在航空制造發(fā)展的過(guò)程中，材料的更新?lián)Q代呈現(xiàn)出高速的更迭變換，材料和飛機(jī)一直在相互推動(dòng)下不斷發(fā)展。“一代材料，一代飛機(jī)”正是世界航空發(fā)展史的一個(gè)真實(shí)寫照。而新材料是航空技術(shù)的重要基礎(chǔ)，是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)換代和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的先導(dǎo)，成為航空工業(yè)發(fā)展中最具活力和發(fā)展?jié)摿Φ念I(lǐng)域。筆者近日就鈦合金等航空新材料的發(fā)展應(yīng)用情況專訪了中國(guó)科學(xué)院院士曹春曉。
1、材料是飛機(jī)制造的基礎(chǔ)，沒(méi)有高端技術(shù)制備的新材料，航空工業(yè)發(fā)展難以達(dá)到尖端，隨著航空工業(yè)的發(fā)展和新型號(hào)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(yè)發(fā)展，要求材料比強(qiáng)度越來(lái)越高，性能越來(lái)越好。現(xiàn)在復(fù)合材料和鈦合金在飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)上的用量越來(lái)越多。比如復(fù)合材料，上世紀(jì)80年代在飛機(jī)上使用的還很少，但是這些年發(fā)展迅速。最新型的波音787客機(jī)復(fù)合材料占比已經(jīng)到了50%，鈦合金到了15%，在民用飛機(jī)領(lǐng)域打破了歷史最高紀(jì)錄。而之前的，波音777客機(jī)復(fù)合材料用量才10%，鈦合金用量才8%，跨度之大超乎想象。
復(fù)合材料和鈦合金這些材料之所以得到大規(guī)模的應(yīng)用發(fā)展，主要是兩個(gè)原因，其一是隨著材料研究及應(yīng)用實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累，材料的性能和使用可靠性越來(lái)越好，其二是隨著加工制造技術(shù)的發(fā)展，材料本身的價(jià)格也比以前大為降低。具體來(lái)說(shuō)，過(guò)去使用Ti-6AI-4V（TC4）鈦合金，現(xiàn)在我們?cè)诶^續(xù)使用的同時(shí)，還研發(fā)出強(qiáng)度等性能更高的鈦合金新品種，經(jīng)過(guò)多年試驗(yàn)，飛機(jī)很多部件已開(kāi)始使用這些新的鈦合金。例如，波音777客機(jī)同時(shí)使用了Ti1023、β21S、Ti153這三種牌號(hào)的β型鈦合金，這也是這三種牌號(hào)鈦合金第一次同時(shí)在民用飛機(jī)上使用。空客A380客機(jī)起落架使用的Ti1023鈦合金鍛件有3.2噸重，4.2米長(zhǎng)，是目前世界上最大的鈦合金鍛件。鈦合金所具有的的獨(dú)特性能，讓其應(yīng)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(yōu)于復(fù)合材料，美國(guó)F-22戰(zhàn)斗機(jī)復(fù)合材料的用量由最初的44.7%減至現(xiàn)在的24%，而鈦合金用量則提高至41%。軍機(jī)鈦合金的使用量比民機(jī)多，也是出于增強(qiáng)戰(zhàn)斗力的考慮。此外，另一具有斷裂韌性高、疲勞裂紋擴(kuò)展速率慢等特點(diǎn)的新品種合金——高損傷容限鈦合金的出現(xiàn)，也是飛機(jī)上的鈦合金用量越來(lái)越多的重要原因。
從另一個(gè)角度來(lái)說(shuō)，復(fù)合材料與鈦合金是“最佳伴侶”，相輔相成，互相促進(jìn)。復(fù)合材料含有碳纖維，應(yīng)用中與鋁合金之間有電位差，而隨著時(shí)間推移鋁合金會(huì)被慢慢腐蝕，降低飛機(jī)安全性能。因此，與復(fù)合材料接觸使用的鋁合金，就需由鈦合金來(lái)代替，如復(fù)合材料的緊固件等零件。這些年來(lái)復(fù)合材料應(yīng)用的大幅增加也會(huì)推動(dòng)鈦合金應(yīng)用的增加。
2、鈦合金和復(fù)合材料在航空中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，那么其他材料的發(fā)展情況又如何呢？
曹春曉：復(fù)合材料、鈦合金、鋁合金、鋼和高溫合金是飛機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)的五大候選材料，它們一直在競(jìng)爭(zhēng)中互相促進(jìn)，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，不斷發(fā)展。雖然，復(fù)合材料和鈦合金會(huì)在比強(qiáng)度、抗腐蝕性能等方面具有優(yōu)勢(shì)，但鋁合金和鋼在工藝性能和經(jīng)濟(jì)性能等方面具有優(yōu)勢(shì)。高溫合金則在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上占有公認(rèn)的首要地位。還必須指出的是，鋁合金和鋼一直在努力發(fā)展新的高性能新品種而不斷提高其競(jìng)爭(zhēng)力。
因此，目前總的趨勢(shì)是復(fù)合材料和鈦合金應(yīng)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(jī)機(jī)翼上的一根梁，使用牌號(hào)為7085的鋁合金，鍛件長(zhǎng)達(dá)6米多，重達(dá)3.9噸。
3、像8萬(wàn)噸大型模鍛壓機(jī)這樣的大型重型裝備紛紛問(wèn)世，不僅是我國(guó)重裝能力的提高，也是國(guó)家實(shí)力的提升，這對(duì)航空材料的發(fā)展有何意義？
曹春曉：飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)整體化是現(xiàn)代航空裝備發(fā)展的一個(gè)非常重要的方向，整體化不僅可以減輕結(jié)構(gòu)重量，增強(qiáng)可靠性，提高裝配效率，還能降低成本。誰(shuí)能做到結(jié)構(gòu)整體化，誰(shuí)就能夠快速發(fā)展。
中國(guó)二重的8萬(wàn)噸大型模鍛壓機(jī)可以鍛造特大鍛件，改變了以往靠機(jī)械連接或焊接制造飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的方式，對(duì)于促進(jìn)鈦合金鍛件和鋼鍛件大型化、整體化十分重要。8萬(wàn)噸大型模鍛壓機(jī)超過(guò)了此前世界最大的俄羅斯7.5萬(wàn)噸模鍛壓機(jī)，解決了我國(guó)能不能做特大鍛件的問(wèn)題，對(duì)我們成為鍛件強(qiáng)國(guó)、鈦合金強(qiáng)國(guó)、航空強(qiáng)國(guó)意義重大。
8萬(wàn)噸大型模鍛壓機(jī)除了可以制造出特大鍛件，對(duì)結(jié)構(gòu)整體化起到推動(dòng)作用之外，對(duì)鍛件（無(wú)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(dòng)作用。與粗鍛件相比，精鍛件所需的模鍛壓機(jī)噸位要增大至2~4倍。現(xiàn)在很多鍛件“肥頭大耳”，原材料使用率只有10%左右，大量浪費(fèi)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(nèi)流線都被切斷，這會(huì)影響飛機(jī)的使用性能，而在精密鍛件加工后，鍛件內(nèi)大部分流線都能夠保存完好，從而使飛機(jī)使用的可靠性得到提高。所以，無(wú)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(wàn)噸大型模鍛壓機(jī)，從而促進(jìn)我國(guó)鍛造水平的全面提高。
鍛件在飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)上所占比重很大，一般占機(jī)體結(jié)構(gòu)重量的30%左右，占發(fā)動(dòng)機(jī)重量的40%左右，并且鍛件一般都是關(guān)鍵件，作用巨大。所以，我國(guó)要不斷提升鍛造能力，加大競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)航空工業(yè)發(fā)展。
4、我國(guó)鈦合金航空材料發(fā)展水平在國(guó)際中處于怎樣的地位？有哪些差距和不足？目前發(fā)展有何難點(diǎn)？
曹春曉：我國(guó)鈦材產(chǎn)量世界第一，但是也只能稱為鈦合金大國(guó)，我國(guó)航空材料的發(fā)展水平也正在由大國(guó)向強(qiáng)國(guó)過(guò)渡。就航空材料來(lái)說(shuō)，我國(guó)還需要提升自主創(chuàng)新能力，增強(qiáng)原始創(chuàng)新能力，多研發(fā)一些具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的可以在國(guó)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(guó)基本上都有能力研發(fā)出來(lái)，而且還擁有一些具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的工藝技術(shù)，研發(fā)能力還是較強(qiáng)的，但是由我國(guó)原始創(chuàng)新的合金牌號(hào)卻不多。至于難點(diǎn)，也是存在的。鈦合金等航空材料的主要問(wèn)題存在于批生產(chǎn)的穩(wěn)定性上，在批量生產(chǎn)時(shí)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題。這個(gè)問(wèn)題更多的是生產(chǎn)管理的問(wèn)題以及受人為因素的影響。所以，我國(guó)應(yīng)加強(qiáng)生產(chǎn)管理和盡快推動(dòng)熱加工的數(shù)控化，避免各種因素造成的產(chǎn)品質(zhì)量的波動(dòng)。不斷加強(qiáng)熱加工裝備和工藝的數(shù)控化是我們今后必須走的道路。