航空器是指在地面以上100km厚的大氣層內(nèi)飛行的各種器械,如飛機(jī)、直升機(jī)、無(wú)人飛機(jī)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(jī)、C919干線客機(jī)、AG600水陸兩棲飛機(jī)等系民用的,可簡(jiǎn)稱民機(jī);轟炸機(jī)、殲擊機(jī)、強(qiáng)擊機(jī)、Y-20重型軍用運(yùn)輸機(jī)等是軍用的,可簡(jiǎn)稱軍機(jī);Y-20也可軍民兼用,但以軍用為主.干線客機(jī)又可稱大飛機(jī),是指100座以上、航程≥5000km的飛機(jī).

    ARJ支線客機(jī)

    ARJ21是英文名稱"Advanced Regional Jet for the 21st Century"的縮寫,意為21世紀(jì)新一代支線噴氣式客機(jī),它是70座——90座級(jí)的中、短航程渦扇發(fā)動(dòng)新支線客機(jī),家族中有基本型、加長(zhǎng)型、貨機(jī)和公務(wù)機(jī)四兄弟.

    ARJ21民用客機(jī)是中國(guó)首次自主設(shè)計(jì)和制造的支線客機(jī).機(jī)體各部分分別在國(guó)內(nèi)四家飛機(jī)制造公司生產(chǎn),采用了大量國(guó)際成熟先進(jìn)技術(shù)和機(jī)載系統(tǒng),發(fā)動(dòng)機(jī)、航電、電源等系統(tǒng)全部是在世界范圍內(nèi)競(jìng)標(biāo)采購(gòu)的,其中有不少零部件是在中國(guó)制造的,也有一些產(chǎn)品是中國(guó)分交的.

    2002年4月,ARJ21飛機(jī)項(xiàng)目正式立項(xiàng),9月成立了中航商用飛機(jī)有限公司,負(fù)責(zé)該項(xiàng)目運(yùn)作,由其工程部總體設(shè)計(jì),2003年初初步設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)至中國(guó)一航第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院.2003年12月ARJ21-700分別在成都飛機(jī)公司、沈陽(yáng)飛機(jī)公司、西安飛機(jī)公司、上海飛機(jī)公司同時(shí)進(jìn)行零部件制造,2007年12月21日在上海飛機(jī)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(shù)過(guò)硬、經(jīng)驗(yàn)豐富的擁有ARJ21飛行資質(zhì)的飛行員駕駛著第106架機(jī),從上海中國(guó)商飛公司機(jī)場(chǎng)直飛成都雙流機(jī)場(chǎng),交付成都航空公司,并于2016年3月投放市場(chǎng),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(guó)內(nèi)航線首次擁有全部自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的Made in China噴氣支線客機(jī),是中國(guó)航空工業(yè)發(fā)展史上一件特等大事.ARJ21-700支線客機(jī)從2002年4月正式立項(xiàng)至2016年3月投入營(yíng)運(yùn)歷時(shí)14年.

    ARJ21客機(jī)

    用了哪些鋁合金與鋁材

    2017年1月23日,工業(yè)和信息化部副部長(zhǎng)徐樂(lè)江在民機(jī)鋁材上下游合作機(jī)制年度工作會(huì)議上指出,工信部要盡快制訂2017年重點(diǎn)工作方案,生產(chǎn)單位要按照適航審定要求,加強(qiáng)持續(xù)攻關(guān),加快重點(diǎn)牌號(hào)鋁材研制及應(yīng)用進(jìn)度,爭(zhēng)取2017年取得階段性進(jìn)展.

    ARJ21支線客機(jī)基本上是用鋁合金打造的,鋁制零部件的質(zhì)量超過(guò)飛機(jī)凈質(zhì)量的75%,常用的鋁合金幾乎全用了,不過(guò)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(jì)的鉚釘,但是數(shù)量甚多,多達(dá)四十余萬(wàn)個(gè).ARJ21客機(jī)的零件總數(shù)上百萬(wàn)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(wèn)世可能有幾千年了,在飛機(jī)上的應(yīng)用也有112年了.

    在ARJ21支線客機(jī)主結(jié)構(gòu)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(jī)所用鋁材全是美國(guó)鋁業(yè)公司提供的,萬(wàn)里迢迢從美國(guó)西海岸越過(guò)大洋來(lái)到中國(guó),板材來(lái)自艾奧瓦州(Iowa)達(dá)文波特軋制廠(Davenport Works),擠壓材與鍛件是拉斐特廠(Lafayette Works)生產(chǎn)的,也有一些擠壓材來(lái)自韓國(guó)的長(zhǎng)光鋁業(yè)公司,它是美國(guó)鋁業(yè)公司在韓國(guó)的一個(gè)獨(dú)資鋁材擠壓企業(yè).2xxx系及7xxx系合金在ARJ21主結(jié)構(gòu)鋁材用量中占總用量的98%.原型取證機(jī)之所以沒(méi)有用中國(guó)鋁材制造,是為取得適航證,并不是說(shuō)中國(guó)1kg也不能制造,隨著適航證的取得,國(guó)產(chǎn)鋁材的用量會(huì)逐年有所上升.

    ARJ21支線客機(jī)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(tài)下應(yīng)用,T7表示固溶處理后再經(jīng)過(guò)時(shí)效處理,材料的強(qiáng)度雖然比其可能達(dá)到的最大值低了一些,但抗應(yīng)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(jià)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(gè)很牛的2xxx系合金,ARJ21-700支線客機(jī)的所有蒙皮它都全包了,全是用其預(yù)拉伸板制造的,包括:機(jī)身蒙皮、后機(jī)身蒙皮、翼下機(jī)身蒙皮、與機(jī)翼對(duì)接的機(jī)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(diào)整片、副翼蒙皮與調(diào)整片、縫翼蒙皮、升降舵調(diào)整片.2524合金1995年誕生,同年在美國(guó)鋁業(yè)協(xié)會(huì)注冊(cè),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(jiàn),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(chǎn)難度稍大一些.

    可是2524合金的雜質(zhì)含量比2024合金的少得多,是一個(gè)很干凈的合金,它的雜質(zhì)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(zhì)的含量也相應(yīng)地大幅下降,因而其雜質(zhì)相數(shù)量少得多,合金的常規(guī)力學(xué)性能與2024合金的相當(dāng),但是其斷裂韌性與抗應(yīng)力腐蝕開裂能力、抗疲勞裂紋擴(kuò)展能力比2024合金強(qiáng),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(guò)一代.用它制造的零部件更加經(jīng)久耐用,維修期長(zhǎng)了,維護(hù)費(fèi)用下降了,飛機(jī)的安全性更高了.

    T3表示板材固溶處理后經(jīng)過(guò)拉伸,然后再時(shí)效處理(自然時(shí)效)后發(fā)給用戶,用戶用于加工零件,因?yàn)槔煸谟脩艏庸ち慵?故被稱為預(yù)拉伸,拉伸永久變形量為1.5%——3%.淬火后的板材內(nèi)存著巨大的內(nèi)應(yīng)力,表層為壓應(yīng)力,內(nèi)部為拉應(yīng)力,如不消除它們,用戶用其加工零件時(shí)會(huì)產(chǎn)生變形,變?yōu)閺U品,預(yù)拉伸就是消除這種淬火殘余應(yīng)力,便于機(jī)械加工工件的順利進(jìn)行.經(jīng)過(guò)預(yù)拉伸的鋁合金板被稱為預(yù)拉伸板,多用于制造航空器蒙皮,是一類高技術(shù)產(chǎn)品.預(yù)拉伸在拉伸機(jī)上進(jìn)行,中國(guó)目前可生產(chǎn)預(yù)拉伸板的企業(yè)有東北輕合金有限責(zé)任公司、西南鋁業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司、南山輕合金公司、愛(ài)勵(lì)國(guó)際(鎮(zhèn)江)有限公司等7家.

    用2024型合金制造的ARJ21飛機(jī)零件還有:用2524-3511合金加工的機(jī)翼下壁板,用2324-T39合金加工的機(jī)翼梁腹板.用2026-T3511合金制造的機(jī)翼梁下緣頭,2026合金是1999年在美國(guó)鋁業(yè)協(xié)會(huì)公司注冊(cè)的一個(gè)美國(guó)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(qū)別還在于它含有0.05%——0.25%Zr與雜質(zhì)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(jīng)過(guò)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(jī)結(jié)構(gòu)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(jī)半邊天,實(shí)際上可以說(shuō)是兩種合金,因?yàn)?050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(zhì)Fe、Si的含量低,而且Mn的含量也很低.組織中脆性?shī)A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(xì)化劑.由于這些成分的改進(jìn)以及經(jīng)過(guò)人工時(shí)效處理,使7050合金在保持更高強(qiáng)度下,具有斷裂高、疲勞強(qiáng)度高、耐損傷容限性能好、抗應(yīng)力腐蝕性能好等優(yōu)良綜合性能.另一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)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(jī)上主要用7050合金制造要求高強(qiáng)度、高應(yīng)力腐蝕和剝落腐蝕抗力及良好斷裂韌性的主承力結(jié)構(gòu),如機(jī)身框、隔板、機(jī)翼壁板、翼染、翼肋、起落架支撐零件和鉚釘?shù)?升高溫度時(shí)7050合金的強(qiáng)度下降,長(zhǎng)期使用溫度不得超過(guò)125℃.

    ARJ21客機(jī)用7050合金T7452材料的零件有后機(jī)身框、機(jī)身框、機(jī)身機(jī)翼上方機(jī)身框、旅客觀察窗框等.

    7150合金是7050合金的發(fā)展,Zn的含量更高一點(diǎn),Mg含量略有變動(dòng),Zn/Mg比有所提高,Cu含量稍有下降,因而性能進(jìn)一步改善了,用其T77狀態(tài)材料制造的結(jié)構(gòu)承力件有:機(jī)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(fù)板與梁緣頭、副翼肋與梁、縫翼肋與梁、前緣肋、機(jī)身地板梁下增壓區(qū)剪切角片.用T7751狀態(tài)材料制造的承力結(jié)構(gòu)件有:機(jī)翼上下翼面上桁條、機(jī)翼梁上緣頭、垂尾長(zhǎng)桁、與機(jī)翼對(duì)接的機(jī)身部位長(zhǎng)桁、機(jī)身桁、地板梁下增壓區(qū)桁.

    用7055合金制造的零件雖不多,但都是受力大的與關(guān)鍵性的,如用7055-T77511合金制造機(jī)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(guī)格的大扁錠我們至今不能有經(jīng)濟(jì)效益地鑄造.

    鉚釘用量近40萬(wàn)個(gè),一個(gè)也不能少

    自飛機(jī)問(wèn)世120多年來(lái),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(zhàn)略運(yùn)輸機(jī)與A380型特大客機(jī)每架的鉚釘用量上百萬(wàn)個(gè).在今后一段相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi),鉚接仍將是零部件連接的主要工藝,只不過(guò)隨著時(shí)間的推移,設(shè)計(jì)的改進(jìn)與焊接技術(shù)的進(jìn)步,鉚接工作量會(huì)有所減少,但是減少速度緩慢,例如一架大小與ARJ21客機(jī)相當(dāng)民機(jī)三四十年前每架的鉚釘用量約60萬(wàn)個(gè),而現(xiàn)在仍要用40多萬(wàn)個(gè).

    ARJ21支線客機(jī)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(qiáng)度的內(nèi)外結(jié)構(gòu),7050-T73合金鉚釘用于鉚接高強(qiáng)度抗腐蝕的結(jié)構(gòu).鉚釘在鉚接前都要經(jīng)過(guò)硫酸液陽(yáng)極氧化處理與重鉻酸鹽封孔.

    鑄造鋁合金

    在ARJ21支線客機(jī)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(jié)構(gòu)復(fù)雜、壁厚較薄與要求氣密性的承受中等截荷的結(jié)構(gòu)零件、儀器儀表附件、發(fā)動(dòng)機(jī)零件、燃油泵殼體,它們是鋁-硅-鎂系合金,相當(dāng)于中國(guó)的ZL101,它們都含6.5%——7.5%Si、0.25%——0.45%Mg;A356合金是356的改進(jìn)型,不過(guò)它的雜質(zhì)含量低以及添加了微量晶粒細(xì)化元素,因而具有更高的力學(xué)性能.

    ARJ21客機(jī)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(jī)鋁材

    即將全部國(guó)產(chǎn)化

    ARJ21支線客機(jī)是中國(guó)自主設(shè)計(jì)制造有全部自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的首款中型客機(jī),支線客機(jī)是指座位少于100個(gè)的飛機(jī).根據(jù)上海飛機(jī)制造廠計(jì)劃,2016年年底有5架完成交付,其中2架90座級(jí)、3架78座級(jí),預(yù)計(jì)今后五六年將完成30架交付,到2035年可交付880架,建設(shè)總目標(biāo)是50架/年,一期建設(shè)目標(biāo)30架/年.按規(guī)劃,所用鋁材可于2020年以后達(dá)到100%國(guó)產(chǎn)化,筆者認(rèn)為,在工信部牽頭下成立民機(jī)鋁材上下游合作機(jī)制,會(huì)大大促進(jìn)ARJ21飛機(jī)所需鋁材的國(guó)產(chǎn)化率進(jìn)程.

    中國(guó)現(xiàn)有以東北輕合金有限責(zé)任公司、西南鋁業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司、中鋁西北鋁加工分公司等為主的約20家企業(yè)可生產(chǎn)ARJ21客機(jī)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(gè)企業(yè)從奧地利艾伯納(Ebner)公司引進(jìn)了一臺(tái)可進(jìn)行T77處理的時(shí)效爐,其爐溫設(shè)計(jì)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(zhǎng)2000——39000,單板最大質(zhì)量25t.在ARJ21客機(jī)所用鋁材中,生產(chǎn)難度大的是T77狀態(tài)材料,只要能生產(chǎn)這種材料,其他所有材料的批量供應(yīng)都不成問(wèn)題,而裝備在這種材料生產(chǎn)中起著重要的作用.

    ARJ21飛機(jī)的選材以鋁合金為主,鋁制零部件質(zhì)量占飛機(jī)凈質(zhì)量(使用空機(jī)重量24955kg)25t的75%,約合50t(含鑄件與鍛件),即需要采購(gòu)50t鋁;結(jié)構(gòu)鋼和不銹鋼的占10%;復(fù)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(chǎn)30架,每年鋁材的最大用量為1500t.

    必須強(qiáng)調(diào)的是,所供應(yīng)鋁材的各項(xiàng)性能與指標(biāo)務(wù)必全面達(dá)到或超過(guò)制造原型取證機(jī)用的從奧科寧克鋁業(yè)公司進(jìn)口的,以全面替代進(jìn)口產(chǎn)品,同時(shí)價(jià)格合理,有國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力.