面向先进飞机结构综合性能需求的铝锂合金发展

  2023年4月，空客公司宣布在其新型宽体货机A350F中，使用铝锂合金代替碳纤维复合材料制造中央翼盒顶盖。中央翼盒是连接飞机左右机翼的核心部件，翼盒顶盖负责承受来自机身地板的压力（下单翼），在A350客机中使用碳纤维复合材料制造。空客公司为了更好的提高A350F的货运能力，在该部位选用了强度更高的新型铝锂合金，使飞机最大载货量提高至109吨，比其主要竞争对手波音777F货机多7吨。A350F的选材变更表明，飞机的选材始终以需求为出发点，先进材料的选用往往对飞机产品的最终性能和市场竞争力起到至关重要的作用。

  结构减重意味着更长的航程、更低的油耗、更高的承载能力，节省出的重量和空间可拿来搭载更多的机载设备和武器，提升飞机的综合性能，正因如此，“为减轻每一克重量而奋斗”成为历代飞机设计师严格恪守的理念。为评价飞机结构的减重效果，设计师通常用“结构重量系数”这一指标，也就是结构重量占飞机总重的比值。现代战斗机结构重量系数从三代机的33%，下降到四代机的31%，再到五代机的29%，未来还将继续下降。

  在实现结构减重的因素中，材料的贡献程度最高，约70%的减重效果由材料技术的进步而产生，其余30%则通过设计优化产生，因此飞机材料的轻量化对结构减重特别的重要。近年来，复合材料的兴起正是由于其具有的低密度优势而广受飞机设计师青睐。复合材料的密度是钛合金的1/3，钢的1/5，拥有非常良好的减重效果，在新型航空装备中，军用飞机应用比例接近40%，大型客机应用比例接近50%，一些通用飞机应用比例甚至接近100%。

  然而需要非常指出，结构减重并不代表使用的材料越轻越好，必须以满足结构的基本强度需求为准则。波音777和空客A380等大型客机中，复合材料大多数都用在尾翼、襟翼、扰流板、雷达罩等次承力或非承力结构，波音787和空客A350的复合材料用量虽明显增长，但增长部分主要集中于机身机翼蒙皮等受力模式最简单的结构。对于机身框梁等受力较大且受力方式复杂的结构，复合材料尚不能完全满足装备需求，金属仍是首选材料。

  在众多轻质高强金属材料中，近年来以铝锂合金的应用最为先进和广泛，在需求高强度的飞机结构部位中发挥着无法替代的作用。铝锂合金是指含有金属元素锂的铝合金，据业界统计，铝合金中锂含量每添加1%，密度可降低3%，模量可增加6%，是性能更为优异的新一代航空铝合金材料，强度更高、结构减重效果更好。如A380上层客舱地板梁使用复合材料，下层客舱地板梁则采用铝锂合金，原因就在于下层地板需要承受比上层地板更多的载荷，因此就需要使用强度更高的铝锂合金，近年曾有国外航空公司将A380改装成货机的案例，上层货舱复合材料地板梁一定要进行加强才能装载重型货物，而下层货舱铝锂合金地板梁则无需加强，印证了上述观点。空客在其新型宽体运输机A350F中，使用铝锂合金替代复合材料制造中央翼盒顶盖，也是因铝锂合金具有更高的承载能力，选材的变更使空客飞机的最大承载量得到一定效果提升，超越波音公司同类产品。

  首先，一型飞机的成功不仅在于其先进性，还要具有经济性，不仅要造得起，还要能用得起,F-22后续生产计划之所以被取消，成本高昂是重要原因，民用客机亦是如此，全生命周期成本的压力正在进一步扩大。

  其次，随着飞行任务的愈发频繁，安全性和耐用性得到应用客户和飞机设计师慢慢的变多的关注，现代战斗机的飞行设计寿命从三代机的2,000-4,000小时提高到五代机的6,000-8,000小时，民航客机的飞行设计寿命提高到60,000-80,000小时，飞机在长期服役过程中能否从始至终保持稳定可靠变得至关重要。

  此外，随着全球碳减排运动的持续进行，航空装备的绿色发展也已然成为重要话题。

  将航空装备的发展需求转化为选材需求，那就是要求航空材料一定要有轻质高强、耐腐蚀、耐疲劳、低成本、易加工等特点。相比于其他材料，铝锂合金不仅仅可以满足先进飞机结构在比强度上的需求，在其他选材需求方面也表现出优异的性能特点。

  一是经济性方面。选材的经济性是为飞机的经济性服务的，飞机的经济性不仅关注制造成本，还关注运行、维护等成本，将这一些因素综合起来，也是所谓的飞机全生命周期成本。选材的原则与之相同，不仅考虑制造成本，也要考虑运行、维护等成本，将其作为一个整体进行考量。复合材料之所以受到欢迎，是因为其结构件比传统铝合金结构件轻10%-20%，可以通过减重降低油耗，以此来降低飞机的运行成本。多个方面数据显示，铝锂合金结构件比传统铝合金结构件轻8%-15%，与复合材料的差距正在逐渐缩小。与此同时，铝锂合金在制造、维护等方面的成本都表现出明显优势。复合材料制造成本约为20000-30000美元/吨，而铝锂合金则为1000-2000美元/吨，仅为前者的5%-15%。此外，复合材料结构件的破损容易隐藏在材料内部，因此一定要使用价格高昂的X射线或超声波等无损检验测试手段，而铝锂合金等金属材料在使用的过程中产生的缺陷普遍暴露在材料表面，因此能使用成本相对低廉的检测手段。

  二是耐用性方面。飞机在起降过程中受到机翼上下压差、客舱内外压差、大气冷热冲击的反复作用，易发生疲劳断裂，在潮湿、高热、盐雾环境下飞行易发生腐蚀断裂，因此机体结构材料需要拥有非常良好的耐疲劳耐腐蚀和抗老化性能。相比宽体客机，这一点对于班次更多、起降更频繁的窄体客机而言更重要。铝锂合金在疲劳和腐蚀和抗老化性能上对比传统铝合金均有较大提升，如2050铝锂合金比7050铝合金疲劳性能提高25%，2065铝锂合金比7150铝合金腐蚀和抗老化性能提高50%。复合材料耐腐蚀和抗老化性能虽然更好，但对表面完整性的要求也更高，水分容易进入复合材料的表面缺陷从而造成分层，尤其是紧固件连接处等开孔部位，一些复合材料尾部结构部件已然浮现分层现象。因此从耐用性角度来看，铝锂合金的性能更为稳定，复合材料的长期稳定性仍有待时间检验。

  三是安全性方面。飞机在运行过程中受到撞击损伤是难以避免的，根据国际航空协会统计，自1912年以来，仅鸟撞导致的民用飞机失事就有60余起，军用飞机由于速度更快，自1950年以来发生的严重事故多达300余起，除此之外，人员上下机、行李装卸等日常操作的流程中对机身产生的意外撞击更是数不胜数。复合材料虽然强度高、刚度高，但是抗冲击性能差，受到撞击后，碳纤维容易从树脂中分离出来，造成结构失效，而一旦因此引起失火，碳纤维还会燃烧产生有毒气体，对人员造成二次伤害。铝锂合金具有更加好的抗冲击性能，在材料破损前能够吸收更多的撞击能量，以此来降低结构失效风险。

  四是环保性方面。在国家双碳战略发展目标引领下，航空选材向绿色可持续方向发展是大势所趋。目前国外先进国家广泛使用碳足迹这一指标来衡量材料的碳排放水平，碳足迹是指产品在全生命周期内直接和间接排放的温室气体总和，一吨复合材料的平均碳足迹约为50-60吨，而一吨铝锂合金的平均碳足迹则为10-12吨，是前者的20%。在材料的循环利用方面，铝锂合金也显示出明显优势，已形成一套完善的回收技术，回收效率达到95%以上，而复合材料的回收技术仍有很大的发展空间，回收效率处于较低水平。

  目前国外铝锂合金已发展到第三代，在先进飞机中获得大范围的应用并取得良好效果。在军用飞机方面，第三代铝锂合金应用于F-16、F-22、F-35等战斗机的机舱隔板和机舱面板等部位，如F－16战机采用2297铝锂合金制造后机身舱壁，部件减重5％，断裂韧性提高7％，常规使用的寿命提高1倍；在民用飞机方面，第三代铝锂合金应用于波音787、空客A380等机型的机身框梁、蒙皮等部位。

  与此同时，面向新一代飞机结构选材需求的第四代铝锂合金已经开启研制流程。2009年空客公司材料和加工集成部负责人在一次国际会议上提出了第四代铝锂合金的概念，同时表示美铝和肯联公司正在开展相关研究。相比于第三代，其特点是在保持弹性模量、疲劳性能和裂纹扩展速率基本相同的情况下，具有更低的锂含量，以及更高的静强度和断裂韧性，在取代传统材料方面更具优势。

  除了用于机体结构，用于发动机的耐热型铝锂合金也在开发中，有望打开发动机选材新局面。奥科宁克公司在2014年为普惠公司的齿轮传动系列发动机开发了首个风扇叶片铝锂合金锻件，重量与成本明显降低，证明了铝锂合金在发动机选材中的可行性，目前PW1000G发动机已用于空客A320neo、A220等飞机。

  在注重改进铝锂合金性能的同时，配套基础工业能力的创新与关键技术的突破同样至关重要。从现实选材案例能够准确的看出，一种材料的成功应用不仅在于其材料性能本身的先进性，材料的成熟性、经济性、可制造性对选材的影响同样重要。以进气道选材为例，F-22进气道最早采用的是钛合金焊接件，后来随着激光检验技术的突破，克服了之前复杂形状复合材料构件无法检验的问题，复合材料才成功替代钛合金成为进气道用材，而近年来随着锻造和铸造技术的进步，铝合金材料可拿来制造零件数量更少、成本更低的进气道构件,于是在F-35中又实现了铝合金对复合材料的替代。可以说，关键技术的进步对航空选材具有决定性影响，材料的发展是无止尽的，铝锂合金同样如此。

  在设计研发方面，计算技术正在对铝锂合金的开发产生深远影响。集成计算材料工程是材料技术与计算技术的交叉学科，通过将计算获取的材料信息与工程产品性能分析和制作的完整过程模拟进行整合，可以有效缩短开发周期、降低开发成本、提高制造良率。洛马公司在2016年通过美国未来轻量化材料制造（LIFT）创新机构启动了一项铝锂合金集成计算材料工程（ICME）项目，通过开发计算分析模型预测铝锂合金性能，更快更经济地开发出性能优异的新型铝锂合金，项目前期以预测比强度为主，后期将拓展到疲劳寿命、断裂韧性、抵抗腐蚀能力和损伤容限等性能。

  在生产制备方面，铝锂合金的冶炼技术正在不断取得突破。近年来国外加大了超声波在铝锂合金精炼中的应用研究，通过高速振动加快气体杂质的逸出，可以使铝锂合金致密度更高，针孔率显著下降，美国Southwire公司、HANS TECH公司均申请了有关技术专利。直冷铸造技术也在持续发展，该技术能大大降低合金生产的微偏析问题，保证材料稳定性很高一致，如美国Almex公司2018年和2020年获批两项针对铝锂合金的直冷铸造工艺与设备专利，美铝、肯联等铝锂合金生产公司则主要关注直冷铸造模具的研发。

  在应用技术方面，一些先进的技术的发展直接影响了铝锂合金的应用场景范围与效果，如超塑成形技术用来生产复杂金属部件，目前已开发出多种基于轧制、挤压、锻造的超塑成形技术，波音公司生产的2195铝锂合金超塑成形部件已应用于超轻型外部油箱；搅拌摩擦焊技术用于对接接头的焊接，已应用于焊接洛马公司大型低温贮箱2195铝锂合金面板，以及猎鹰9号第一、二级舱体2198铝锂合金面板；激光焊接技术用来制造飞机机身面板，近年来空客公司正在研究2196和2198合金的激光焊接技术，奥科尼克也在研究将其用于铝锂合金机身面板的可能性。