院士:中国航空材料产量有余 创新不足

航空

——专访中国科学院院士曹春晓
在航空制造发展的过程中，材料的更新换代呈现出高速的更迭变换，材料和飞机一直在相互推动下不断发展。“一代材料，一代飞机”正是世界航空发展史的一个真实写照。而新材料是航空技术的重要基础，是传统产业升级换代和高新技术产业发展的先导，成为航空工业发展中最具活力和发展潜力的领域。记者日前就钛合金等航空新材料的发展应用情况专访了中国科学院院士曹春晓。
《中国航空报》：材料是飞机制造的基础，没有高端技术制备的新材料，航空工业发展难以达到尖端，随着航空工业的发展和新型号的研制，航空材料的需求与以往相比有哪些变化？
曹春晓：随着航空工业发展，要求材料比强度越来越高，性能越来越好。现在复合材料和钛合金在飞机和发动机上的用量越来越多。比如复合材料，上世纪80年代在飞机上使用的还很少，但是这些年发展迅速。最新型的波音787客机复合材料占比已经到了50%，钛合金到了15%，在民用飞机领域打破了历史最高纪录。而之前的，波音777客机复合材料用量才10%，钛合金用量才8%，跨度之大超乎想象。
复合材料和钛合金这些材料之所以得到大规模的应用发展，主要是两个原因，其一是随着材料研究及应用实践经验的积累，材料的性能和使用可靠性越来越好，其二是随着加工制造技术的发展，材料本身的价格也比以前大为降低。具体来说，过去使用Ti-6AI-4V（TC4）钛合金，现在我们在继续使用的同时，还研发出强度等性能更高的钛合金新品种，经过多年试验，飞机很多部件已开始使用这些新的钛合金。例如，波音777客机同时使用了Ti1023、β21S、Ti153这三种牌号的β型钛合金，这也是这三种牌号钛合金第一次同时在民用飞机上使用。空客A380客机起落架使用的Ti1023钛合金锻件有3.2吨重，4.2米长，是目前世界上最大的钛合金锻件。钛合金所具有的的独特性能，让其应用前景更加广泛。以抗炮击能力为例，由于钛合金的抗炮击能力显著优于复合材料，美国F-22战斗机复合材料的用量由最初的44.7%减至现在的24%，而钛合金用量则提高至41%。军机钛合金的使用量比民机多，也是出于增强战斗力的考虑。此外，另一具有断裂韧性高、疲劳裂纹扩展速率慢等特点的新品种合金——高损伤容限钛合金的出现，也是飞机上的钛合金用量越来越多的重要原因。
从另一个角度来说，复合材料与钛合金是“最佳伴侣”，相辅相成，互相促进。复合材料含有碳纤维，应用中与铝合金之间有电位差，而随着时间推移铝合金会被慢慢腐蚀，降低飞机安全性能。因此，与复合材料接触使用的铝合金，就需由钛合金来代替，如复合材料的紧固件等零件。这些年来复合材料应用的大幅增加也会推动钛合金应用的增加。
《中国航空报》：钛合金和复合材料在航空中的应用越来越广泛，那么其他材料的发展情况又如何呢？
曹春晓：复合材料、钛合金、铝合金、钢和高温合金是飞机及发动机的五大候选材料，它们一直在竞争中互相促进，优势互补，不断发展。虽然，复合材料和钛合金会在比强度、抗腐蚀性能等方面具有优势，但铝合金和钢在工艺性能和经济性能等方面具有优势。高温合金则在航空发动机上占有公认的首要地位。还必须指出的是，铝合金和钢一直在努力发展新的高性能新品种而不断提高其竞争力。
因此，目前总的趋势是复合材料和钛合金应用逐渐广泛，但铝合金和钢依然是不可或缺的重要航空材料。目前世界上最大的航空锻件就是铝合金锻件，在空客A380客机机翼上的一根梁，使用牌号为7085的铝合金，锻件长达6米多，重达3.9吨。
《中国航空报》：像8万吨大型模锻压机这样的大型重型装备纷纷问世，不仅是我国重装能力的提高，也是国家实力的提升，这对航空材料的发展有何意义？
曹春晓：飞机和发动机的结构整体化是现代航空装备发展的一个非常重要的方向，整体化不仅可以减轻结构重量，增强可靠性，提高装配效率，还能降低成本。谁能做到结构整体化，谁就能够快速发展。
中国二重的8万吨大型模锻压机可以锻造特大锻件，改变了以往靠机械连接或焊接制造飞机结构件的方式，对于促进钛合金锻件和钢锻件大型化、整体化十分重要。8万吨大型模锻压机超过了此前世界最大的俄罗斯7.5万吨模锻压机，解决了我国能不能做特大锻件的问题，对我们成为锻件强国、钛合金强国、航空强国意义重大。
8万吨大型模锻压机除了可以制造出特大锻件，对结构整体化起到推动作用之外，对锻件（无论钢、铝合金、钛合金、高温合金等材料锻件）的精密化也起到很大的推动作用。与粗锻件相比，精锻件所需的模锻压机吨位要增大至2~4倍。现在很多锻件“肥头大耳”，原材料使用率只有10%左右，大量浪费包括原材料和能源等资源。锻件精密化后，可以大大降低锻件和成品零件的成本。锻件精密化还可以提高使用可靠性。以往粗锻件内流线都被切断，这会影响飞机的使用性能，而在精密锻件加工后，锻件内大部分流线都能够保存完好，从而使飞机使用的可靠性得到提高。所以，无论是制造特大锻件，还是大型锻件提高精密化水平，都需要使用8万吨大型模锻压机，从而促进我国锻造水平的全面提高。
锻件在飞机和发动机上所占比重很大，一般占机体结构重量的30%左右，占发动机重量的40%左右，并且锻件一般都是关键件，作用巨大。所以，我国要不断提升锻造能力，加大竞争优势，推动航空工业发展。
《中国航空报》：我国钛合金航空材料发展水平在国际中处于怎样的地位？有哪些差距和不足？目前发展有何难点？
曹春晓：我国钛材产量世界第一，但是也只能称为钛合金大国，我国航空材料的发展水平也正在由大国向强国过渡。就航空材料来说，我国还需要提升自主创新能力，增强原始创新能力，多研发一些具有自主知识产权的可以在国际上叫得响亮的航空材料。
目前世界上已在使用的合金我国基本上都有能力研发出来，而且还拥有一些具有自主知识产权的工艺技术，研发能力还是较强的，但是由我国原始创新的合金牌号却不多。至于难点，也是存在的。钛合金等航空材料的主要问题存在于批生产的稳定性上，在批量生产时有时会出现质量问题。这个问题更多的是生产管理的问题以及受人为因素的影响。所以，我国应加强生产管理和尽快推动热加工的数控化，避免各种因素造成的产品质量的波动。不断加强热加工装备和工艺的数控化是我们今后必须走的道路。