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在航空制造發展的過程中，材料的更新換代呈現出高速的更迭變換，材料和飛機一直在相互推動下不斷發展。“一代材料，一代飛機”正是世界航空發展史的一個真實寫照。而新材料是航空技術的重要基礎，是傳統產業升級換代和高新技術產業發展的先導，成為航空工業發展中最具活力和發展潛力的領域。就鈦合金等航空新材料的發展應用情況，記者日前專訪了中國科學院院士曹春曉。 鈦合金用量日益增加 記者：材料是飛機制造的基礎，沒有高端技術制備的新材料，航空工業發展難以達到尖端，隨著航空工業的發展和新型號的研制，航空材料的需求與以往相比有哪些變化？ 曹春曉：隨著航空工業發展，要求材料比強度越來越高，性能越來越好。現在復合材料和鈦合金在飛機和發動機上的用量越來越多。比如復合材料，上世紀80年代在飛機上使用的還很少，但是這些年發展迅速。最新型的波音787客機復合材料占比已經到了50%，鈦合金到了15%，在民用飛機領域打破了歷史最高紀錄。而之前的波音777客機復合材料用量才10%，鈦合金用量才8%，跨度之大超乎想象。 復合材料和鈦合金這些材料之所以得到大規模的應用發展，主要有兩個原因：其一是隨著材料研究及應用實踐經驗的積累，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的發展，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，現在我們在繼續使用的同時，還研發出強度等性能更高的鈦合金新品種，經過多年試驗，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。空客A380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于復合材料，美國F-22戰斗機復合材料的用量由最初的44.7%減至現在的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，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，復合材料與鈦合金是“最佳伴侶”，相輔相成，互相促進。復合材料含有碳纖維，應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，與復合材料接觸使用的鋁合金，就需由鈦合金來代替，如復合材料的緊固件等零件。這些年來復合材料應用的大幅增加也會推動鈦合金應用的增加。 鋁合金依然不可或缺 記者：鈦合金和復合材料在航空中的應用越來越廣泛，那么其他材料的發展情況又如何呢？ 曹春曉：復合材料、鈦合金、鋁合金、鋼和高溫合金是飛機及發動機的五大候選材料，它們一直在競爭中互相促進，優勢互補，不斷發展。雖然，復合材料和鈦合金會在比強度、抗腐蝕性能等方面具有優勢，但鋁合金和鋼在工藝性能和經濟性能等方面具有優勢。高溫合金則在航空發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，目前總的趨勢是復合材料和鈦合金應用逐漸廣泛，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。 記者：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，這對航空材料的發展有何意義？ 曹春曉：飛機和發動機的結構整體化是現代航空裝備發展的一個非常重要的方向，整體化不僅可以減輕結構重量，增強可靠性，提高裝配效率，還能降低成本。誰能做到結構整體化，誰就能夠快速發展。 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構件的方式，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，對結構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。現在很多鍛件“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。 鍛件在飛機和發動機上所占比重很大，一般占機體結構重量的30%左右，占發動機重量的40%左右，并且鍛件一般都是關鍵件，作用巨大。所以，我國要不斷提升鍛造能力，加大競爭優勢，推動航空工業發展。 自主創新能力仍待提升 記者：我國鈦合金航空材料發展水平在國際上處于怎樣的地位？有哪些差距和不足？目前發展有何難點？ 曹春曉：我國鈦材產量世界第一，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新能力，增強原始創新能力，多研發一些具有自主知識產權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出來，而且還擁有一些具有自主知識產權的工藝技術，研發能力還是比較強的，但是由我國原始創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的穩定性上，在批量生產時有時會出現質量問題。這個問題更多的是生產管理的問題以及受人為因素的影響。所以，我國應加強生產管理和盡快推動熱加工的數控化，避免各種因素造成的產品質量的波動。不斷加強熱加工裝備和工藝的數控化是我們今后必須走的道路。（沙皮） |
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