100多年的世界航空發(fā)展史真實演繹了“一代材料，一代飛機”這句話；100多年來，飛機的外型、構(gòu)造和材料都發(fā)生了翻天覆地的變化，可以說，航空業(yè)的發(fā)展與機體材料、結(jié)構(gòu)材料、發(fā)動機材料以及各類組件材料的創(chuàng)新應用密不可分。
在近日召開的2020（第六屆）航空材料與制造工藝上海國際論壇上獲悉，隨著我國材料工業(yè)正在由大變強，以及我國民機產(chǎn)業(yè)發(fā)展進入快車道，未來航空材料市場的規(guī)模可觀，國產(chǎn)化也將是大勢所趨。
航空復合材料市場規(guī)模可觀
航空材料是航空工業(yè)發(fā)展的基礎，涉及大量的全球進出口貿(mào)易。由于航空零部件廠商對材料的高需求，亞太、歐洲和北美地區(qū)航空航天材料市場潛力巨大，據(jù)預測，全球航空航天材料市場規(guī)模到2022年將達到258億美元，2017年~2022年的年復合增長率則為6.9%。此外，到2023年中國航空業(yè)僅復合材料市場的規(guī)模就將達到282.7億元人民幣。
材料是實現(xiàn)先進飛機高性能、輕量化、高可靠性、長壽命、低成本的重要技術保障，而且飛機具有用途多、使用環(huán)境多樣、服役環(huán)境苛刻等特點，這些都對飛機使用的材料和制造技術提出了很高要求。基于飛機材料的重要性，世界航空強國對飛機材料的發(fā)展都予以高度重視。航空技術的進步與發(fā)展，推動著航空材料的更新。與此同時，新材料的出現(xiàn)以及制造工藝與理化測試技術的進步，又為航空產(chǎn)品的設計與制造提供了重要的物質(zhì)與技術基礎，從而不斷推動航空產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
截至目前，國產(chǎn)“新舟”系列飛機已交付100余架，ARJ21支線客機交付39架，大型干線客機C919正在密集試飛中，國內(nèi)外訂單達815架，我國民機產(chǎn)業(yè)已步入發(fā)展快車道。復合材料在航空航天領域的使用已經(jīng)非常廣泛，在大型客機方面，國際上最先進的波音787和空客A350，以及國產(chǎn)大飛機C919和中俄寬體機項目CR929都使用了大量的復合材料。
據(jù)中國商飛復合材料中心典型結(jié)構(gòu)部主任、研發(fā)工程師陳萍透露，國內(nèi)外研發(fā)的先進金屬材料在國產(chǎn)大飛機C919上都有應用，其中復合材料在C919上主要用于后機身段，復合材料用量約為12%；不過，未來CR929除了機頭以外，整個機身和機翼尾翼都計劃使用復合材料，用量目標為50%以上。
她認為，復合材料在大型客機的使用上，是從尾翼等次承力結(jié)構(gòu)向機身、機翼等主承力結(jié)構(gòu)不斷擴展。“當前，國內(nèi)大型客機復合材料在國內(nèi)的運用技術成熟度和生產(chǎn)效率還有待提高，全自動專業(yè)化生產(chǎn)有待實現(xiàn)，液體成型技術有待進入生產(chǎn)線正式開展應用。高性能、高效率、低成本將會是未來原材料領域的主要發(fā)展方向。”
市場對航空材料要求越來越高
100多年來，人們對飛機的要求越來越高：旅客要求更安全更舒適，制造商要求成本更低更耐用，航空公司要求運營更經(jīng)濟……其實這些需求與航空材料和制造工藝的創(chuàng)新升級密不可分。
要實現(xiàn)上述目標，對于民機設計者來講，就要做到減重和長壽命設計；對于材料而言，就需要輕質(zhì)和高耐損傷容限性能。用通俗的話來講，就是飛機要足夠輕，又要足夠耐用。
中國商飛上海飛機設計研究院型號副主任設計師、研究員李紅萍表示，盡管如今新型飛機上復合材料的比例越來越大，金屬材料依然是主體，C919鋁合金占62%，ARJ21更是占72%。但是新一代鋁鋰合金已被要求做到輕質(zhì)，市場對航空材料的要求越來越高。
結(jié)合商飛的使用現(xiàn)狀以及國外供應商的研發(fā)方向，李紅萍預測，未來5年~10年金屬材料的主要研發(fā)方向有：適用于機身壁板、梁、機身框等部位應用的鋁鋰合金厚板，適用于機身蒙皮用的鋁鋰合金薄板，適用于蒙皮壁板長桁用鋁鋰合金型材，高（中）強高韌耐損傷容限性能的先進鋁合金，高耐損傷容限性能、超高強度的不銹鋼等。
航空材料的國產(chǎn)化是大勢所趨。中國寶武作為全球鋼鐵技術的引領者，一直致力于新材料的研發(fā)及應用。據(jù)寶武特種冶金有限公司副總工程師馬天軍介紹，寶武特冶產(chǎn)品中的鈦合金、高溫合金、超高強度鋼等與航空材料關聯(lián)度非常大。該企業(yè)在1966年就通過了高溫合金雙真空冶煉，近年來在國家重大裝備材料方面實現(xiàn)了重大突破。與此同時，其新型變形高溫合金開發(fā)步伐不斷加快，還與研究機構(gòu)合作開發(fā)了一系列耐高溫難變形的高溫合金材料，部分產(chǎn)品實現(xiàn)了工程應用，為航空發(fā)動機提供了更多可選材料。他希望未來能在特種冶金等方面進行更多研究，不讓冶金技術質(zhì)量拖航空工業(yè)的后腿。
中國航發(fā)北京航空材料研究院副總工程師張學軍表示，對于飛機和發(fā)動機來說，材料要求輕質(zhì)、高強度、耐高溫，結(jié)構(gòu)要低缺陷、高穩(wěn)定性，這是航空材料增材制造必須要解決的問題。
增材制造（Additive Manufacturing，AM）俗稱3D打印，融合了計算機輔助設計、材料加工與成型技術，以數(shù)字模型文件為基礎，通過軟件與數(shù)控系統(tǒng)將專用的金屬材料、非金屬材料以及醫(yī)用生物材料，按照擠壓、燒結(jié)、熔融、光固化、噴射等方式逐層堆積，制造出實體物品的制造技術。與傳統(tǒng)的、對原材料切削、組裝的加工模式不同，這是一種“自下而上”通過材料累加的制造方法。這使得過去受到傳統(tǒng)制造方式約束而無法實現(xiàn)的復雜結(jié)構(gòu)件制造變?yōu)榭赡堋?br>
為實現(xiàn)增材制造的可靠應用，張學軍提出了解決辦法，一是通過研究飛機和發(fā)動機在組織、表面和結(jié)構(gòu)方面的全流程表現(xiàn)和關鍵技術，確保飛機和發(fā)動機所用的材料和結(jié)構(gòu)的可靠性；二要注意解決基礎性問題，提高技術成熟度；三要制定全流程的行業(yè)標準。
建立中國民機材料產(chǎn)業(yè)標準體系
提升航空材料供給水平是先進制造業(yè)發(fā)展和制造強國建設的重要基礎支撐。近年來，國家先后出臺了一系列新材料領域的重大政策，對全面推動國家新材料產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級指明了方向，提供了發(fā)展空間。
目前，在各方的共同努力下，我國已基本形成比較完整的航空材料研制技術體系和批量生產(chǎn)能力，具備了主要航空裝備關鍵材料的供給能力。但是國產(chǎn)材料裝機比例、材料生產(chǎn)企業(yè)質(zhì)量管控能力等仍然與國際先進水平有較大差距。
為增強民機材料的國際競爭力，提高自主創(chuàng)新能力，中國商飛公司也一直致力于依托大型客機項目提高國內(nèi)民機新材料的研用水平，以型號需求為牽引，以掌握關鍵核心技術為目標，推動民用飛機材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展；同時以適航要求為導向，建立符合適航審定要求的民機材料研制和合格鑒定體系，并探索建立中國民機材料產(chǎn)業(yè)標準體系。
為此，中國商飛于2018年10月成立了復合材料中心，主要負責復合材料典型結(jié)構(gòu)以及相關產(chǎn)品從預研、設計、工藝到制造、維修的全過程管理及質(zhì)量、進度、成本、適航等全要素管理，同時負責商飛復合材料技術體系建設和標準規(guī)范編制，以及復合材料產(chǎn)品供應商專業(yè)技術的輸出和管控等。
