中国商用有限责任公司（简称中国商飞），并宣布计划生产第一架大型商用喷气式飞机，命名为C919；2014年5月，中国国家主席习近平考察中国商飞公司，敦促发展具有竞争力的航空业；2015年11月，C919客机在中国商飞总装下线，揭开面纱；2017年5月，该飞机于5月5日进行首次试飞；2022年9月，C919大型客机获得中国民用航空局颁发的型品合格证，意味着该飞机符合适航标准；2022年12月，编号为B-919A的第一架C919大型客机交付给东方航空公司，在该航空公司进行一系列空机验证试飞；2023年5月，东航计划于5月28日启动国产大飞机C919上海至北京的首个商业航班。
打造C919大客机用的各种材料，不管是金属材料、非金属材料，还是复合材料，都是中国的工厂生产的。所有的构件，大到发动机，小到紧固件（图1），都是中华儿女设计制造的。
航空紧固件多得数不胜数，据称C919大客机用的铝合金、钛合金铆钉就有70万~80万个。中国虽然自1956年就开始生产航空铝合金，但铝合金铆钉等却一直依靠进口与“半进口”，直到2023年2月9日，中国才告别这种令人十分遗憾的长期依赖进口的局面。“半进口”是笔者暂用的名词，是指国外在中国开设的全资公司向中国供应的产品，美国铝业公司在中国苏州市建了2个航空紧固件厂，现属工程产品与锻件公司（Enineered Products& Forings公司，系独立企业，与美国铝业公司无关）。
2023年2月9日，东北轻合金有限责任公司（以下简称东轻）紧固件线棒材生产线投产。此项目的投产，突破了中国航空航天高强铝合金紧固关键核心技术，将为中国国防军工、航空航天、武器装备，以及交通运输用高端铝合金线材的开发和保供提供可靠保障，进一步提升了我国高端制造产业的自主创新能力、核心竞争力和行业引领力，扭转了中国高端紧固件长期依赖进口和“半进口”的不利局面，也更加坚定了我国向世界高端铝加工业迈进的信心和决心。为此，东轻也将全面贯彻党的二十大精神，聚焦建设制造强国、质量强国、航空航天强国、科技强国，踔厉奋发，勇毅前行。东轻自2020年末开始，陆续承担多项国家紧固件线棒材研制项目，同时，借助开展国家科研任务契机，新增紧固件生产线关键配套设备，进一步提升线材装备能力，开拓新市场和利润增长点，有效地破解目前进口收货期长乃至断供风险。此项目于2021年5月份开始建设，共有16台套设备，2022年9月建成并开始大卷重紧固件用线棒材试制，2023年，开始具备批量生产能力。自此以后，所有的航空航天铝合金中国都能生产。
寓意深远的C919命名
C919大飞机的命名寓意深远，“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，还是世界三大飞机制造商的第三个（C，A-空客公司Air Bus，B-波音公司Boeing），世界大型民用飞机制造将形成“三足鼎立”之势。数字“919”中的第一个“9”寓意天长地久，“19”代表中国首款大型客机最大载客量190人，以后的型号可能命名为“C929”，其中“29”代表这一机型的最大载客量为290座。
中国自主研发的C919大型客机主要技术参数为：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，可以往返国内所有城市，最大航程5555km，与波音B737飞机相比，具有更安全、更轻巧、更大功率、更快、更舒适等特点。
C919的机头、前机身、中央翼、中后机身等大部段都由中航工业集团等国内航空企业制造。飞行控制系统、机轮刹车系统、辅助动力装置和导航系统等由霍尼韦尔公司提供。
发动机是美国通用电气公司（GE）和法国赛峰集团合作制造的，比现役空客A320及波音B737飞机的发动机都要大，发动更有劲，而油耗却比他们的大大降低，使用成本比他们的约低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，其声速比、导航特性、失速特性等几项重要指标均优于国外同类机型，速度也比他们的快。C919的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，能更好地调节机舱内气压变化；舱内中间位置座椅比国际航空标准椅宽12.7mm，因而乘客感觉更舒适。
C919的前机身、中机身、中后机身、机头与机翼结构件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、后机身中段、中央翼等则是用复合材料或钛合金锻件制造而成。
除上述部段的主要零部件是用当今高端传统2XXX系与7XXX系铝合金制造，一些重要结构件是用铝-锂制造的外，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、行李架、卫生设施等。总体上看，C919大飞机铝合金工件总质量占其总净质量的65%。
2022年11月在珠海举行的第十四届中国航展上，C919大客机于11月5日飞抵珠海，闪耀蓝天盛会，受到中外观众的啧啧称赞（图2）。在该届航展上，中国商飞与7家租赁公司签订了300架C919订单，而在此之前，C919已拿下了28家客户815架的订单。截至2022年11月，中国商飞已拿到的C919订单达1115架。
C919用了哪些铝合金
可以说，C919大飞机是用铝合金打造的。其铝合金结构件和铝合金标准件（如电线电缆、仪器仪表壳和零件等）的净质量占飞机净质量的75%以上，而且有些结构件的净质量仅占材料采购量的百分之几，如用铝合金厚板加工的整体钣金件净质量仅为板材采购量的2%~3%。
截至2022年11月，C919客机国内外用户有20余家，订单数1115架，若按到2035年总制造架数为1500架匡算，则每年需制造125架。可以设想一下：把这12年的制造时间分为3段，每段4年，前段每年制造50架，中段每年制造100架，后段每年制造225架，若每架飞机的铝材用量按80t匡算，则每年需要铝材4000t，现在C919用的铝材中国都能生产。
工业和信息化部要求，2017年在航空铝材国产化方面力争取得阶段性成果。所指的航空铝材就是制造C919所需的各种铝材，在当前制造的航空器中，总的来讲，客机对材质的要求比军机的更为苛刻，大型客机对材质要求又比中小型客机的高，在当下中国制造的民用航空器中，C919大飞机所用铝材档次是最高的，只要铝合金档次符合要求，其他航空器都可以用。
C919大飞机用的铝材都是高端用铝，但我们仍可以按生产工艺难度与价的高低分为如下几类：
第一类是常用传统铝合金材料：7075-T62、7075-T73、7075-T73511、2024-T42、2024-T3511、2024-T3等；第二类是7050-T77型与7055-T77合金材料；第三类是铝-锂合金：2196、2198、2099等；第四类是复合材料，特别是碳纤维及碳化硅纤维增强的复合材料。
对于第一类材料，我们早已解决了“有无问题”，但竞争力问题未完全解决。因为只有解决了各种性能（常规力学性能、抗蠕变性能、抗疲劳性能，耐损伤容限性等）的稳定性、耐久性、可靠性与可追溯性等，才可以用到生产材料；价格合理性，解决了性能满足设计要求与零部件加工工艺之后，价格是否合理成了另一个突出问题，价格高了，用户不会买，飞机的材料采购及加工成本占整体造价的20%～30%，材料的经济性是飞机公司选材的重要原则之一。当前，中国航空铝材的价格大致比美国奥科宁克铝业公司、德国科布伦茨轧制厂、法国工厂价格贵一些。因此，必须把价格降下来。总之，第一阶段应完成的任务是，使现在可生产的各种铝合金材料在各方面都可与进口的相当，同时，在国际航空材料市场上要有相当强的竞争力。
第二阶段任务是解决7050、7055合金，T76、T77材料的供应问题，这里需要完成3项任务：大扁锭铸造，T77处理设备，T77处理精准工艺参数的确定。7050合金及7055合金都是高合金化元素含量的Al-Zn-Mg-Cu系合金，前者的总含量为9.6%～11.9%，后者的Zn、Mg、Cu总含量为11.4%～13.3%，铸造时产生裂缝倾向极大，扁锭成品率低，争取铸造成品率超过90%。T77处理的7055合金半成品是目前变形铝合金中强度最高的，其板材的抗拉强度比7150合金的高10%，比7075合金的高30%，而且有高的断裂韧性与很强的抗疲劳裂纹扩展能力，也有相当强的抗晶间腐蚀开裂能力，是制造民用飞机高承载结构的良好材料。合金材料7055于1991年在美国铝业协会公司注册，是美国铝业公司研发的一种合金，T77处理工艺也是该公司研发的，它是一种三级时效：第一级为峰值时效（T6），第二级为回归处理（RRA，regression and re-ageing），第三级为回归后的再时效，再时效温度和时间与第一级峰值时效时的相近，但又有区别。
第三阶段的任务应是全盘解决民机制造所需的第三代铝-锂合金产品问题，即能供应相当于肯联铝业公司Airware 材料或奥科宁克铝业公司达文波特轧制厂（Davenport Works）与拉斐特挤压锻造厂（Lafayette Works）的产品相当的性能，特别是价格不易降下来。生产铝-锂合金的关键是熔炼铸造，只有这道工序的成品率达到80%左右才能生产出有市场竞争力的产品。因此，必须解决铝材的可靠性、安全性、经济性、舒适性等关键指标。另外，材料的统计性能水平（飞机设计中的材料许用值）也是材料能否被采用的决定性因素。中国商飞上海飞机设计研究院副总工程师章骏表示，他们在选材时主要选用产品性能值高且波动范围小的产品。
C919大飞机有2196、2198、2099铝-锂合金，还有Al-Li-Sc合金，肯联铝业公司为研发铝-锂合金，与法国伊苏瓦尔（Issoire）铝业公司合作生产A380宽机体飞机所需的相关材料，历时4年半时间。
最后一个课题也就是第四阶段的任务，解决复合材料供应问题。民用飞机用的复合材料有两类：发动机用的高温高强材料，机身结构用的高强高韧材料，已在2020年完成此课题，但还不能提供有市场竞争力的民用飞机复合材料。当前，中国生产的这类材料不但品质不尽如人意，不能全盘满足客户要求，而且价格贵得惊人，为进口材料的5倍。
铝材是民用飞机制造最重要的关键材料之一，也是用得最多的材料，铝加工业应强化质量意识、过程控制意识、成本意识，尽快将大飞机铝材的国产化率提高到98%以上。为了推动国产铝材的应用，中国商飞对铝加工业航空材料生产企业的过程控制提出了5项基本要求：一是识别出材料生产过程中的全部控制点并可确定其控制方法；二是验证工艺参数“窗口”上下限的合理性；三是对重要原材料，例如重熔用铝锭实施延伸的过程控制；四是生产过程应有完整的记录，并保存一定的时间，以便查阅；五是生产工艺记录应真实可靠并妥善保管。
C919带动产业链翱翔蓝天
中国民航大学航空经济研究所所长李晓津说：“大飞机不仅是为了满足航空领域的发展需求，还能带动诸多基础学科的重大进展，助力新材料、现代制造、先进动力、电子信息、自动控制、计算机等领域关键技术的群体突破，拉动众多高技术产业发展。”实现了两个“从0到1”：一是技术上的“从0到1”，一架C919有400万个零部件，把它们组装起来并送上天，绝非易事；二是市场上的“从0到1”的突破，国产民机制造企业在市场意识、市场能力、市场经验等方面也几乎是从零开始。
C919的目录单价为6.53亿元，其实现商业化运营，可为上下游企业带来商机，拉动国内航空工业产业链的全面升级。以当下大飞机投入产出比的1∶80计算，在维持目前C919国产化率不变的情况下，国产大飞机有望为产业链企业带来万亿元级的市场规模。而随着国产化率的提高，将带动产业链供应链再上新台阶，为中国航空业注入新的发展动力。
大飞机的产业链主要由机体、动力装置、机载系统、零部件、原材料等组成。其中，机体部分占造价的约1/3，由机头、机身、机翼、舱门等组成，由航空工业旗下企业承担，100%的国产化。动力装置目前主要为引进，但是国产航空发动机会在短期内上阵，替代进口。当下，有大量高科技企业投身于机载系统的研发与制造，全部取代国外产品的时日近在眼前。零部件包括锻铸件、标准件、电子元件等。原材料主要是铝合金、钛合金、复合材料和高强度钢等，中铝集团、南山集团、宝钢等能全部供应。C919的机头、机身、机尾、机翼等分别由成飞、洪都航空、沈飞、西飞等企业提供。据称，全国有约30万人参与了C919大飞机的研制。李晓津称，如果按民用飞机寿命周期的10年计算，大飞机给中国带来经济增加值贡献比为1∶86，就业贡献比为1∶9.6，将为我国经济社会发展带来巨大的效益。
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文章来源：中国有色金属报