國際航空航天緊固件發展現狀及趨勢研究

(東方藍天鈦金科技有限公司，煙臺 264003)

0 引言

隨著航空航天工業的繁榮發展，有著“工業大米”之稱的緊固件越來越受到航空航天產業上下游企業的重視[1]。人們清醒地意識到看起來不起眼的緊固件其每一件零部件、每一件螺絲都會起到關鍵的作用。本文從國際緊固件巨頭企業的發展情況、產業布局、市場占有量等方面入手，對國際緊固件產業的發展情況、產品分類、應用領域等情況進行了分析及闡述，并對近年來國際緊固件新產品的研發生產情況進行介紹。結合國內同類產業現狀來看，國內航空航天緊固件生產廠家在新產品研發、市場準入、質量控制等方面取得了很大的進步，但與國際一流的航空航天緊固件生產制造商相比，還存在很大差距。結合東方藍天鈦金科技有限公司多年來在高端緊固件研發及生產制造的業內經驗，分析了國內航空航天緊固件的選型、分類及產品型譜，對未來我國航空航天緊固件新產品的發展方向進行了預測。希望能引起業內專家及學者的共鳴與深入研討，加強國內產業鏈融合，共同推動我國高端緊固件國產化，推進我國高端裝配制造業創新發展。

1 國際航空航天工業發展情況

1.1 航天工業發展情況

近年來，全球航天經濟延續繁榮勢頭，產業收入增長達到歷史最高水平，2016年全球航天產業收入總額達3293億美元。從全球航天產業整體看，2016年，世界各國政府航天總收入與商業航天市場總收入繼續保持約1∶3的比例格局[2]。全球航天運輸系統近年來研發和技術進步達到新高潮，政府主導的重型火箭仍在持續推進，各國政府積極推進新一代大中型火箭研制，愈加重視降低成本提高競爭力。在太空商業化模式競爭下，傳統的運載火箭已經到了不得不更新換代的階段。當前，世界各航天大國正在致力于研發新一代運載火箭，大量采用新技術和新材料，實現降低成本、提高可靠性、追求多樣化需求的目標。由于商業發射需求增長，多國政府逐漸從投資分包研制轉向采購發射服務，新型火箭都以商業發射作為重要目標，通過優化工業流程、引入新技術等降低發射成本，提高競爭力。

如圖1所示，近10年以來，全球衛星產業保持上升態勢，2016年全球衛星總收入達2610億美元，約占全球航天產業總收入的77%。衛星在軌運行方面，截至2016年12月31日，全球有59個國家、共計1459顆衛星在軌運行，其中，美國以594顆居首，占比40.7%。2012年—2016年期間，全球平均每年發射衛星144顆，其中絕大多數是質量小于1200kg的低地球軌道衛星或微小衛星[2]。

圖1 全球衛星產業年收入Fig.1 Annual Revenue of global satellite industry

1.2 航空工業發展情況

隨著全球經濟的進一步復蘇，航空公司乘客數量穩定增長。根據波音公司的推算，如全球經濟年平均增長率達到3.2%，航空公司客運量增長率可保持在4.2%，貨運量增長率可達5%。針對客運量和貨運量增長，波音客機和貨機的總需求量將從2016年的20910架增至2033年的42180架。如表1所示，波音公司預測，從2016年到2033年新飛機需求量將達到36770架,總產值預計5.2萬億美元。其中，單通道飛機需求量最大，將達25680架，占新飛機總需求量的約70%；中小型飛機需求量將達7980架，產值將占總市場份額的40%以上。

表1 波音公司對全球新飛機需求的預測(2016—2033)[1]Tab.1 Boeing’s forecast of global new aircraft demand(2016—2033)[1]

推動新飛機需求的主要因素包括：新興市場不斷發展、新航線日益增長，以及更環保的新飛機取代舊飛機機型。根據波音公司對新飛機交付量的分析預測，15年后，亞太地區將成為主要市場。

按照航空工業用途來分，民用航空工業正處于穩步增長期，尤其是中國和中東地區。軍事航空工業發展穩定，但據預測，到2020年年底前，其增長率很低。在北美，需要很長一段時間，直至新一代戰斗機設計及使用，該增長率數據才可能發生明顯變化。但新一代遠程轟炸機正在研發中，未來的商業模式必將對軍事航空工業帶來新影響。2017年年底，GE資本公司新訂購75架B737 MAX8(總價值達80億美元)。如表2所示，空客公司A-320、A-330 / 340 / 350機型待交付訂單量高達6762架，空客公司計劃增加月生產量，其中A-350要從2016年每月50架增長到2018年每月60架，以滿足客戶需求。

表2 空客、波音交易量[1]Tab.2 Airbus & Boeing trading volume[1]

2 國際主要航空航天緊固件供應商情況

航空航天緊固件供應商的主要客戶是飛機制造商及飛機制造商的一級供應商。例如，波音公司有6個一級供應商，分別是Alenia Aeronautica(阿萊尼亞航空工業公司)、FHI(富士重工)、KHI(川琦重工)、MHI(三菱重工)、Spirit Aero Systems(Spirit航空工業集團)及Vought(沃特飛機工業公司)，上述一級供應商與波音公司自身緊固件消耗量占波音公司飛機生產計劃所需緊固件總量的94%。波音公司緊固件主要供應商為美國ARCONIC集團、美國PCC集團和法國LISI集團，以下簡述這3家公司發展及布局情況。

2.1 美國ARCONIC集團

2016年11月，美國鋁業公司拆分為兩個獨立實體，一個專注于傳統的采礦、精煉和冶煉業務，沿用ALOCA名稱，另一個更名為ARCONIC，致力于航空航天和汽車產業業務。

ARCONIC是全球航空航天、汽車、商業運輸、建筑、電力等行業高度工程化產業配套的領先零部件制造商之一，具有很高的行業地位。2016年總銷售額為123.94億美元，凈收入為9.41億美元。如圖2所示，ARCONIC 公司64%的收入來源于航空及交通產業，其中商用飛機產業占總收入的24%，商用發動機產業占總收入的15%[3]。

圖2 ARCONIC公司2016年銷售產業占比[3]Fig.2 ARCONIC’s sales ratio in 2016[3]

ARCONIC份額最大和增長最快的市場是航空航天市場。在該行業中，ARCONIC的發展歷史可追溯到萊特兄弟首次飛行時期。ARCONIC的特色是采用高性能復合材料技術、具備高性能的產品及解決方案，為航空發動機和飛機機身提供產品。2016年，ARCONIC公司約43%的收入來自航天工業產業，其產品在世界上占有數一數二的市場地位，見圖3。2015年—2016年，ARCONIC獲得價值130億美元的航空航天合同。

圖3 ARCONIC產品在新一代航空器上獲得更大市場份額[3]Fig.3 ARCONIC has achieved substantial share gains on next generation aircraft[3]

ARCONIC十分重視3D打印技術，2016年在該集團旗下全球最大的輕金屬研究技術中心建立金屬粉末打印生產線，現已生產鈦粉、鎳粉和鋁粉并擁有專利，除生產金屬粉末外，正在推進一系列添加劑技術，包括ARCONICTM技術，致力于添加劑和先進制造工藝混合技術。

2.2 美國PCC集團

PCC集團成立于1949年，總部位于俄勒岡州波特蘭，為歐洲空客公司和美國波音公司等飛機生產商生產緊固件和渦輪葉片等零部件。該集團還是發電站和油氣行業的設備制造商。2015年8月，沃倫巴菲特旗下伯克希爾哈撒韋公司收購該公司，包括債務在內，該交易總價值約372億美元，是伯克希爾歷史上最昂貴的一次收購行動，同時也是巴菲特個人投資規模最大的一次收購行動。PCC集團在全球建立了155家制造工廠，擁有3萬多名雇員，其銷售量80%在美國本土。PCC公司最大的客戶是GE，其他主要客戶包括波音、空客、羅羅、聯合技術等，2016財年來自GE的直接銷售收入占PCC總收入的13%[4]。

PCC旗下緊固件專業生產企業SPS科技有限公司2016年緊固件銷售額占PCC集團總額的23%，達到23.5億美元。SPS專注于高強、高韌、耐高溫、耐腐蝕性特種金屬材料緊固件產品的研發與制造，是高強高韌緊固件，特別是鈦合金和高溫合金緊固件科研生產的領頭羊。PCC旗下CHERRY公司生產的高強鈦合金、高溫合金抽芯鉚釘一直是航空航天緊固件鉚釘市場中的寵兒，其產品特別適用在狹小空間或者封閉空間安裝使用。

2.3 法國LISI集團

LISI集團成立于1777年，是歐洲最大的航空航天緊固件制造商。其特點是高附加值裝配解決方案的設計與制造，如圖4所示，其主要產業布局為航空航天緊固件產業、汽車緊固件產業及醫療緊固件產業。其中，該公司航空航天緊固件產業占其總銷售額的63%，為世界航空航天領域制造商提供緊固件、結構部件和裝配方案。

圖4 法國LISI集團主要產業布局及銷量占比[5]Fig.4 The main industrial layout and sales ratio of LISI[5]

LISI集團2016年年報有關數據顯示，全年銷售額為15.7億歐元，同比增長7.8%，凈收入大幅提升至1.07億歐元，同比增長31%，現金流為7300萬歐元，稅息折舊及攤銷前利潤(Ebita)為2.371億歐元，息稅前利潤(Ebit)達到1.571億歐元，均為歷史最高水平[5]。

LISI是復雜結構件及零部件生產的全球領導者，擅長運用數字仿真工具開發復雜生產工具、制造復雜結構件，其發展領先的核心力量是專業的金屬加工能力。

3 國際航空航天緊固件產業現狀

3.1 國際航空航天緊固件產業發展

航空航天緊固件廣泛應用于商用與軍用飛機、彈道飛彈、火箭，同時亦會供應給售后維修市場。從國際航空航天緊固件銷售角度來看，預計市場將從2016年的54.9億美元增加到2021年73.7億美元，復合年增長率為7.08%。旅游業的發展，商用飛機需求不斷上升是全球航空航天緊固件市場增長的主要原因。而產業化程度越高，市場越嚴格，緊固件質量要求和市場價值更高。與汽車緊固件市場、電子和通信設備等工業用緊固件市場等相比，航空航天緊固件市場是附加值最高和價格最穩定的市場。為確保飛機的安全性和操作性，航空航天制造商不間斷地投入資金進行技術革新與緊固件的升級，也對整個航空航天市場起到積極的推動作用。

3.2 國際航空航天緊固件分類

航空航天緊固件大致分為以下幾類：螺栓、螺母、鉚釘、墊圈和墊片等，如表3所示。

3.3 國際航空航天緊固件應用

航空航天緊固件主要應用于電子系統、發動機、結構體等，此類產品的銷售訂單通常包括產品的銷售和售后維修保養，因此，航空航天緊固件營銷項目是非常全面的。在飛機制造和維修的實際應用中，由于飛機的生產和維修是通過施加壓力和不施加壓力的過程來進行的，所以緊固件的作用不僅僅是將飛機各部件的結構連接在一起。因此，飛機設計工程師在設計工作中，應該考慮諸多因素，例如，用于鎖緊的緊固件在正常的飛行操作和風力條件下承受特殊壓力，必須具有剪切和拉伸性能，甚至還必須考慮發動機運行的情況。當飛機著陸時，要考慮緊固件的材質是否能保持原來的結構，保證其緊固件能精細操作。此外，除了考慮緊固件的直徑和數量外，還需要考慮緊固件質量、自檢能力、成型工藝性、空氣液壓適用性、耐腐蝕性等因素。

表3 波音公司航空航天緊固件分類[6]Tab.3 Classification of aerospace fasteners (Boeing Company)[6]

4 國際航空航天緊固件新產品研究

4.1 專用緊固件

(1)機身絕緣毯用特殊緊固件[7]

這是一種新的、安裝在飛機機身絕緣毯的緊固件系統。這類緊固件能夠確保將絕緣毯定位在特定的部位，使乘客在飛機外部發生火災時在最多5分鐘內逃生，這項技術由LISI公司沖壓技術研發中心掌握，與現有的市場設備相比，該緊固件系統減重性能優秀。主要優點：耐火、減重，見圖5。

圖5 機身絕緣毯用特殊緊固件Fig.5 Fasteners for fuselage lnsulation blankets

(2)雷電電流傳導緊固件[7]

新一代飛機上使用碳復合材料的結構，以抵抗雷電。干涉式緊固系統PULL-INTM上/ PULL-STEMTM采用獨特的涂層可以保持良好的導電性，同時提高了摩擦系數，這有利于飛機結構的安裝。A350機翼接頭現采用“HI-KOTETM涂層條紋”技術，這項技術于2016年通過了空客公司的認證。主要優點：雷電電流的導電/疏散，安全干擾安裝，比襯套緊固件輕且成本低，見圖6。

4.2 復合材料緊固件

(1)復合材料夾緊螺母[8]

夾緊螺母廣泛應用于飛機的結構系統、整機系統及內部系統。過去，夾緊螺母是金屬材質，新產品則使用復合材料，利用數字模擬技術,可以替代多種現有金屬夾緊螺母。這些HPPTM(高性能聚合物)夾緊螺母能在最惡劣的環境(230℃/450°F)下保持性能。復合材料夾緊螺母還能降低安裝時對飛機結構造成降低結構損傷的風險，同時可以幫助客戶降低對該類產品的庫存。主要優點：減重、安裝堅固、降低結構損傷，見圖7。

圖7 復合材料夾緊螺母Fig.7 Composite material clamping nut

(2)新型高溫緊固件系統[9]

現已開發出一種低成本陶瓷復合材料機械緊固件系統，該系統可能成為下一代超音速和太空飛行器推進系統的支持技術。該高溫緊固件為二維、陶瓷機械緊固件，其利用扁平的層壓板材制成，能夠降低緊固件的成本，同時無需在該緊固件的陶瓷復合材料組件中加工螺紋。由于該緊固件采用與相鄰結構相同的材料制成，當緊固在一起時基本上不產生熱應力，從而降低連接高溫結構組件相關復雜性。主要優點：成本低、安裝簡單，見圖8。

圖8 新型高溫緊固件系統Fig.8 New type high temperature fastener system

4.3 智能化緊固件[10]

目前主要是單面自動化組裝系統。在2017年巴黎航空展上，OPTIBLINDTM緊固件亮相，該系統專為自動化裝配過程而設計，稱為“單側”組裝系統，機器人僅在結構外部進行操作。這種新型緊固件可滿足飛機制造商降成本和提高生產率的要求。OPTIBLINDTM緊固件保證了與當前“雙通道”緊固件相同的性能。主要優點：自動或手動安裝、取代“雙通道”緊固件、 綜合控制系統，見圖9。

圖9 智能化緊固件Fig.9 Intelligent fastener

5 國內航空航天緊固件發展現狀

經過多年的發展，我國航空航天緊固件在選材、種類、產品型譜等方面有了很大的進步，主要分類及特點如下：

5.1 航天緊固件

(1)衛星、飛船用緊固件

航天衛星、飛船用緊固件主要應用于航天器中的結構系統、熱控系統、軌道控制系統、數據管理系統、無線電測控系統等方面。

主要材料：Ti-3.5Al-10Mo-8V-1Fe(TB3)、1Cr18Ni9Ti等；

產品強度：800MPa-1100MPa，A2-70，A2-50；

產品種類：螺栓、螺母、鉚釘等產品；

產品特點：具備高強、高韌、高可靠性等特點。

(2)火箭、導彈用緊固件

主要應用于火箭、導彈等飛行器中各種靜止件和轉動件等方面。

主要材料：Ti-6Al-4V、GH4169、GH2132等；

產品強度：900MPa-1100MPa，1100MPa-1300MPa，1300MPa-1500MPa；

產品種類：螺栓、螺母、鉚釘等產品；

產品特點：具備高強、高韌、高可靠性、耐高溫等特點。

(3)航天發動機用緊固件

主要應用于火箭、導彈等飛行器固體/液體發動機中各種連接件等方面。

主要材料： GH4169、GH2132、PH13-8Mo、30CrMnSiNi2A等；

產品強度：900MPa-1100MPa，1100MPa-1300MPa，1300MPa-1500MPa；

產品種類：螺栓、螺母、鉚釘等產品；

產品特點：具備高強、高韌、高可靠性、耐高溫等特點。

5.2 航空緊固件

(1)軍/民機用緊固件

航空緊固件主要用在軍民用航空飛機的艙段、襟翼、桁架等重要結構連接。

主要材料：Ti-6Al-4V、GH4169、GH2132、TB8、TC16等；

產品強度：900MPa-1100MPa，1100MPa-1300MPa，1300MPa-1500MPa；

產品種類：螺栓、螺母、高鎖螺栓及螺母、鉚釘等產品；

產品特點：具備高強、高韌、高可靠性、耐高溫等特點。

(2)航空發動機用緊固件

主要用在軍民用航空飛機發動機中連接件、轉動部位等重要結構連接。

主要材料：GH4169、GH2132、GH738、GH159、1Cr11Ni2W2MoV等；

產品強度：900MPa-1100MPa，1100MPa-1300MPa，1300MPa-1500MPa，1500MPa-1700MPa；

產品種類：螺栓、螺母及自鎖螺母、鉚釘等產品；

產品特點：具備高強、高韌、高可靠性、耐高溫等特點。

(3)其他緊固件

航空航天用鉚釘、墊圈等緊固件，主要用于航空航天器等設備、機體的緊固。

主要材料：TA1、TB2、TB3、鋁等；

產品強度：800 MPa-1100 MPa；

產品種類：鉚釘、墊圈等產品；

產品特點：具備高強、高韌、高可靠性等特點。

6 國內航空航天緊固件企業的發展方向預測

近年來，隨著我國航空航天產業的不斷發展，國內航空航天緊固件生產廠家在新產品研發、市場準入、質量控制等方面取得了很大的進步。但與國際一流的航空航天緊固件生產制造商相比，還存在很大的差距。東方藍天鈦金科技有限公司作為中國航天科技集團旗下唯一一家為航空、航天高端裝備開展高性能緊固件及結構件配套的專業性、高科技企業，致力于國產高端緊固件的設計、研發及生產，具備向航空、航天主機廠供貨資格。產品材料覆蓋鈦合金、高溫合金、不銹鋼、鋁合金等多種材料，已在探月工程、載人航天工程、高分辨率對地觀測等多個航天重大工程上得到應用，航天市場占有率達80%；并為國內民用飛機C919大飛機、新舟700、水上飛機AG600等航空產品提供配套。結合業內多年對外交流及研發生產經驗，未來國產航空航天緊固件新產品發展趨勢主要有以下幾方面:

6.1 新型復合材料的使用

復合材料緊固件具有耐腐蝕性優良、強度高的特點。未來，更多復合材料新型緊固件將得到進一步應用，比如襯套螺栓、黏接式托板螺母、雙面埋頭鈦鈮鉚釘等將采用新型碳纖維材料。以襯套螺栓為例，復合材料襯套螺栓能夠滿足復材翼盒的密封及閃電防護要求，同時能提高混合連接的疲勞性能。

6.2 智能化技術的發展及推廣

智能化技術發展更快，將得到更多應用推廣，尤其是滿足自動化裝配要求的緊固件，比如可自動裝配的鉚釘、單面螺紋緊固件、鈦合金大底腳抽芯鉚釘等，能提高裝配質量，同時提升緊固件的安裝效率；另一方面也能更好地滿足航空航天制造商節約人工成本及工時的要求。

6.3 輕量化的設計方案

輕量化設計繼續“減負”，通過改變或優化緊固件的結構外形、原材料等，使緊固件在確保各項性能前提下更加輕盈，為航空航天企業用戶帶來增值減重效益，如使用非金屬緊固件、塑料支架托板螺母等，均是輕量化的應用解決方案。

7 結論

依托我國航空航天產業大發展背景，我國航空航天緊固件行業取得了長足的發展，但是由于航空航天市場存在保護主義壁壘及我國工業化起步晚起點低等先天因素的影響，我國航空航天高端緊固件仍有很大發展空間，高端緊固件加快國產化、替代進口的形勢依然嚴峻。我國要實現從“航天大國”向“航天強國”的實質性轉變，為高端主機及總體單位服務的核心基礎配套性產業需要更高質量地為行業服務。國內航空航天緊固件企業需進一步圍繞高端緊固件產品升級換代

需求，實現上下游產業鏈整合，加強國際交流及合作，通過多品種、大批量、專業化、智能化、數字化生產，打造核心競爭力，腳踏實地支持民族工業，推動我國高端裝配制造業創新發展。