C919大型客机助推我国材料产业发展

　　我国复合材料技术的总体研究水平和产业化水平与发达国家相比还有较大的差距，为促进我国先进复合材料技术进步，推动我国先进复合材料技术整体研发能力的提升和产业化发展，满足C919客机的发展需要。下面是由yjbys小编为大家带来C919大型客机相关资料，欢迎大家阅读浏览。

C919大型客机助推我国材料产业发展

　　一、C919发展历程

　　早在近半个世纪之前，中国就在为制造一款大型客机而努力。1980年9月，举全国之力建造的大飞机“运10”首飞成功，但令人遗憾的是，由于多种原因，1986年这架完成多次试飞任务的飞机回到上海后，再也没能继续飞起来。同时期，中美合作的“MD82”客机项目正式实施，希望实现“市场换技术”。但随着美国波音公司对麦克唐纳-道格拉斯公司(McDonnell-Douglas Corporation)的兼并，合作项目全部暂停，中国人打造自主大飞机的梦想也就陷入了停滞。1999年，中国推出50座级双发涡桨支线客机“新舟60”，该飞机虽然引进了许多国外先进技术，但未能取得美欧的飞行认证，因此其主要用户为我国及津巴布韦、赞比亚、老挝等国家。

　　2006年1月，我国将大型飞机项目列为国家中长期科技规划的16个重大专项之一。2008年3月，国务院通过了组建方案，批准成立中国商用飞机有限责任公司(以下简称“中国商飞公司”)。同年11月，中国航空工业领域瞩目已久的C919大型客机项目启动。来自国内外的近500位专家组成了C919大型客机联合工程队，选出20位飞机设计及材料研究方面的专家组成了大客机专家咨询组，制定出了初步的总体技术方案，完成了该项目的技术经济可行性研究报告，梳理出了第1批需要启动的14项专项技术攻关项目。

　　历经7年磨砺，首架C919大型客机于2015年11月2日在中国商飞公司浦东基地厂房内正式下线。这不仅标志着首架C919大型客机的机体大部段对接成功和机载系统安装正式完成，达到了进行地面试验的状态，更标志着C919大客机项目研制取得了阶段性成果，为下一步首飞奠定了坚实基础。据统计，国内有200多家企业、36所高等院校、数十万产业人员参与了大客机研制，宝钛股份等16家材料生产企业和多家标准件生产企业成为大客机项目的供应商。该客机是我国首款按照最新国际适航标准研制的干线民用飞机，采用的是单通道窄体布局，与美国的波音757及法国的空客A320相当。其高密度布局174座，全经济舱布局168座，基本型混合级布局158座;最大航程能够达到5 500km，不仅能够在国内所有城市之间进行往返飞行，而且可以从北京直飞新加坡。为C919大型客机结构示意图。

　　按计划，C919大型客机在总装下线后，将要开展航电、飞控、液压等各系统试验，完成后还要进行机载系统集成试验和全机静力试验。C919大型客机计划于2016年上半年首飞，但真正用于航线仍需一段时间。专家预计，首飞之后将需要2～3年的时间在不同极端环境内进行测试，如沙漠、高原、寒冷地区如南北极等，全部测试合格后，C919才会大规模生产。

　　二、C919客机助推我国材料产业发展

　　截至11月2日，订购C919大型客机国内外用户为21家，总订单数量达到了517架。作为C919的制造商，中国商飞公司预测，其至少可销售2 000架以上，以每架5 000万美元测算，大飞机产业链产值将过万亿元。尽管距离真正交付尚需时日，但对已提前布局大飞机产业链的多家公司而言，C919的正式下线，标志着万亿级市场空间即将正式开启。

　　在2014年举办的航空材料院士论坛上，刘大响院士指出，提高航空发动机的性能，关键在于发动机结构的创新以及新材料、新工艺的发展。材料和制造技术对于先进航空发动机性能、可靠性和推重比提高的贡献率在50%～60%。由于大量采用复合材料，C919机舱内噪音可望降到60dB以下，而国外一些同类型飞机的机舱噪音约为80dB 。未来的C919客机与目前运营的同级别飞机相比，飞行阻力要小5%，油耗要低15%以上，其氮氧化合物排放要比国际民航组织规定以及现有飞机的要求低50%。与国际竞争对手相比，C919大型客机颇具性价比，该项目将直接带动我国材料产业的大发展。

　　1.铝合金

　　铝合金由于具有低密度、强耐蚀性、高比强度、易导热、高塑性、易加工成形和低成本等一系列优点，一直是大飞机机体结构的主要用材。民用大飞机往往会搭乘几百名乘客，为保证乘客的安全，对材料性能的要求非常高，并且对材料稳定性的要求非常高。在这一方面，航空系统有着非常严苛的标准。当今世界各国大飞机结构用铝合金主要是高强度的2XXX系(2024、2224、2324、2424、2524等)和超高强度的7XXX系(7075、7475、7050、7150、7055、7085等)。

　　随着首款C919大型客机总装下线，我国对航空铝材的需求也随之进入一个高速增长期。C919客机的机体全部由我国自主设计、制造，其中铝合金材料的用量约占材料总量的70%。由于我国先进航空铝合金产品正处于国产化的初期阶段，与国家需求和国际最先进水平相比，还有一定差距。尤其是现有航空铝材的淬透性、耐蚀性、耐损伤性及均匀性不能满足大飞机要求，需要提高15%～25%。为打造更安全、寿命更长、更加节能降耗的大飞机，我国启动了国家“973计划“——“航空高性能铝合金材料的基础研究”。该项目致力于通过寻求新的铝合金设计与制备途径，解决高综合性能铝材发展的基础科技难题，满足我国大飞机等重大工程对高淬透性、高耐蚀性、高耐损伤及高均匀性铝合金材料的需求。该项目共设置了6个课题，组织了我国航空铝合金基础研究、制备与应用的“产、学、研、用”完整的创新团队。我国围绕大飞机用金属材料的研究，取得了大量成果，申请的专利技术达到170多件，其中中南大学申请的专利数量占到50%左右。

　　中国铝业是中国商飞公司股东，出资10亿元，占5.26%的股份，同时也是国内最大的铝材生产商。早在10年前，中国铝业旗下的西南铝业集团有限责任公司就积极响应国家号召，投资近20亿建设了C919大客机等项目配套的铝合金厚板生产线，用于批量生产机翼、尾翼和壁板。铝合金厚板生产线材料生产线建成后，西南铝业不断增强自主创新建设能力，突破多项关键技术，己为我国数十项航空航天、国防军工和国家重点建设项目提供了上千个品种、数十万吨优质铝材，使我国成为继美、日、德、俄之后又一个能够模化生产铝合金厚板规的国家。“九五”计划至今，西南铝业先后承担了近20余项航空材料研制项目，开发了2XXX系、7XXX系等合金的新技术、新产品，形成了一系列具有自主知识产权的科技成果。特大型弧形模锻件是航空器的关键部件，这种模锻件的厚度很薄，弧度又很大，生产中很容易变形，因此对模锻工艺的要求非常高。此前由于国外技术封锁，西南铝业一直不能生产。为解决技术难题，西南铝业成立了专业人士组成的攻关小组，通过制作专用工具、更新优化生产工艺等措施，成功解决了一系列难题，生产出了国内最长、最重、投影面积最大的特大型弧形模锻件。一批工业化条件下板材、型材、锻件的新材料、新技术，为首款C919客机提供了30个规格的锻件，有效满足了我国大中型飞机发展的需要。目前西南铝业已实现向C919客机批量供应铝合金锻件，并与中国商飞公司建立了从新材料研发到商业合作全方位的合作关系。

　　铝锂合金具有密度低、强度高且损伤容限性优良的特点，用它替代常规铝合金材料，能够使构件的密度降低3%，质量减少10%～15%，弹性模量提高约6%，刚度提高15%～20%。鉴于铝锂合金材料具有的优良性能，已在飞机上得到使用或试用，主要用于机身框架、垂直安定面、襟翼翼肋、进气道唇口、整流罩、油箱、舱门等。但是铝锂合金的成分较为复杂，在成分、工艺和性能控制等方面较难掌握，因此美国生产的飞机很少用到这种材料。中航工业江西洪都航空工业集团有限责任公司(以下简称“洪都”)承担了C919前机身和中后机身的研制工作。为了将铝锂合金较好地应用在机身上，洪都建设了近20万m2的大部件装配厂房、钣金加工厂房，引进了大型钣金加工设备、数控加工设备和装配生产线，以及全球第2台“蒙皮镜像铣”设备。在C919大型客机前机身段的研制过程中，洪都攻克了铝锂合金蒙皮喷丸强化、铝锂合金型材滚弯成形制造、蒙皮镜像铣切加工、铝锂合金型材热压下陷制造、铝锂合金蒙皮喷丸校形等关键技术。在材料性能测试方面，用了将近3年的时间对2 500件试验件进行测试，完成了稳定工艺条件下20批次的材料性能数据测试，同时围绕材料疲劳额定值(DFR)数据体系建立，开展了不同加工制造状态的`典型结构细节DFR疲劳试验，共3 000余件试验件。2014年5月，洪都首次采用第3代铝锂合金材料制造的C919大型客机前机身大部段顺利下线。该部段包括了前段客舱、前货舱和再循环风扇舱，包含1 600多项零件，涉及到了近2 000项工装。这也是国内民机上首次在机身上采用铝锂合金材料。

　　铝锂合金制造的C919大型客机前机身大部段

　　C919客机除了机身采用铝锂合金外，长桁、地板纵梁、横梁、滑轨等也都采用了铝锂合金。C919使用的第3代铝锂合金材料在机体结构用量达到8.8%，甚至超过了空客A380的用量。因此，C919客机实现了比波音B737、空客A320等同类机型减重5%～10%的战略目标。虽然铝锂合金中的锂元素只占2%(质量分数)左右，但在载荷相同的条件下，比常规铝合金的质量可减少5%以上。常规的高性能铝合金，比如2X24、7X49、7085、7055等在国外的大飞机上得到了大量应用，这些合金也能够满足航空机体材料强度高、韧性好、抗疲劳、耐腐蚀、耐损伤的要求，但是不如铝锂合金轻。而且，尽管铝锂合金材料价格比常规铝合金材料高很多，但比起复合材料要低得多，所以C919大客机的价格要远远低于波音737等大客机。

　　2.钛合金

　　钛合金具有密度低、比强度高、使用温度范围宽(最低使用温度-269℃，最高使用温度600℃)、耐腐蚀、低阻尼、无磁性和可焊等诸多优点，是航空航天飞行器轻量化和提高综合性能的最佳用材，其应用水平是体现飞行器先进程度的一个重要方面。钛合金与复合材料具有很好的相容性，先进复合材料在民用飞机上用量的逐渐增加，也带动了钛合金在民用飞机上的用量不断增加。在飞机上，用钛合金代替钢和镍基合金甚至高强度钢，能够大大减轻飞机的自重，降低飞机的运行成本。例如，用Ti-6A1-4V合金制造的发动机风扇、压气机盘及叶片等，其质量比钢材的可减少30%;用Ti-10V-2Fe-3A1合金制造的零件，比30CrMnSiA钢的可减少40%左右。油耗多少关系到飞机及其发动机服役寿命期的经济性和环保性的优劣，机体结构轻量化和飞机的“低油耗”是目前航空制造领域的竞争焦点之一。为了降低飞机的质量，提升飞机的经济性，C919大型客机广泛采用钛合金材料，用量达到9.3%。

　　宝钢股份是大飞机项目负责单位中国商飞公司的股东，出资与持股比例和中国铝业相同。大飞机项目启动后，宝钢进行了相关项目的关键金属材料的研究与开发工作，并密切跟踪大飞机相关设计及制造单位的研发需求，不断研发“大飞机”项目所需的板材、型材、连接件、发动机用材等各类关键材料。近年来，宝钢投入了大量资金进行技术改造，相继引进了十余台(套)大型真空感应熔炼炉、真空自耗熔炼炉等装备;建成了由500t至1万t多台压机组成的等温模锻生产线;引进了4 000t级快锻机，启动了6 000t级快锻机的立项工作。目前，宝钢正在建设我国首条大型特种金属暨合金板带生产线，并对热挤压钢管生产线进行改造。这2项工程建设完成后，公司将具备大型钛合金结构件、高温合金结构件的冷轧基板生产能力，以及特种钛基、镍基及精密合金管材的生产能力。宝钢以飞机起落架用高强钢、钛合金及大飞机发动机用材等作为重点研发方向，并围绕“大飞机”项目进行了超纯净化冶炼工艺研究、大锭型自耗重熔工艺研究、大尺寸材均质化工艺研究、大尺寸材锻造工艺研究。起落架用材料是大飞机项目所需关键材料，大型飞机具有起降频繁、载质量大等特点，对起落架用材料的抗冲击性、抗疲劳强度、韧塑性等要求苛刻。通过研发人员的不懈努力，成功研制出TC4、TC18、TA15等4大牌号的大型钛合金棒材、等温锻件，并进入产业化生产研究阶段。

　　宝钛集团有限公司作为C919大飞机项目的钛合金材料供应商，在中国航空装备领域拥有雄厚的研发实力和技术储备，是国内唯一一家通过波音公司、空中客车公司、英国罗尔斯-罗伊斯、欧洲宇航工业协会和美国RMI等多家知名国际巨头质量体系和产品认证的企业。自C919大飞机项目启动以来，宝钛集团已先后承担了国家Ti-3Al-2.5V(TA18)合金管材、β处理的Ti-6Al-4V EIL合金厚板、β处理的Ti-6Al-4V合金型材、TB5合金板材工程化研制四个DK型号用材料研制任务。为支持大飞机建设，宝钛集团投资3.29亿元建设万吨自由锻压机项目。项目主机万吨自由锻压机组引进德国Wepuko(威普克)公司，是采用世界先进水平的多拉杆预应力结构和专利泵控系统技术的下拉式压机，配套德国Glama(格拉马)公司25t操作机，确保了整套机组性能的先进性和稳定性。该机组将成为国际钛行业锻造力最大和世界同级别速度最快的自由锻压机。万吨自由锻压机项目引进设备主机的投产，使宝钛集团钛及钛合金棒材和大型锻件(坯)的锻造装备和技术处于国际领先地位。宝钛集团为C919首架机陆续提供了多种规格的钛合金棒材、厚板和薄板材料，而且还正在进行3D打印技术攻关试验来实现航空发动机的一次性成型。

　　在国产大飞机的研制中，钛合金的大吨位锻制成型一直以来是制约飞机发展的技术瓶颈。模锻压机主要用于制造航空、航天、核电、石化等领域的高强度钛/铝合金锻件。凡是航空工业强国，都拥有巨型的模锻压机。我国生产的JH7、J10、J11等飞机，其部分钛铝合金框、梁、轴、臂、杆等模锻件尚需要从国外进口。由于缺少巨型模锻压机的支持，航空发动机用燃气轮机的性能长期无法取得突破。为助力中国大飞机早日翱翔蓝天，中国首台40 000t大型模锻液压机于2012年3月在西安阎良三角航空科技有限责任公司热试车成功，并顺利锻造出国内首个大型盘类件产品。该模锻液压机采用的是清华大学“钢丝预应力-剖分坎合”技术设计，最大压力能够达到5万t，锻造速度可在0.01 ～60 mm/s之间调控。2013年4月，我国自主设计研制的8万t级模锻液压机在四川德阳中国第二重型机械集团投入试生产。该压机是当前世界最大的模锻液压机，总高42m，设备总重2.2万t。该模锻液压机为我国制造航空航天领域的高强度钛/铝合金锻件生产奠定了基础。

　　西部超导主要从事高端钛合金材料和低温超导材料的研发与制造，是我国航空用钛合金棒丝材的主要研发生产基地，也是目前国际上唯一的铌钛(NbTi)锭棒及线材全流程生产企业。主要提供新型战机(歼20)、大运(运20)、C919大型客机等军品钛材，是前述型号飞机、发动机主要材料供应商之一。为满足C919大飞机用钛材需要，西部超导定增募资10亿元，用于航空用特种钛合金扩能技改项目等。据介绍，在航空用特种钛合金材料扩能技改项目中，拟新建熔炼、快速锻造和连轧等 3 个生产车间，新增国际先进水平的航空用特种钛合金铸锭、棒材生产设备 60 余台套。此外，西部超导还募资的2.25亿元将主要用于镍基高温合金项目。镍基高温合金一般用于制作航空、航天发动机的涡轮盘与叶片等结构件，目前国内该类材料均采购自国外。

　　钛合金的工艺性能差，切削加工困难，在热加工中，非常容易吸收氢氧氮碳等杂质。还有抗磨性差，生产工艺复杂。对于形状复杂的钛合金构件，加工十分困难，成本也高。钛合金激光成形技术则很好地解决了这一系列难题，由于采用叠层制造技术，可大大节约原材料用量，加之不需要制造专用的模具，加工费用由原来的相当于材料成本的1～2倍降低到现在的10%。粗略估计，采用激光成型技术加工1t的钛合金复杂结构件，大约需要130万元的成本，而采用传统工艺的成本达到2 500万元。通过激光成型复杂结构的钛合金构件，不仅可以节省工时，还可大大提高材料强度。据国家凝固技术国家重点实验室主任、西北工业大学教授黄卫东介绍，激光成型技术不仅“胜任”了国产大型客机C919零件制造的任务，其效果还显著优于传统技术以及厂商的要求。西北工业大学凝固技术国家重点实验室采用激光成型件加工中央翼缘条(图4)，其最大尺寸为3 070mm，最大变形量则小于0.8mm，整个力学性能通过飞机厂商的测试，其材料性能、结构性能、零件取样性能、大部段强度全部满足C919飞机设计要求，包括疲劳性能在内的综合性能，也优于传统锻件技术的效果。北京航空航天大学王华明教授带领的团队，研究出具有国际领先水平的“飞机钛合金大型复杂整体构件激光成形技术”，使我国成为目前世界上唯一突破飞机钛合金大型主承力结构件激光增材制造技术并实现装机工程应用的国家，该项成果荣获2012年度国家技术发明1等奖。该团队不仅打印出飞机钛合金起落架、主承力框等大型关键构件，还为C919样机制造出钛合金主风挡整体窗框，零件成本不足20万美元。图5为激光成型大型整体钛合金承力构件。

　　3.复合材料

　　飞机上使用的复合材料主要是碳纤维增强树脂基复合材料，具有比强度高、比模量高、抗疲劳性优良、隐身性好、耐腐蚀等一系列优点。碳纤维比铝还要轻，比钢还要硬，其密度是铁的1/4，强度是铁的10 倍，化学组成非常稳定。采用复合材料，可以明显减轻飞机的结构质量，提高飞机的综合性能。空客公司A380客机的碳纤维15%，波音B787客机的复合材料用量达到了50%，机身和机翼部位都使用了复合材料，机体蒙皮结构几乎全是复合材料。最新的空客A350XWB 飞机，复合材料的占结构质量的53%。据了解，与美国波音飞机和欧洲空客一样，C919采用大量的先进复合材料，使用量约占C919飞机结构质量的12%。

　　我国复合材料技术的总体研究水平和产业化水平与发达国家相比还有较大的差距，为促进我国先进复合材料技术进步，推动我国先进复合材料技术整体研发能力的提升和产业化发展，满足C919客机的发展需要，我国将江苏航科复合材料科技有限公司的“大型民用客机关键零部件用T800级碳纤维的研发及其产业化项目”列入国家战略性新兴产业发展重大专项。受到国家扶植的相关项目还有：中简科技发展有限公司T700/T800级碳纤维及复合材料研发、产业化及在航空领域的应用示范项目，江苏恒神纤维材料有限公司千吨级(GQ4522级)碳纤维复合材料在航空领域应用验证与产业化项目，湖南博云新材料股份有限公司年产305t高性能碳/碳复合材料研发与产业化项目等。

　　作为C919大型客机机体结构主要制造商之一，中航工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司(以下简称“哈飞”)主要承担机身复合材料部件的制造，负责主起落架舱门工作包、前起落架舱门工作包、翼身整流罩工作包和垂直尾翼工作包(103架起)4个大部件的制造。为贴合C919前起落架舱门的制造要求，哈飞在产品制造工艺上取得了重要突破。该起落架舱门主要为复合材料结构件，门体为预浸布、蜂窝夹层结构，内部装有增强的树脂块镶嵌件。由于飞机在起飞、降落过程中该舱门处于开启状态，要承受很大的风阻和震动，结构设计上强度、载荷要求更高，这是直升机和小型运输机舱门没有的要求。在研制过程中，哈飞研制团队通过多次工艺试验和技术攻关，在制造工艺上依次突破了超厚度(54mm)纸蜂窝预成型技术、数控加工技术、泡沫和蜂窝拼接技术，并且满足了制造规范和适航验证。另外，在现有复合材料制造技术、飞机装配技术方面，哈飞通过与国外先进企业联合研发，提升了航空复合材料制造工艺及工艺装备的技术水平，尤其是在大尺寸复合材料结构件和垂直尾翼部件的生产中，采用了自动铺带、热隔膜成型、数字化装配生产线等国际先进技术。

　　大连理工大学运载工程与力学学部的白瑞祥团队发挥理工大学国家重点实验室计算力学学科优势，承担了C919尾翼、中央复合材料壁板等多个部位的实验项目。自主研发大型复合材料结构，是一项艰巨而长期的庞大工程。白瑞祥团队针对大型复合材料构件试验需求，进行了大吨位大尺寸加载系统、承力系统和电测系统的建设，开展了材料级、结构级、部件级三级的大飞机复合材料结构破坏机理研究，并开发数值分析模型和软件，指导、校正实际试验，建立了飞机典型复合材料结构的破坏行为数据库。为保证从复合材料壁板各环节处获得翔实、完备有效的实验数据，及时处理不可测原因导致的意外情况，该团队采取在飞机壁板上对危险考验部位贴大量应变片的采集数据方法。为不忽略每一可靠数据的采集，一个大型壁板就需要采集300～400个通道数据，针对C919客机，一共测试了60多块壁板。

　　C919大飞机的机轮刹车系统则涉及碳/碳复合材料及高温合金的生产与制造。碳/碳复合材料是碳纤维及其织物增强的碳基体复合材料，具有低密度、高强度、高比模量、高导热性、低膨胀系数、摩擦性能好，以及抗热冲击性能好、尺寸稳定性高等优点，是如今在1 650℃以上应用的少数备选材料，最高理论温度更高达2 600℃[20]。用炭/炭复合材料制造的机轮刹车系统，耐高温，性能好，使用寿命是金属材料的2～4倍，质量只有其1/4，对飞机性能的提升大有好处。为满足C919大飞机的机轮刹车系统需求，博云新材料股份有限公司与美国霍尼韦尔公司于2012年联合成立的霍尼韦尔博云航空系统有限公司，专门从事飞机机轮刹车系统的设计、研发、测试、部件制造及系统总装。在公司名誉董事长黄伯云领衔的科研团队的努力下，运用掌握的荣获国家技术发明一等奖的炭/炭航空制动材料的制备技术，精心打造出C919机轮刹车系统，为国产大飞机依靠自主知识产权实现中国制造奠定了坚实基础。

　　从以上可以看出，C919大客机的研制与生产，极大地带动了我国钛合金、铝合金、复合材料等材料的发展，使我国在材料领域获得了很多重要进展，基础设施如大型设备得到了初步完善。但是毕竟我国真正大规模的由国家层面来组织针对大飞机材料的基础研究还只有10年时间，与国外一些发展早的国家相比，在材料基础研究、工程化应用研究和工业化批量生产方面还存在不小的差距。因此，研究研人员需紧抓这一历史机遇，努力开发满足C919客机的新材料，加速C919客机的国产化进程。

　　另外，C919客机零部件供应则采取全球招标的形式，吸引到了包括CFM国际公司、联合技术公司、霍尼韦尔公司等一批欧美顶级航空制造企业以及中航工业旗下诸多专业制造公司的加入。但是C919采用的很多零部件，国内还没发展起来，即便国内生产的零部件质量更优，但因为没有认证意识，未通过国际认证，C919也无法使用该产品。这也是我们今后需注意的问题。

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