面向先進飛機結構綜合性能需求，航空材料持續發展

　　2023年4月，空客公司宣佈在其新型寬體貨機A350F中，使用鋁鋰合金代替碳纖維複合材料製造中央翼盒頂蓋。中央翼盒是連接飛機左右機翼的關鍵部件，翼盒頂蓋負責承受來自機身地板的壓力（下單翼），在A350客機中使用碳纖維複合材料製造。空客公司爲了提高A350F的貨運能力，在該部位選用了強度更高的新型鋁鋰合金，使飛機最大載貨量提高至109噸，比其主要競爭對手波音777F貨機多7噸。A350F的選材變更表明，飛機的選材始終以需求為出發點，先進材料的選用往往對飛機產品的最終性能和市場競爭力起到至關重要的作用。

結構減重是飛機設計的首要目標，貫穿整個設計過程

　　結構減重意味着更長的航程、更低的油耗、更高的承載能力，節省出的重量和空間可以用來搭載更多的機載設備和武器，提升飛機的綜合性能。正因如此，「為減輕每一克重量而奮鬥」成為歷代飛機設計師嚴格恪守的理念。為評價飛機結構的減重效果，設計師通常用「結構重量係數」這一指標，也就是結構重量佔飛機總重的比值。現代戰鬥機結構重量係數從三代機的33%，下降到四代機的31%，再到五代機的29%，未來還將繼續下降。

　　在實現結構減重的因素中，材料的貢獻程度最高，約70%的減重效果由材料技術的進步而產生，其余30%則通過設計優化產生，因此飛機材料的輕量化對於結構減重尤為重要。近年來，複合材料的興起正是由於其具有的低密度優勢而廣受飛機設計師青睞。複合材料的密度是鈦合金的1/3，鋼的1/5，具有良好的減重效果。在新型航空裝備中，軍用飛機應用複合材料的比例接近40%，大型客機應用比例接近50%，一些通用飛機應用比例甚至接近100%。然而，需要特別指出，結構減重並不意味着使用的材料越輕越好，必須以滿足結構的基本強度需求爲準則。波音777和空客A380等大型客機中，複合材料主要用於尾翼、襟翼、擾流板、雷達罩等次承力或非承力結構，波音787和空客A350的複合材料用量雖明顯增長，但增長部分主要集中於機身、機翼、蒙皮等受力模式比較簡單的結構。對於機身框梁等受力較大且受力方式複雜的結構，複合材料尚不能完全滿足裝備需求，金屬仍是首選材料。在眾多輕質高強金屬材料中，近年來以鋁鋰合金的應用最為先進和廣泛，在需要高強度的飛機結構部位中發揮着不可替代的作用。

　　鋁鋰合金是指含有金屬元素鋰的鋁合金，據業界統計，鋁合金中鋰含量每添加1%，密度可降低3%，模量可增加6%，是性能更為優異的新一代航空鋁合金材料，強度更高、結構減重效果更好。如空客A380上層客艙地板梁使用複合材料，下層客艙地板梁則採用鋁鋰合金，原因就在於下層地板需要承受比上層地板更多的載荷，因此需要使用強度更高的鋁鋰合金。曾有國外航空公司將空客A380改裝成貨機的案例，上層貨艙複合材料地板梁必須進行加強才能裝載重型貨物，而下層貨艙鋁鋰合金地板梁則無需加強，印證了上述觀點。

　　空客在其新型寬體運輸機空客A350F中，使用鋁鋰合金替代複合材料製造中央翼盒頂蓋，也是因為鋁鋰合金具有更高的承載能力，選材的變更使空客飛機的最大承載量得到有效提升，超越波音公司同類產品。

除結構減重外，現代航空平臺需求日益多元化

　　首先，一型飛機的成功不僅在於其先進性，還要具有經濟性。「不僅要造得起，還要能用得起。」F-22后續生產計劃之所以被取消，成本高昂是重要原因。民用客機亦是如此——全生命周期成本的壓力正在進一步擴大。

　　其次，隨着飛行任務的愈發頻繁，安全性和耐用性越來越受關注。民航客機的飛行設計壽命提高到6~8萬小時，飛機在長期服役過程中是否能夠始終保持穩定可靠變得至關重要。此外，隨着全球碳減排運動的持續進行，航空裝備的綠色發展已然成為重要話題。

　　將航空裝備的發展需求轉化為選材需求，那就是要求航空材料必須具有輕質高強、耐腐蝕、耐疲勞、低成本、易加工等特點。相比於其他材料，鋁鋰合金不僅能夠滿足先進飛機結構在比強度上的需求，在其他選材需求方面也表現出優異的性能特點。

　　經濟性方面來看，選材的經濟性是為飛機的經濟性服務的，飛機的經濟性不僅關注製造成本，還關注運行、維護等成本，將這些因素綜合起來，也就是所謂的飛機全生命周期成本。選材的原則與之相同，不僅考慮製造成本，也要考慮運行、維護等成本，將其作為一個整體進行考量。複合材料之所以受到歡迎，是因為其結構件比傳統鋁合金結構件輕10%~20%，能夠通過減重降低油耗降低飛機的運行成本。數據顯示，鋁鋰合金結構件比傳統鋁合金結構件輕8%~15%，與複合材料的差距正在逐漸縮小。與此同時，鋁鋰合金在製造、維護等方面的成本都表現出明顯優勢。複合材料製造成本約為20000～30000美元/噸，而鋁鋰合金則為1000～2000美元/噸，僅為前者的5%~15%。此外，複合材料結構件的破損容易隱藏在材料內部，因此必須使用價格高昂的X射線或超聲波等無損檢測手段，而鋁鋰合金等金屬材料在使用過程中產生的缺陷普遍暴露在材料表面，因此可以使用成本相對低廉的檢測手段。

　　耐用性方面來看，飛機在起降過程中受到機翼上下壓差、客艙內外壓差、大氣冷熱衝擊的反覆作用，容易發生疲勞斷裂，在潮濕、高熱、煙霧環境下飛行容易發生腐蝕斷裂，因此機體結構材料需要具有良好的耐疲勞耐腐蝕性能。相比寬體客機，這一點對於班次更多、起降更頻繁的窄體客機而言更為重要。鋁鋰合金在疲勞和腐蝕性能上對比傳統鋁合金均有較大提升，與2系鋁合金相比，2195鋁鋰合金比2219鋁合金應力腐蝕性能提高20%，2198鋁鋰合金比2024鋁合金疲勞性能提高22%；與7系鋁合金相比，在拉伸強度保持優勢的同時，2050鋁鋰合金比7050鋁合金疲勞性能提高25%，2065鋁鋰合金比7150鋁合金腐蝕性能提高50%。複合材料耐腐蝕性能雖然更好，但對錶面完整性的要求也更高，否則水分容易進入複合材料的表面缺陷從而造成分層，尤其是緊固件連接處等開孔部位。因此從耐用性角度來看，鋁鋰合金的性能更為穩定，複合材料的長期穩定性仍有待時間檢驗。

　　從安全性方面考慮，飛機在運行過程中受到撞擊損傷是難以避免的，根據國際航空協會統計，自1912年以來，僅鳥撞導致的民用飛機失事就有60余起。除此之外，人員上下機、行李裝卸等日常操作過程中對機身產生的意外撞擊更是數不勝數。複合材料雖然強度高、剛度高，但是抗衝擊性能差，受到撞擊后，碳纖維容易從樹脂中分離出來，造成結構失效，而一旦因此引起失火，碳纖維還會燃燒產生有毒氣體，對人員造成二次傷害。鋁鋰合金具有更好的抗衝擊性能，在材料破損前能夠吸收更多的撞擊能量，從而降低結構失效風險。

　　還有在環保性方面，在國家「雙碳」戰略發展目標引領下，航空選材向綠色可持續方向發展是大勢所趨。目前國外先進國家普遍使用碳足跡這一指標來衡量材料的碳排放水平，碳足跡是指產品在全生命周期內直接和間接排放的温室氣體總和，一噸複合材料的平均碳足跡約為50～60噸，而一噸鋁鋰合金的平均碳足跡則為10～12噸，是前者的20%。在材料的循環利用方面，鋁鋰合金也顯示出明顯優勢，已經形成一套完善的回收技術，回收效率達到95%以上，而複合材料的回收技術仍有很大的發展空間，回收效率處於較低水平。

新一代鋁鋰合金正在得到高度重視

　　目前，國外鋁鋰合金已發展到第三代，在先進飛機中獲得廣泛應用並取得良好效果。在民用飛機方面，第三代鋁鋰合金應用於波音787、空客A380等機型的機身框梁、蒙皮等部位。

　　與此同時，面向新一代飛機結構選材需求的第四代鋁鋰合金已經開啟研製流程。2009年空客公司材料和加工集成部負責人在一次國際會議上提出了第四代鋁鋰合金的概念，同時表示美鋁和肯聯公司正在開展相關研究。相比於第三代，其特點是在保持彈性模量、疲勞性能和裂紋擴展速率基本相同的情況下，具有更低的鋰含量，以及更高的靜強度和斷裂韌性，在取代傳統材料方面更具優勢。

　　除了用於機體結構，用於發動機的耐熱型鋁鋰合金也在開發中，有望打開發動機選材新局面。奧科寧克公司在2014年為普惠公司的齒輪傳動系列發動機開發了首個風扇葉片鋁鋰合金鍛件，重量與成本顯著降低，證明了鋁鋰合金在發動機選材中的可行性，目前PW1000G發動機已用於空客A320neo、空客A220等飛機。

　　在注重改進鋁鋰合金性能的同時，配套基礎工業能力的創新與關鍵技術的突破同樣至關重要。從現實選材案例可以看出，一種材料的成功應用不僅在於其材料性能本身的先進性，材料的成熟性、經濟性、可製造性對選材的影響同樣重要。可以説，關鍵技術的進步對航空選材具有決定性影響，材料的發展是無止盡的，鋁鋰合金同樣如此。

　　在設計研發方面，計算技術正在對鋁鋰合金的開發產生深遠影響。集成計算材料工程是材料技術與計算技術的交叉學科，通過將計算獲取的材料信息與工程產品性能分析和製造過程模擬進行整合，可以有效縮短開發周期、降低開發成本、提高製造良率。在生產製備方面，鋁鋰合金的冶煉技術正在不斷取得突破。近年來，國外加大了超聲波在鋁鋰合金精煉中的應用研究，通過高速振動加快氣體雜質的溢出，可以使鋁鋰合金緻密度更高，針孔率顯著下降，美國Southwire公司、HANS TECH公司均申請了相關技術專利。直冷鑄造技術也在持續發展，該技術可以有效降低合金生產的微偏析問題，保證材料性能穩定一致，如美國Almex公司2018年和2020年獲批兩項針對鋁鋰合金的直冷鑄造工藝與設備專利，美鋁、肯聯等鋁鋰合金生產公司則主要關注直冷鑄造模具的研發。

　　在應用技術方面，一些先進技術的發展直接影響了鋁鋰合金的應用範圍與效果，如超塑成形技術用於生產複雜金屬部件，目前已開發出多種基於軋製、擠壓、鍛造的超塑成形技術，波音公司生產的2195鋁鋰合金超塑成形部件已應用於超輕型外部油箱；攪拌摩擦焊技術用於對接接頭的焊接，已應用於焊接洛馬公司大型低温貯箱2195鋁鋰合金面板，以及「獵鷹」9號第一、二級艙體2198鋁鋰合金面板；激光焊接技術用於製造飛機機身面板，近年來空客公司正在研究2196和2198合金的激光焊接技術，奧科尼克也在研究將其用於鋁鋰合金機身面板的可能性。（作者單位系航空工業發展研究中心）