國之大器C919裝備了哪些高端材料？

北京時(shí)間10月24日，C919大型客機(jī)第五架原型機(jī)105號于上午10時(shí)從上海浦東國際機(jī)場起飛，經(jīng)過1小時(shí)37分鐘的飛行，在完成了多個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)、對飛機(jī)各系統(tǒng)進(jìn)行了初始操縱檢查后，于11時(shí)37分返航并平穩(wěn)降落，順利完成其首次試驗(yàn)飛行任務(wù)。

在此之前，C919已經(jīng)制造了4架原型機(jī)，分別是101、102、103、104架機(jī)，先后在西安閻良、山東東營、江西南昌等地開展試飛工作，按照中國商飛的規(guī)劃，C919首架客機(jī)將會在2021年交付，第五架原型機(jī)的首飛成功，意味著C919的研發(fā)工作正在順利推進(jìn)。

在航空業(yè)百年的發(fā)展進(jìn)程中，材料與飛機(jī)相互依存，相互進(jìn)步，關(guān)系十分密切。從木制飛機(jī)到金屬飛機(jī)，再到如今復(fù)合材料民用飛機(jī)，每一次航空材料的變革都會推動飛機(jī)制造業(yè)技術(shù)水平的顯著提升?！耙淮牧希淮w機(jī)”這句話可以說是世界航空發(fā)展史的一個(gè)真實(shí)寫照。

近年來，“材料研究”在航天航空領(lǐng)域的重要性被逐漸認(rèn)可。然而新材料應(yīng)用在飛機(jī)上卻并不容易。材料的靜力性能、各向異性、疲勞性能、斷裂韌性、疲勞裂紋擴(kuò)展性能等一系列性能指標(biāo)都要通過試驗(yàn)后經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析產(chǎn)生，生產(chǎn)條件下零件制造的工藝參數(shù)也要通過工藝驗(yàn)證試驗(yàn)獲得。

“要把材料各方面的性能研究得透透的，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度驗(yàn)證等提供設(shè)計(jì)輸入，同時(shí)要形成配套的工藝規(guī)范，支撐零件穩(wěn)定高效生產(chǎn)，而這所有的工作還得在局方的認(rèn)可下進(jìn)行。”上飛院標(biāo)材部副部長袁宇慧說。

而C919第五架原型機(jī)試飛成功不僅意味著我國航空航天領(lǐng)域有了進(jìn)一步發(fā)展，同時(shí)也意味著我國新材料領(lǐng)域有了長足的發(fā)展。據(jù)C919大型客機(jī)總設(shè)計(jì)師吳光輝介紹，新材料的應(yīng)用是C919的一大技術(shù)亮點(diǎn)。在C919飛機(jī)上，我國史無前例的大規(guī)模使用了第三代鋁鋰合金，復(fù)合材料的應(yīng)用范圍涵蓋了方向舵等次承力結(jié)構(gòu)和飛機(jī)平尾等主承力結(jié)構(gòu)。新材料一直以來就是航空航天的重要基礎(chǔ)，而鋁鋰合金是近十幾年來航空金屬材料中發(fā)展最為迅速的一個(gè)領(lǐng)域。

鋁鋰合金有眾多優(yōu)點(diǎn)。首先鋰是世界上最輕的金屬元素，把鋰作為合金元素加到金屬鋁中，就形成了鋁鋰合金。加入鋰之后，可以大幅度降低合金的比重，增加材料剛度的同時(shí)仍然可以保持較高的強(qiáng)度、較好的抗腐蝕性和抗疲勞性以及適宜的延展性。正因?yàn)殇X鋰合金的這些特性，這種新型合金才受到了航空、航天以及航海業(yè)的青睞。由于這種合金的諸多優(yōu)點(diǎn)，吸引著世界各國科學(xué)家的深入研究。

事實(shí)上，鋁鋰合金作為鋁合金的一種，其在航空材料大家族中并不算新成員。1958年，美鋁公司開發(fā)出第一代鋁鋰合金——2020鋁鋰合金，并使用在RA-5C預(yù)警機(jī)上。但是2020鋁鋰合金表現(xiàn)出的脆性和生產(chǎn)問題阻礙了其進(jìn)一步應(yīng)用。

國內(nèi)在批產(chǎn)型號上正式使用鋁鋰合金材料，可以追溯到本世紀(jì)初。隨著蘇27原型機(jī)上1420鋁鋰合金的國產(chǎn)化，國內(nèi)材料和航空界開始對鋁鋰合金有了了解。以1420鋁鋰合金為代表的第二代鋁鋰合金含鋰量一般在2%-3%，密度比普通鋁合金降低約10%。

C919大型客機(jī)采用的是第三代鋁鋰合金，該材料解決了第一代和第二代鋁鋰合金存在顯著各向異性的問題，屈服強(qiáng)度也提高了近40%。其機(jī)體結(jié)構(gòu)重量占比達(dá)到7.4%，獲得綜合減重7%的收益，在國際上目前屬于領(lǐng)先水平。

除鋁鋰合金外，目前，民用飛機(jī)上使用的復(fù)合材料主要是碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料，它具有比強(qiáng)度高、比模量高、抗疲勞性優(yōu)良、耐腐蝕等主要優(yōu)點(diǎn)。這種材料比鋁更輕，比鋼更硬，其密度是鐵的1/4，強(qiáng)度卻是鐵的10倍，其化學(xué)組成非常穩(wěn)定，不僅有助于減輕飛機(jī)重量，還能提高飛機(jī)的總體性能。因此，在波音和空客近年來推出的一些新機(jī)型中，復(fù)合材料的用量占比逐漸增大。

近年來，金屬基復(fù)合材料又逐漸代替碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料走向了航空航天新材料研制的前沿。國際上金屬基復(fù)合材料主要以鋁基為主。具有高比強(qiáng)度、高比模量導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能、熱膨脹系數(shù)小、尺寸穩(wěn)定好、良好地高溫性能、耐磨性好、疲勞性能和斷裂韌度好、性能再現(xiàn)性及可加工性好不吸潮、不老化、氣密性好等一系列優(yōu)點(diǎn)。制備鋁基復(fù)合材料的一般方法是將碳化硅顆粒或陶瓷顆粒等混入鋁合金，為了提高材料的剛度和硬度，用攪拌鑄造或粉末冶金的方法混合也可獲得鋁基復(fù)合材料。

但是由于我國在航空航天領(lǐng)域上的自主設(shè)計(jì)起步較晚，與國際先進(jìn)水平還有著不小的差距，差距不僅體現(xiàn)在材料基礎(chǔ)研究、工程化應(yīng)用研究上，同時(shí)也體現(xiàn)在工業(yè)化批生產(chǎn)能力方面。但是隨著C919客機(jī)項(xiàng)目的不斷完善，這種差距正在快速縮小。

除此之外，北京航空航天大學(xué)王華明教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)，在C919項(xiàng)目的推動下，成功的研發(fā)具有世界領(lǐng)先水平的“飛機(jī)鈦合金大型復(fù)雜整體構(gòu)件激光成形技術(shù)”，使我國成為目前世界上唯一突破飛機(jī)鈦合金大型主承力結(jié)構(gòu)件激光增材制造技術(shù)并實(shí)現(xiàn)裝機(jī)工程應(yīng)用的國家。該團(tuán)隊(duì)不僅打印出飛機(jī)鈦合金起落架、主承力框等大型關(guān)鍵部件，還為C919樣機(jī)制造出鈦合金主風(fēng)擋整體窗框，零件成本大幅度下降，甚至不足20萬美元。真正實(shí)現(xiàn)了用科研帶動技術(shù)，又用技術(shù)回饋科研的良性循環(huán)。