中國鈦合金航空材料需增強原始創(chuàng)新能力 |
[信息發(fā)布:本站 | 發(fā)布時間:2018-03-22 | 瀏覽:816 ] |
在航空制造發(fā)展的過程中,材料的更新?lián)Q代呈現(xiàn)出高速的更迭變換,材料和飛機一直在相互推動下不斷發(fā)展。“一代材料,一代飛機”正是世界航空發(fā)展史的一個真實寫照。而新材料是航空技術(shù)的重要基礎(chǔ),是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)升級換代和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的先導,成為航空工業(yè)發(fā)展中最具活力和發(fā)展?jié)摿Φ念I(lǐng)域。記者日前就鈦合金等航空新材料的發(fā)展應(yīng)用情況專訪了中國科學院院士曹春曉。 《中國航空報》:材料是飛機制造的基礎(chǔ),沒有高端技術(shù)制備的新材料,航空工業(yè)發(fā)展難以達到尖端,隨著航空工業(yè)的發(fā)展和新型號的研制,航空材料的需求與以往相比有哪些變化? 曹春曉:隨著航空工業(yè)發(fā)展,要求材料比強度越來越高,性能越來越好?,F(xiàn)在復(fù)合材料和鈦合金在飛機和發(fā)動機上的用量越來越多。比如復(fù)合材料,上世紀80年代在飛機上使用的還很少,但是這些年發(fā)展迅速。最新型的波音787客機復(fù)合材料占比已經(jīng)到了50%,鈦合金到了15%,在民用飛機領(lǐng)域打破了歷史最高紀錄。而之前的,波音777客機復(fù)合材料用量才10%,鈦合金用量才8%,跨度之大超乎想象。 復(fù)合材料和鈦合金這些材料之所以得到大規(guī)模的應(yīng)用發(fā)展,主要是兩個原因,其一是隨著材料研究及應(yīng)用實踐經(jīng)驗的積累,材料的性能和使用可靠性越來越好,其二是隨著加工制造技術(shù)的發(fā)展,材料本身的價格也比以前大為降低。具體來說,過去使用Ti-6AI-4V(TC4)鈦合金,現(xiàn)在我們在繼續(xù)使用的同時,還研發(fā)出強度等性能更高的鈦合金新品種,經(jīng)過多年試驗,飛機很多部件已開始使用這些新的鈦合金。例如,波音777客機同時使用了Ti1023、β21S、Ti153這三種牌號的β型鈦合金,這也是這三種牌號鈦合金第一次同時在民用飛機上使用??湛虯380客機起落架使用的Ti1023鈦合金鍛件有3.2噸重,4.2米長,是目前世界上最大的鈦合金鍛件。鈦合金所具有的的獨特性能,讓其應(yīng)用前景更加廣泛。以抗炮擊能力為例,由于鈦合金的抗炮擊能力顯著優(yōu)于復(fù)合材料,美國F-22戰(zhàn)斗機復(fù)合材料的用量由最初的44.7%減至現(xiàn)在的24%,而鈦合金用量則提高至41%。軍機鈦合金的使用量比民機多,也是出于增強戰(zhàn)斗力的考慮。此外,另一具有斷裂韌性高、疲勞裂紋擴展速率慢等特點的新品種合金——高損傷容限鈦合金的出現(xiàn),也是飛機上的鈦合金用量越來越多的重要原因。 從另一個角度來說,復(fù)合材料與鈦合金是“最佳伴侶”,相輔相成,互相促進。復(fù)合材料含有碳纖維,應(yīng)用中與鋁合金之間有電位差,而隨著時間推移鋁合金會被慢慢腐蝕,降低飛機安全性能。因此,與復(fù)合材料接觸使用的鋁合金,就需由鈦合金來代替,如復(fù)合材料的緊固件等零件。這些年來復(fù)合材料應(yīng)用的大幅增加也會推動鈦合金應(yīng)用的增加。 《中國航空報》:鈦合金和復(fù)合材料在航空中的應(yīng)用越來越廣泛,那么其他材料的發(fā)展情況又如何呢? 曹春曉:復(fù)合材料、鈦合金、鋁合金、鋼和高溫合金是飛機及發(fā)動機的五大候選材料,它們一直在競爭中互相促進,優(yōu)勢互補,不斷發(fā)展。雖然,復(fù)合材料和鈦合金會在比強度、抗腐蝕性能等方面具有優(yōu)勢,但鋁合金和鋼在工藝性能和經(jīng)濟性能等方面具有優(yōu)勢。高溫合金則在航空發(fā)動機上占有公認的首要地位。還必須指出的是,鋁合金和鋼一直在努力發(fā)展新的高性能新品種而不斷提高其競爭力。 因此,目前總的趨勢是復(fù)合材料和鈦合金應(yīng)用逐漸廣泛,但鋁合金和鋼依然是不可或缺的重要航空材料。目前世界上最大的航空鍛件就是鋁合金鍛件,在空客A380客機機翼上的一根梁,使用牌號為7085的鋁合金,鍛件長達6米多,重達3.9噸。 《中國航空報》:像8萬噸大型模鍛壓機這樣的大型重型裝備紛紛問世,不僅是我國重裝能力的提高,也是國家實力的提升,這對航空材料的發(fā)展有何意義? 曹春曉:飛機和發(fā)動機的結(jié)構(gòu)整體化是現(xiàn)代航空裝備發(fā)展的一個非常重要的方向,整體化不僅可以減輕結(jié)構(gòu)重量,增強可靠性,提高裝配效率,還能降低成本。誰能做到結(jié)構(gòu)整體化,誰就能夠快速發(fā)展。 中國二重的8萬噸大型模鍛壓機可以鍛造特大鍛件,改變了以往靠機械連接或焊接制造飛機結(jié)構(gòu)件的方式,對于促進鈦合金鍛件和鋼鍛件大型化、整體化十分重要。8萬噸大型模鍛壓機超過了此前世界最大的俄羅斯7.5萬噸模鍛壓機,解決了我國能不能做特大鍛件的問題,對我們成為鍛件強國、鈦合金強國、航空強國意義重大。 8萬噸大型模鍛壓機除了可以制造出特大鍛件,對結(jié)構(gòu)整體化起到推動作用之外,對鍛件(無論鋼、鋁合金、鈦合金、高溫合金等材料鍛件)的精密化也起到很大的推動作用。與粗鍛件相比,精鍛件所需的模鍛壓機噸位要增大至2~4倍?,F(xiàn)在很多鍛件“肥頭大耳”,原材料使用率只有10%左右,大量浪費包括原材料和能源等資源。鍛件精密化后,可以大大降低鍛件和成品零件的成本。鍛件精密化還可以提高使用可靠性。以往粗鍛件內(nèi)流線都被切斷,這會影響飛機的使用性能,而在精密鍛件加工后,鍛件內(nèi)大部分流線都能夠保存完好,從而使飛機使用的可靠性得到提高。所以,無論是制造特大鍛件,還是大型鍛件提高精密化水平,都需要使用8萬噸大型模鍛壓機,從而促進我國鍛造水平的全面提高。 鍛件在飛機和發(fā)動機上所占比重很大,一般占機體結(jié)構(gòu)重量的30%左右,占發(fā)動機重量的40%左右,并且鍛件一般都是關(guān)鍵件,作用巨大。所以,我國要不斷提升鍛造能力,加大競爭優(yōu)勢,推動航空工業(yè)發(fā)展。 《中國航空報》:我國鈦合金航空材料發(fā)展水平在國際中處于怎樣的地位?有哪些差距和不足?目前發(fā)展有何難點? 曹春曉:我國鈦材產(chǎn)量世界第一,但是也只能稱為鈦合金大國,我國航空材料的發(fā)展水平也正在由大國向強國過渡。就航空材料來說,我國還需要提升自主創(chuàng)新能力,增強原始創(chuàng)新能力,多研發(fā)一些具有自主知識產(chǎn)權(quán)的可以在國際上叫得響亮的航空材料。 目前世界上已在使用的合金我國基本上都有能力研發(fā)出來,而且還擁有一些具有自主知識產(chǎn)權(quán)的工藝技術(shù),研發(fā)能力還是較強的,但是由我國原始創(chuàng)新的合金牌號卻不多。至于難點,也是存在的。鈦合金等航空材料的主要問題存在于批生產(chǎn)的穩(wěn)定性上,在批量生產(chǎn)時有時會出現(xiàn)質(zhì)量問題。這個問題更多的是生產(chǎn)管理的問題以及受人為因素的影響。所以,我國應(yīng)加強生產(chǎn)管理和盡快推動熱加工的數(shù)控化,避免各種因素造成的產(chǎn)品質(zhì)量的波動。不斷加強熱加工裝備和工藝的數(shù)控化是我們今后必須走的道路。 |