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(jī)一直在相互推動下不斷發(fā)展。“一代材料，一代飛機(jī)”正是世界航空發(fā)展史的一個真實寫照。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)用情況專訪了中國科學(xué)院院士曹春曉。
1、材料是飛機(jī)制造的基礎(chǔ)，沒有高端技術(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)度越來越高，性能越來越好。現(xiàn)在復(fù)合材料和鈦合金在飛機(jī)和發(fā)動機(jī)上的用量越來越多。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，主要是兩個原因，其一是隨著材料研究及應(yīng)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(shù)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(qiáng)度等性能更高的鈦合金新品種，經(jīng)過多年試驗，飛機(jī)很多部件已開始使用這些新的鈦合金。例如，波音777客機(jī)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(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，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越多的重要原因。
從另一個角度來說，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，而隨著時間推移鋁合金會被慢慢腐蝕，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，就需由鈦合金來代替，如復(fù)合材料的緊固件等零件。這些年來復(fù)合材料應(yīng)用的大幅增加也會推動鈦合金應(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)動機(jī)的五大候選材料，它們一直在競爭中互相促進(jìn)，優(yōu)勢互補(bǔ)，不斷發(fā)展。雖然，復(fù)合材料和鈦合金會在比強(qiáng)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(jì)性能等方面具有優(yōu)勢。高溫合金則在航空發(fā)動機(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爭力。
因此，目前總的趨勢是復(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，使用牌號為7085的鋁合金，鍛件長達(dá)6米多，重達(dá)3.9噸。
3、像8萬噸大型模鍛壓機(jī)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(jī)和發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)重量，增強(qiáng)可靠性，提高裝配效率，還能降低成本。誰能做到結(jié)構(gòu)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(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。8萬噸大型模鍛壓機(jī)超過了此前世界最大的俄羅斯7.5萬噸模鍛壓機(jī)，解決了我國能不能做特大鍛件的問題，對我們成為鍛件強(qiáng)國、鈦合金強(qiáng)國、航空強(qiáng)國意義重大。
8萬噸大型模鍛壓機(jī)除了可以制造出特大鍛件，對結(jié)構(gòu)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(jī)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(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(jī)，從而促進(jìn)我國鍛造水平的全面提高。
鍛件在飛機(jī)和發(fā)動機(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。
4、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(qiáng)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(qiáng)原始創(chuàng)新能力，多研發(fā)一些具有自主知識產(chǎn)權(quán)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(quán)的工藝技術(shù)，研發(fā)能力還是較強(qiáng)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(zhì)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(yīng)加強(qiáng)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(zhì)量的波動。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。