大飞机搅动航空材料市场万亿蓝海

刘怡君

一代材料，一代飞机。从世界商用飞机发展的历史来看，材料技术的进步对于飞机整体性能的提升有着至关重要的作用。

40多年前，铝合金材料在飞机上占绝对主导地位，当时这种材料被认为是同时兼具轻量化和经济性的先进材料。然而，如今最先进的商用飞机上铝合金材料的使用率仅为20%，取而代之的是更加先进的其他金属材料和复合材料，甚至一些过去被认为不切实际的新型材料也已经开始在新一代商用飞机上逐渐使用。航空材料当仁不让地成为了商用航空市场的又一片蓝海。

万亿蓝海待角逐

2018年2月，航空航天防务新闻网发布了名为《2022年前航空航天材料市场的全球预测》的市场研究报告。报告显示，预计到2022年，全球航空航天材料市场将达到258亿美元，2017年至2022年的年复合增长率为6.9%。

细分到航空市场，由于全球航空运输业的快速发展，行业对于材料的需求也将水涨船高。其中，亚太、北美和欧洲地区对航空材料的增长最快。

具体来说，复合材料将有望继铝合金材料后，成为使用最广泛的航空材料。复合材料是由两种或多种不同的材料结合在一起，融合每种组分材料的优异性能而形成的。其中一种组分是基体材料，通常为树脂或陶瓷，另一种组分是增强材料，通常为纤维。由于具备双重性能，因此复合材料在减轻重量、提高燃油效率的同时，更容易加工、设计、成型和修复。曾经被当作是轻型结构件或机舱组件材料的复合材料，现在已经开始应用于真正的功能部件，如机翼和机身蒙皮、发动机和起落架部件等。

此外，复合材料还可以很方便地加工成形状复杂的零部件。如果采用金属材料，可能会需要机加工，并用到一定的連接件。预成型的复合材料部件不仅重量轻、强度高，还减少了飞机内部的紧固件和连接件数量，而这些部件的连接处往往也是容易失效的部位。使用复合材料则避免了上述问题，并可以帮助制造商在可能的情况下，尽量采用一体化部件设计。

报告同时指出，公务机市场与民航运输市场将共同驱动航空材料市场的增长。这主要是因为亚太、中东等地区高资产净值人数的增加对公务机或包机出行的需求增长。根据霍尼韦尔和庞巴迪的市场预测，到2024年，全球范围内预计将会增加9300架公务机，总价值近2700亿美元。因此，公务机交付数量的增加也将进一步推动航空材料市场需求的增长。

从区域来看，亚太地区将是航空航天材料市场增长最快的区域。预计在未来几年内，该地区将引领整个行业的发展。其中，中国、日本和印度将会在航空航天领域持续布局，相应地，对材料的需求也会更多。目前，日本和印度正分别以原材料获取的便利性和低廉的劳动力成本，吸引大批投资者建设生产设施。

此外，未来几年亚太地区对新飞机的需求也将不断增长，很多航空航天材料供应商将积极采用各种策略来提供更好的服务，如新产品研发、企业并购、建立合资企业和进行战略合作等，以增加其市场份额。

传统“五朵金花”

航空结构材料通常处于材料领域的最前沿，研发技术难度之大使其无愧于材料世界的“天之骄子”。目前，钛合金、复合材料、高温合金、铝合金和钢是商用飞机制造中的“五朵金花”。

其中，钛合金是飞机重要的结构材料，主要用于航空发动机叶片、叶盘、飞机起落架、机翼梁等重要承力构件。在波音707飞机中，钛合金的用量只有0.2%，而到了波音787项目，钛合金在机体的用量达到15%，创下了商用飞机机体钛合金用量的最高纪录。在我国研制的商用飞机中，ARJ21新支线客机的钛合金用量是4.8%，到了C919大型客机项目，钛合金的用量达到了8%左右，与波音777和空客A380的钛合金用量相当。

20世纪60年代末，高性能碳纤维作为增强纤维实现了初步的商业化应用，于是以连续碳纤维增强的高性能树脂基复合材料应运而生。复合材料在商用航空领域的应用，空客A380和波音787是两个具有里程碑意义的产品。在空客A380飞机上，高性能复合材料用量达到了飞机结构用量的25%，而波音787则整体机身段都采用了复合材料，从而减少了1500个零件和近5万个连接件，在显著减轻结构重量的同时，大幅降低了制造、装配、运营和维护成本。在我国，随着商用飞机项目的陆续启动，复合材料在新机型上的使用率也在逐步提高。在ARJ21新支线飞机上，复合材料的用量仅为1%，但C919大型客机的复合材料用量为12%。此外，正在研制中的长江1000涡扇发动机也将采用先进的复合材料。

高温合金是为了满足航空发动机对材料的严苛要求而研制的材料，如今已成为航空发动机热端部件不可替代的一类关键材料。在新一代商用航空发动机中，高温合金材料的用量达到40%～60%，主要用于燃烧室、导向叶片、涡轮叶片和涡轮盘这四大热端零部件。

尽管铝合金在商用飞机上的用量较几十年前大幅降低，但是铝锂合金的发展再次提高了铝合金的竞争力。例如，在空客A380的研制中，7085合金的问世为特大锻件的应用开辟了新路径。在此之前，由于高强度铝合金锻件或厚板的厚度有一定限制，如7055限于38毫米，7150限于120毫米。为了能够获得厚度更大的高强铝合金锻件或厚板，美国Alcoa公司研制了7085铝合金，这种材料由于淬透性和熔铸性好，最大厚度可达到250毫米。经过充分验证后，使用7085合金制成的特大梁模锻件成功应用于A380飞机。

尽管如今新材料层出不穷，但是钢是飞机制造中不可或缺的材料。近年来，超高强度钢300M、Aermet100、S50的先后问世，使钢的竞争力也在不断加强。737-300之后推出的所有波音飞机的起落架都选用了300M钢，而我国自主研制的C919大型客机的起落架活塞杆等关键零部件也选用了300M钢。

新的“四小花旦”

在新一代复合材料中，碳纤维、陶瓷基复合材料和树脂基复合材料是研发的重点。其中，美国航空航天局（NASA）在“革命性航空概念”项目的支持下，正在研究陶瓷基复合材料和防护涂层，以替代目前在航空发动机中应用的镍基高温合金。此外，日本三菱重工与宇部兴产株式会社、标盾公司等，也已开始试制陶瓷基复合材料高压涡轮叶片。

在高性能金属结构材料中，轻质耐高温金属和金属纳米复合材料是发展重点。其中，计算材料技术将在发动机轻质合金材料部件优化中发挥重要作用。美国轻质材料制造创新研究所启动了一个钛合金和铝锂合金项目，旨在通过改进计算模型，更好地预测发动机材料的性能。其中的钛合金项目由通用电气航空集团和俄亥俄州立大学牵头，铝锂合金项目由联合技术研究中心牵头。

特种功能材料的研发也在不断突破极限。其中，高温陶瓷和超高温陶瓷材料的耐热能力不断打破纪录。例如，俄罗斯研制的一种基于碳化硅和二硼化锆的陶瓷混合物构成的多层陶瓷结构材料，预计最高能承受3000℃的极端温度的考验，可用于提高喷气发动机燃烧室的温度。英国研制的碳化钽和碳化铪材料组成的化合物熔点可达到3905℃，未来或可为下一代超声速飞行器提供热防护板。

最后一种是电子信息功能材料，虽然目前这种材料在航天领域的应用更多，但是业界正在研究如何借鉴已有经验，将这种新型材料更多地应用于航空领域。日本作为航空材料的研发强国，已经研究出一种透明强磁性纳米颗粒薄膜材料，这种材料由纳米级磁性金属颗粒铁钴合金和绝缘物质氟化铝混合制成，未来有望用于制造航空器风挡玻璃等设备。这种玻璃可以直接显示油量、地图等信息，为包括电、磁及光学设备在内的产业带来革命性的技术突破。

大飞机的拉动

C919大型客机成功首飞以来，各地对航空产业的热情一路高涨，航空材料业也迎来了新的发展机遇。

与飞机制造业类似，我国航空材料业的发展也经历了引进、仿制、改进、改型和自行研制的发展历程。总体上看，我国目前已定型生产的航空材料（含类别、牌号、品种与规格）及其相应的标准与规范，基本上能满足第二代航空产品批生产的需求。针对第三代航空产品所需要的关键材料，如热强钛合金、高强铝合金、超高强度结构钢不锈钢、树脂基复合材料、单晶与粉末高温合金等，从技术上看，已具备试用条件，但要转化为在特定工况下使用的零部件，并体现出第三代航空產品的总体效能还需做大量的工作。

随着C919大型客机、长江1000商用发动机项目的启动，近年来我国材料技术的发展也取得了显著进步。在C919项目带动和牵引下，我国启动了“国家973计划”——航空高性能铝合金材料基础研究。该项目致力于通过寻求新的铝合金设计与制备途径，解决高综合性能铝材发展的基础科技难题，满足C919大型客机研制的需要。

这项计划的参与者之一中国铝业既是C919大型客机主制造商中国商飞公司的股东，也是我国最大的铝材生产商。近年来，中国铝业旗下的西南铝业投资20亿元建设了为C919大型客机配套的铝合金厚板生产线，用于批量生产机翼、尾翼和壁板。这条生产线建成后，西南铝业突破了多项关键技术，使我国成为继美、日、德、俄之后又一个能够规模化生产铝合金厚板的国家。

在钛合金研制领域，同样是中国商飞公司股东之一的宝钢股份为了C919项目的顺利推进，进行了大量的投资和研发工作。宝钢以飞机起落架用材料作为重点研发方向，围绕C919项目进行了超纯净化冶炼工艺研究、大锭型自耗重熔工艺研究、大尺寸材均质化工艺研究等。通过科研人员的不懈努力，如今宝钢已经成功研制出TC4、TC18、TA15等牌号的大型钛合金棒材和等温锻件，并进入产业化生产研究阶段。

在复合材料领域，我国也在C919项目的带动下取得了令人瞩目的成就。中航工业哈飞作为C919大型客机机体结构的主要供应商之一，为满足C919前起落架舱门的制造要求，在产品制造工艺上取得了重大突破。在研制过程中，项目团队通过多次工艺试验和技术攻关，在制造工艺上突破了超厚度（54mm）纸蜂窝预成型技术、数控加工技术、泡沫和蜂窝拼接技术。此外，哈飞还与国外先进企业通过联合研发的方式，在大尺寸复合材料结构件和垂直尾翼部件生产中，采用自动铺带、热隔膜成型、数字化装配生产线等国际先进技术，使我国复合材料部件的生产水平跨上了新台阶。

在看到成绩的同时，我们也要面对这样一个现实：我国航空材料基础研究才刚刚起步，与先进国家相比还存在很大的差距。而除了民用飞机用的材料之外，我国在民用航空发动机用材料方面需要补的课更多。与国外相比，我国现有发动机产品系列不全，适航取证经验缺乏，大涵道比涡扇发动机研发刚刚起步，长寿命、高可靠性发动机材料和制造技术工程化应用研究还是空白。因此，中国航空材料的发展之路依旧任重道远。