在航空制造發(fā)展的過程中，材料的更新?lián)Q代呈現(xiàn)出高速的更迭變換，材料和飛機一直在相互推動下不斷發(fā)展。“一代材料，一代飛機”正是世界航空發(fā)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(tǒng)產(chǎn)業(yè)升級換代和高新技術產(chǎn)業(yè)發(fā)展的先導，成為航空工業(yè)發(fā)展中最具活力和發(fā)展?jié)摿Φ念I域。記者日前就鈦合金等航空新材料的發(fā)展應用情況專訪了中國科學院院士曹春曉。

 

　　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(yè)發(fā)展難以達到尖端，隨著航空工業(yè)的發(fā)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(yè)發(fā)展，要求材料比強度越來越高，性能越來越好?，F(xiàn)在復合材料和鈦合金在飛機和發(fā)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(fā)展迅速。最新型的波音787客機復合材料占比已經(jīng)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(guī)模的應用發(fā)展，主要是兩個原因，其一是隨著材料研究及應用實踐經(jīng)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(fā)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(xiàn)在我們在繼續(xù)使用的同時，還研發(fā)出強度等性能更高的鈦合金新品種，經(jīng)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?？湛虯380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(yōu)于復合材料，美國F-22戰(zhàn)斗機復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%。軍機鈦合金的使用量比民機多，也是出于增強戰(zhàn)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(xiàn)，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。

 

　　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(fā)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(fā)動機的五大候選材料，它們一直在競爭中互相促進，優(yōu)勢互補，不斷發(fā)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(yōu)勢，但鋁合金和鋼在工藝性能和經(jīng)濟性能等方面具有優(yōu)勢。高溫合金則在航空發(fā)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(fā)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(fā)展有何意義？

 

　　曹春曉：飛機和發(fā)動機的結構整體化是現(xiàn)代航空裝備發(fā)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(fā)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?，F(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(fā)動機上所占比重很大，一般占機體結構重量的30%左右，占發(fā)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(yōu)勢，推動航空工業(yè)發(fā)展。

 

　　記者：我國鈦合金航空材料發(fā)展水平在國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？

 

 

　　曹春曉：我國鈦材產(chǎn)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(fā)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(chuàng)新能力，增強原始創(chuàng)新能力，多研發(fā)一些具有自主知識產(chǎn)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(fā)出來，而且還擁有一些具有自主知識產(chǎn)權的工藝技術，研發(fā)能力還是較強的，但是由我國原始創(chuàng)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(chǎn)的穩(wěn)定性上，在批量生產(chǎn)時有時會出現(xiàn)質量問題。這個問題更多的是生產(chǎn)管理的問題以及受人為因素的影響。所以，我國應加強生產(chǎn)管理和盡快推動熱加工的數(shù)控化，避免各種因素造成的產(chǎn)品質量的波動。不斷加強熱加工裝備和工藝的數(shù)控化是我們今后必須走的道路。