飞机新型材料(造飞机的主要材料)

（报告出品方/作者：华西证券，陆洲）1.开篇：一代飞机，一代材料1.1.材料与飞机相互推动，不断发展“一代飞机、一代材料”，材料与飞机一直在相互推动下不断发展。
首先，先进 材料的应用是航空技术发展和进步的最重要推动力之一。
航空材料是航空产品的技术 性能、生存能力、延长寿命和提高经济可承受能力的基础，属于优先发展、重点突破 的关键技术。
成本方面，材料是飞机制造的物质基础，一定程度上决定了飞机机体结 构的制造成本。
供应链方面，材料是商用飞机“供应链保障”上的一个重要环节。
可 以说，航空材料的发展对航空技术起到强有力的支撑和保障作用；反过来，航空技术 的发展需求又极大地引领和促进航空材料的发展。
民用飞机的材料发展经历了五次跨时代的发展。
由于工业水平有限，以莱特兄 弟为代表的第一代飞机采用木制的梁条、翼肋、机翼包裹帆布，利用钢索固定维持 机身的刚度，例如第一次世界大战的绝大部分飞机。
随着工业发展及结构设计方法认 知，结构设计仅以材料静强度试验为准则，第二代飞机采用铝合金、钢材等作为主 结构。
为了减轻机体重量并提升飞机性能，第三代飞机机体结构除了铝合金、钢材 等材料外，新增了钛合金；而第四代飞机机体主结构采用了轻质铝合金、钛合金作 为主承力材料，非主承力结构上选取少量的复合材料；第五代飞机采用了更为先进 的复合材料、钛合金及部分铝合金。
从国外大型客机材料应用的具体情况来看，传统的铝合金及结构钢在飞机上的 用量逐渐减少，而复合材料和钛合金的占比快速提升。
根据《一代材料技术，一代 大型飞机》，从波音 787 开始，50%用量的复合材料成为未来飞机的起点，继波音 787 之后，空客 A350 改进型(A350XWB)的复合材料用量从原来的 37%提高至 52%。
同时， 钛合金用量与日俱增，一方面是因为它在减轻结构重量上的优势，另一方面则是因为 钛与碳纤维复合材料的电极电位相近，钛合金又成为复合材料惟一的连接材料。
飞机结构材料总体发展趋势是轻质化、高强度、高模量、耐高温、低成本。
随 着航空航天产业的快速发展，对飞行器重量、性能、能源消耗等要求地不断提高，对 材料也提出了更严格的要求。
其中，降低重量是最首要的目标。
根据《航空航天材料 发展现状及前景》，小型民机的结构重量每减 1 磅所获得的直接经济效益为 50 万美元 /磅，而对战斗机来说，这个数值是 400 万美元/磅，商用运输机为 800 万美元/磅。
1.2.商用飞机材料要求高，C919 选材兼具成熟性和先进性商用飞机选材犹为严苛。
总体而言，客机对材质的要求比军机对材质的要求更 为苛刻，大型客机对材质的要求又比中小型客机对材质的要求高。
在商用飞机发展目 标围绕“更安全、更经济、更舒适、更环保”开展设计，提出了“减重、减阻、减排” 的目标设计。
对材料而言，也提出了“轻量化、高可靠、长寿命、高效能、绿色环保， 飞机材料需要满足“性能优先原则”、“先进性原则”、“成熟型原则”、“经济性原则” 和“环保性”原则五大原则。
同时，综合考虑各方面需求，大飞机的材料也要满足适 航当局、飞机设计制造商、航空公司等三方面的要求。
中国商飞已具备基本的选材能力，C919 选材兼具成熟性和先进性。
中国商飞已 经基本建立起“在理解自己产品需求的基础上科学评价材料可用性”的技术能力。
已 经基本具有工程设计中材料选用权、材料及供应商的合格鉴定权、采购过程中的选择 权。
商飞为 ARJ21 和 C919 两款飞机共计选用金属材料 100 种、非金属材料 200 余种、 标准件数千规格。
同时，选材中体现了成熟性和先进性的结合，以 C919 大型客机为 例，在中央翼、机翼、机身等主承力部段上使用了经 ARJ21 飞机成功验证的铝合金等 成熟材料，在尾翼、后机身和襟缝翼上使用了复合材料，特别是在尾翼盒段和后机身 前段上使用了国外先进的第三代中模高强碳纤维复合材料，在机身蒙皮和长桁结构中 使用了第三代铝锂合金。
2.铝合金2.1.铝合金目前占据航空材料的主导地位铝材是民机制造最重要的关键材料之一，也是应用最为广泛的材料。
铝合金是 混合型金属，包括铜、锌、锰等多种金属元素。
一方面，铝合金的密度小，其密度大 约是铁密度的三分之一，由于铝合金中含有丰富的混合金属元素，熔点在 60 摄氏度 左右，可塑性较强，同时也兼有铜、锰等多种金属抗腐蚀性的特点，因此在航空领域 得到广泛应用。
C919 前机身、中机身、中后机身、机头与机翼结构件几乎全是用铝材制造的， 铝材占全机结构总重的比例为 65%。
上述主要零部件是用当今高端传统 2xxx 系与 7xxx 系铝合金制造的，一些重要结构件则是用铝-锂制造的，一些次要的零部件与功 能零件，如空调系统、油路管、行李架、卫生设施等则是用其他铝合金制造的。
C919 飞机是由一百多万个零部件连接组装而成，铝合金零件的连接与其他零件的连接如发 动机与机翼的连接，在飞机的制造中起着非常重要的作用。
C919 大飞机所使用的铝材档次是最高的，符合它的要求的铝合金材料在其他航 空器上也都可以使用。
按生产工艺难度与价格高低可以将 C919 使用铝材分为如下的 几类：1）常用传统铝合金材料：7075-T62、7075-T73、7075-T73511、2024-T42、 2024-T3511、2024-T3 等；2）7050-T77 型与 7055-T77 合金；3）近代发展起来的铝锂合金：2196、2198、2099 等。
第一类材料，我国已解决了“有无问题”，但竞争力 问题尚未解决。
因为材料的经济性是飞机公司选材的重要原则之一，国产铝材必须各 项性能指标务必全面达到或超过制造原型取证机用的进口铝材的，以全面替代进口产 品，同时价格合理，才具备国际市场竞争力；第二类材料仍需解决供应问题；第三类 材料仍与国外有较大差距，研制一代新飞机所需要的全部新型铝材，即使在工业发达 国家也需要六七年的时间。
C919 铝合金或即将实现 100%国产化，带动 90000t 高端铝材市场。
根据《铝材力 推三大“国之重器”遨游蓝天》，C919 原型机出于获取适航取证的需要，铝材均使用 进口材料，从第二架飞机开始，国产铝材的用量逐渐增加，2022 年 C919 的铝材（不 包括铝锂合金）国产化率可望达到 100%。
根据《铝合金在中国民用航空器上的应用》， 假设未来 20 年可制造 1200 架 C919，每架的投铝量按 75t 匡算，需采购铝材、铸件、 锻件总计 90000t，每年平均 4500t/a，若铸件按 15%计算，则铝材及锻件的采购量为 3825t/a。
制造 C919 大飞机所需的国产铝材，主要由中国铝业集团有限公司提供的。
例如 其下属的西南铝业继为 C919 飞机提供了 30 个规格、600 余件铝合金锻件外，2017 年 11 月又试制成功旅客观察窗窗框和起落架轮毂精密模锻件。
这些模锻件具有高强度、 高韧性、抗疲劳性强与抗腐蚀性高的特点，是飞机的关键结构件，主要用在机翼、机 翼活动面、机身中央翼、起落架等部位。
2018 年，西南铝业 7050 铝合金厚板通过适 航鉴定，获得中国商飞授权，进入 C919 飞机合格产品目录，打破国外技术垄断。
此 外，南山铝业也已具备民机关键铝材的研制能力，其板材、型材相关 5 项产品已列入 C919 飞机合格产品目录。
2.2.铝锂合金是航空航天最理想的结构材料2.2.1.铝锂合金性能优越，在航空航天领域得到良好应用铝锂合金性能优越，是当前最具竞争力的先进材料。
降低合金质量最简单的方 法就是向其中添加轻原子量元素，以减小合金的密度。
锂是世界上目前为止发现的最 轻金属元素，锂在铝中的最大溶解度为 4.2%。
前期研究发现向铝合金基体中每添加 1% 的 Li，可降低该合金密度 3%，弹性模量上升 5%～6%。
铝锂合金相比于常规的 2XXX 系 和 7XXX 系高强铝合金，不仅具有低密度、高弹性模量、高比强度和高比模量的优点， 还兼具低的疲劳裂纹扩展速率、较好的高温及低温性能等特点，相比于复合材料，在 抗冲击、塑性和修复性等方面也具有不可替代的优势。
铝锂合金是现代航空航天器材 设计中最具竞争力的材料之一。
铝锂合金已在航空航天器材上得到广泛应用。
铝锂合金已经在军用飞机、民用 客机、直升飞机和航天器上使用，主要用于机身框架、襟翼翼肋、垂直安定面、整流 罩、进气道唇口、舱门、燃油箱等。
在新型飞机设计制造中，轻质和减重在航空领域 常常“克克计较”，采用铝锂合金可使飞机铝合金零部件的质量减轻 14%～30%，减重 的效果就是每架飞机每年的飞行费用会下降 2.2%以上，所以铝锂合金被认为是航空 航天最理想的结构材料。
铝锂合金已发展到第三代，第四代高性能合金正在研制中。
铝锂合金的研究和 开发大致经历了 3 个阶段，第一代以 2020、BAД23 为代表；第二代以 1420、2090 为 代表；当前已发展到第三代铝锂合金，其具有较好的综合性能，新近开发和改良的 1460、2198、2199、2050 等铝锂合金在先进大型客机和航天器上应用广泛。
为满足 航空航天工业的需要，世界上大型铝业公司和科研机构已经着手开发第四代铝锂合金， 与第三代相比，新一代铝锂合金的锂含量将会降低，而强度、断裂韧性有所提升，伸 长率有所降低，其他性能仍能达到甚至超越第三代铝锂合金的水平。
与第二代铝锂合金相比，第三代铝锂合金具有较传统铝合金更为优异的强度、 韧度、耐损伤性能等优点。
如 2197 合金已在 F-16 战机的后机身舱壁和其他部件获得 成熟应用，该合金用于替代 2124 合金，克服了疲劳寿命不足的缺陷，满足了服役 8000 小时的要求，同时还获得减重 5%、断裂韧度提高 7%的效果。
2.2.2.C919 选用第三代先进铝锂合金，但仍依赖进口C919 选用第三代铝锂合金，占全机结构重量 8.8%，但目前仍依赖进口。
C919 大 飞机的机身蒙皮、长桁、地板梁、滑轨、边界梁、地板支撑结构等部件都使用了第三 代铝锂合金。
根据《我国航空航天对铝锂合金的需求》，全机铝锂合金材料占 8.8%， 超过同级别的波音 737 和空客 320 飞机，用量达到 14t，助力 C919 综合减重 7%。
由 中航洪都制造的 C919 机身前部等直段部和中航西安制造的 C919 中机身和副翼大部件 均大量采用了铝锂合金板，但 C919 大飞机采用的第三代铝锂合金均来自奥科宁克铝 业公司。
铝锂合金已成为当前各国争相发展的重要航空材料，美国占据大半市场。
目前， 国外有完整铝锂合金生产体系的国家主要分布在有限的美国、俄罗斯、英国、法国和 意大利共 5 个发达地区，铝锂合金的生产能力总计约 20 万 t/a。
这些国家建立了熔炼 －铸造－加工的完整体系，其中熔炼－铸造是生产铝锂合金材料的关键工序。
美国在 铝锂合金的研发、生产和应用上走在世界前列，其生产能力占到全球的 50%左右，主 要生产企业有奥科宁克铝业公司、肯联铝业公司、爱励铝业公司。
奥科宁克铝业公司 是全球最大的铝锂合金生产企业，产能约 5.5 万 t/a，主要客户包括波音、空客、洛 克希德马丁、湾流宇航、中国商飞等众多大型民用及军用飞机制造商。
俄罗斯铝锂合 金的研发、生产和应用始于前苏联，是仅次于美国的世界第二大研发、生产与应用大 国；生产能力占到全球的 25%左右；市场主要是面向俄罗斯国内的航空航天部门。
我国铝锂合金研制起步较晚，在工业生产及应用方面与美俄差距较大。
我国直 到 20 世纪 80 年代中期才正式启动铝锂合金的研发工作。
中南大学、北京航空材料研 究院、航天 703 所、北京有色院以及西南铝业公司等高校和单位依托国家相关课题项 目，围绕铝锂合金的成分设计、组织调控以及性能生成等方面进行了深入系统的研究， 已经能够产业化制备多种铝锂合金。
并根据航空航天领域铝合金的应用背景和性能要 求，开发出了综合性能良好的铝锂合金，建立了具有自主知识产权的合金牌号，如 2A97、X2A66。
其中，X2A66 合金是我国铝锂合金研发工作的重大突破。
但在铝锂合 金基础研究与工业生产及应用方面，与美、俄仍存在较大差距，当前仅有西南铝业能 够生产少量铝锂合金，年产量不足 100t，远远不能满足国产大飞机的需求。
（报告