航空器是指在地面以上100km厚的大氣層內飛行的各種器械,如飛機、直升機、無人飛機等,航空器又稱飛行器,大體上可分為兩大類,軍用的與民用的,也有軍民兼用的.ARJ21、新舟60型支線客機、C919干線客機、AG600水陸兩棲飛機等系民用的,可簡稱民機;轟炸機、殲擊機、強擊機、Y-20重型軍用運輸機等是軍用的,可簡稱軍機;Y-20也可軍民兼用,但以軍用為主.干線客機又可稱大飛機,是指100座以上、航程≥5000km的飛機.

    ARJ支線客機

    ARJ21是英文名稱"Advanced Regional Jet for the 21st Century"的縮寫,意為21世紀新一代支線噴氣式客機,它是70座——90座級的中、短航程渦扇發動新支線客機,家族中有基本型、加長型、貨機和公務機四兄弟.

    ARJ21民用客機是中國首次自主設計和制造的支線客機.機體各部分分別在國內四家飛機制造公司生產,采用了大量國際成熟先進技術和機載系統,發動機、航電、電源等系統全部是在世界范圍內競標采購的,其中有不少零部件是在中國制造的,也有一些產品是中國分交的.

    2002年4月,ARJ21飛機項目正式立項,9月成立了中航商用飛機有限公司,負責該項目運作,由其工程部總體設計,2003年初初步設計和詳細設計轉至中國一航第一飛機設計研究院.2003年12月ARJ21-700分別在成都飛機公司、沈陽飛機公司、西安飛機公司、上海飛機公司同時進行零部件制造,2007年12月21日在上海飛機制造廠總裝下線,2008年11月在上海成功首飛,2015年3月完成首次航線演示飛行.

    2015年11月29日,由成都航空公司技術過硬、經驗豐富的擁有ARJ21飛行資質的飛行員駕駛著第106架機,從上海中國商飛公司機場直飛成都雙流機場,交付成都航空公司,并于2016年3月投放市場,初期投入成都至北京、上海、廣州、深圳、武漢、西安等7條航線,從此國內航線首次擁有全部自主知識產權的Made in China噴氣支線客機,是中國航空工業發展史上一件特等大事.ARJ21-700支線客機從2002年4月正式立項至2016年3月投入營運歷時14年.

    ARJ21客機

    用了哪些鋁合金與鋁材

    2017年1月23日,工業和信息化部副部長徐樂江在民機鋁材上下游合作機制年度工作會議上指出,工信部要盡快制訂2017年重點工作方案,生產單位要按照適航審定要求,加強持續攻關,加快重點牌號鋁材研制及應用進度,爭取2017年取得階段性進展.

    ARJ21支線客機基本上是用鋁合金打造的,鋁制零部件的質量超過飛機凈質量的75%,常用的鋁合金幾乎全用了,不過有的用得多,有的用得少一些,不管是變形鋁合金,還是鑄造鋁合金,幾乎所有系的合金都用了,大的有四五十公斤的蒙皮板,小的是以克計的鉚釘,但是數量甚多,多達四十余萬個.ARJ21客機的零件總數上百萬件,但是以緊固件最多,而在緊固件中坐第一把交椅的是古老的鉚釘.鉚釘問世可能有幾千年了,在飛機上的應用也有112年了.

    在ARJ21支線客機主結構鋁材中用得最多的是2xxx系及7xxx系合金,而且都是最新一代的合金,而制造取證用的原型機所用鋁材全是美國鋁業公司提供的,萬里迢迢從美國西海岸越過大洋來到中國,板材來自艾奧瓦州(Iowa)達文波特軋制廠(Davenport Works),擠壓材與鍛件是拉斐特廠(Lafayette Works)生產的,也有一些擠壓材來自韓國的長光鋁業公司,它是美國鋁業公司在韓國的一個獨資鋁材擠壓企業.2xxx系及7xxx系合金在ARJ21主結構鋁材用量中占總用量的98%.原型取證機之所以沒有用中國鋁材制造,是為取得適航證,并不是說中國1kg也不能制造,隨著適航證的取得,國產鋁材的用量會逐年有所上升.

    ARJ21支線客機用的變形鋁合金2524-T3,約占板材總用量的60%;其次是7xxx系合金的7050、7150、7055,它們約占35%,都在T77狀態下應用,T7表示固溶處理后再經過時效處理,材料的強度雖然比其可能達到的最大值低了一些,但抗應力腐蝕開裂和晶間腐蝕能力卻有較大提高.

    此外,還用了少量的鈦合金薄板,Ti-6Al-4V合金是一種最常用的鈦合金,也是價格較低與綜合性能較好的一種合金.

    蒙皮全用2524-T3合金

    2524-T3合金真是一個很牛的2xxx系合金,ARJ21-700支線客機的所有蒙皮它都全包了,全是用其預拉伸板制造的,包括:機身蒙皮、后機身蒙皮、翼下機身蒙皮、與機翼對接的機身部位蒙皮、襟翼蒙皮、襟翼子翼蒙皮、垂尾蒙皮、升降舵蒙皮、平尾蒙皮、方向舵蒙皮與調整片、副翼蒙皮與調整片、縫翼蒙皮、升降舵調整片.2524合金1995年誕生,同年在美國鋁業協會注冊,而它"爺爺"的"爺爺"2024合金卻是1934年誕生的.2524合金是2024合金家族的第六代,在主成分(Cu、Mg、Mn)方面它們的含量大體相等,例如2024合金含3.8%——4.9%Cu,而2524合金為4.0%——4.5%Cu;2024合金的鎂含量為1.2%——1.8%,而2524合金含1.2%——1.6%Mg;2024合金含0.30%——0.9%Mn,而2524合金的含量為0.45%——0.7%Mn,由此可見,2024合金的主合金元素含量范圍比2524合金的寬松一些,因而2524合金的生產難度稍大一些.

    可是2524合金的雜質含量比2024合金的少得多,是一個很干凈的合金,它的雜質Si、Fe、Cr含量依次為0.06%、0.12%、0.05%,分別只有2024合金的12%、24%、50%,其他雜質的含量也相應地大幅下降,因而其雜質相數量少得多,合金的常規力學性能與2024合金的相當,但是其斷裂韌性與抗應力腐蝕開裂能力、抗疲勞裂紋擴展能力比2024合金強,也更耐損傷容限,所以它的綜合性能比2024合金的更好,真是一代勝過一代.用它制造的零部件更加經久耐用,維修期長了,維護費用下降了,飛機的安全性更高了.

    T3表示板材固溶處理后經過拉伸,然后再時效處理(自然時效)后發給用戶,用戶用于加工零件,因為拉伸在用戶加工零件之前,故被稱為預拉伸,拉伸永久變形量為1.5%——3%.淬火后的板材內存著巨大的內應力,表層為壓應力,內部為拉應力,如不消除它們,用戶用其加工零件時會產生變形,變為廢品,預拉伸就是消除這種淬火殘余應力,便于機械加工工件的順利進行.經過預拉伸的鋁合金板被稱為預拉伸板,多用于制造航空器蒙皮,是一類高技術產品.預拉伸在拉伸機上進行,中國目前可生產預拉伸板的企業有東北輕合金有限責任公司、西南鋁業(集團)有限責任公司、南山輕合金公司、愛勵國際(鎮江)有限公司等7家.

    用2024型合金制造的ARJ21飛機零件還有:用2524-3511合金加工的機翼下壁板,用2324-T39合金加工的機翼梁腹板.用2026-T3511合金制造的機翼梁下緣頭,2026合金是1999年在美國鋁業協會公司注冊的一個美國Al-Cu-Mg系合金,它的Cu、Mg、Mn含量比2524合金的低一些,但相差不太大,大的區別還在于它含有0.05%——0.25%Zr與雜質Si、Fe、Cr、Zn、Ti的含量全面低于2524合金的,因而它的綜合性能比2524合金的更勝一籌,T3511表示固溶處理后經過拉伸的擠壓材料,拉伸永久變形量1%——3%.

    7xxx系合金

    在ARJ21支線客機結構制造中,用得最多的是2xxx系的2524合金,在鋁合金總量中約占60%;其次是7xxx系合金占35%左右,主要用了三種合金:7050、7150、7055,這3種7xxx系鋁合金撐起ARJ21客機半邊天,實際上可以說是兩種合金,因為7050合金與7150合金的主成分相同.

    7050合金是一種高純的超硬鋁,不但雜質Fe、Si的含量低,而且Mn的含量也很低.組織中脆性夾雜相大幅度減少,在主成分中增大了鋅鎂比,并用Zr取代Cr作為晶粒細化劑.由于這些成分的改進以及經過人工時效處理,使7050合金在保持更高強度下,具有斷裂高、疲勞強度高、耐損傷容限性能好、抗應力腐蝕性能好等優良綜合性能.另一個突出優點是有高的淬透性,特別適合于制造厚板與鍛件、厚截面零件.在飛機上主要用7050合金制造要求高強度、高應力腐蝕和剝落腐蝕抗力及良好斷裂韌性的主承力結構,如機身框、隔板、機翼壁板、翼染、翼肋、起落架支撐零件和鉚釘等.升高溫度時7050合金的強度下降,長期使用溫度不得超過125℃.

    ARJ21客機用7050合金T7452材料的零件有后機身框、機身框、機身機翼上方機身框、旅客觀察窗框等.

    7150合金是7050合金的發展,Zn的含量更高一點,Mg含量略有變動,Zn/Mg比有所提高,Cu含量稍有下降,因而性能進一步改善了,用其T77狀態材料制造的結構承力件有:機翼肋緣條、翼肋腹條、襟翼盈、襟翼梁緣頭、襟翼梁腹板、垂尾梁緣頭、垂尾梁腹板、垂尾腹板、垂尾肋、升降舵肋與梁、平尾肋、梁腹與梁緣頭、方向舵肋、梁復板與梁緣頭、副翼肋與梁、縫翼肋與梁、前緣肋、機身地板梁下增壓區剪切角片.用T7751狀態材料制造的承力結構件有:機翼上下翼面上桁條、機翼梁上緣頭、垂尾長桁、與機翼對接的機身部位長桁、機身桁、地板梁下增壓區桁.

    用7055合金制造的零件雖不多,但都是受力大的與關鍵性的,如用7055-T77511合金制造機翼上壁板,起落架接頭是用7055-T77合金鍛造.在7xxx系合金中,7055合金是合金化元素平均總含量最高的之一,為12.35%,鐵與硅的平均總含量又最低,僅0.125%,因而大扁錠的鑄造難度大,冷裂紋傾向大,有些規格的大扁錠我們至今不能有經濟效益地鑄造.

    鉚釘用量近40萬個,一個也不能少

    自飛機問世120多年來,零部件的鉚接就是一種必不可少的連接工藝,至今仍如此,大型戰略運輸機與A380型特大客機每架的鉚釘用量上百萬個.在今后一段相當長的時間內,鉚接仍將是零部件連接的主要工藝,只不過隨著時間的推移,設計的改進與焊接技術的進步,鉚接工作量會有所減少,但是減少速度緩慢,例如一架大小與ARJ21客機相當民機三四十年前每架的鉚釘用量約60萬個,而現在仍要用40多萬個.

    ARJ21支線客機用的鉚釘合金有2014、2219、3003、5052、5056、7050合金,2219合金鉚釘用于鉚接高強度的內外結構,7050-T73合金鉚釘用于鉚接高強度抗腐蝕的結構.鉚釘在鉚接前都要經過硫酸液陽極氧化處理與重鉻酸鹽封孔.

    鑄造鋁合金

    在ARJ21支線客機制造中也用了一些鑄造鋁合金,雖然用量比變形鋁合金少得多,但也是不可或缺的,如用356及A356合金鑄造形狀結構復雜、壁厚較薄與要求氣密性的承受中等截荷的結構零件、儀器儀表附件、發動機零件、燃油泵殼體,它們是鋁-硅-鎂系合金,相當于中國的ZL101,它們都含6.5%——7.5%Si、0.25%——0.45%Mg;A356合金是356的改進型,不過它的雜質含量低以及添加了微量晶粒細化元素,因而具有更高的力學性能.

    ARJ21客機用的鑄造鋁合金還有413.0、360、355、A357、Tens-50、380、A380合金等.

    ARJ21支線客機鋁材

    即將全部國產化

    ARJ21支線客機是中國自主設計制造有全部自主知識產權的首款中型客機,支線客機是指座位少于100個的飛機.根據上海飛機制造廠計劃,2016年年底有5架完成交付,其中2架90座級、3架78座級,預計今后五六年將完成30架交付,到2035年可交付880架,建設總目標是50架/年,一期建設目標30架/年.按規劃,所用鋁材可于2020年以后達到100%國產化,筆者認為,在工信部牽頭下成立民機鋁材上下游合作機制,會大大促進ARJ21飛機所需鋁材的國產化率進程.

    中國現有以東北輕合金有限責任公司、西南鋁業(集團)有限責任公司、中鋁西北鋁加工分公司等為主的約20家企業可生產ARJ21客機所需的鋁合金板、箔、型、管、棒材與鍛件等,他們的裝備都是世界一流的,還有一個企業從奧地利艾伯納(Ebner)公司引進了一臺可進行T77處理的時效爐,其爐溫設計溫度±1℃,爐氣溫度精度±2℃,板材溫度均勻性±1.5℃,單板的溫度均勻性±1℃,可處理板材尺寸(mm):厚4——250、寬1000——4300,長2000——39000,單板最大質量25t.在ARJ21客機所用鋁材中,生產難度大的是T77狀態材料,只要能生產這種材料,其他所有材料的批量供應都不成問題,而裝備在這種材料生產中起著重要的作用.

    ARJ21飛機的選材以鋁合金為主,鋁制零部件質量占飛機凈質量(使用空機重量24955kg)25t的75%,約合50t(含鑄件與鍛件),即需要采購50t鋁;結構鋼和不銹鋼的占10%;復合材料的占8%;鈦合金的占2%;其他材料的占5%.在2020年以前,如果每年生產30架,每年鋁材的最大用量為1500t.

    必須強調的是,所供應鋁材的各項性能與指標務必全面達到或超過制造原型取證機用的從奧科寧克鋁業公司進口的,以全面替代進口產品,同時價格合理,有國際市場競爭力.