大飛機攪動航空材料市場萬億藍海

劉怡君

一代材料，一代飛機。從世界商用飛機發展的歷史來看，材料技術的進步對于飛機整體性能的提升有著至關重要的作用。

40多年前，鋁合金材料在飛機上占絕對主導地位，當時這種材料被認為是同時兼具輕量化和經濟性的先進材料。然而，如今最先進的商用飛機上鋁合金材料的使用率僅為20%，取而代之的是更加先進的其他金屬材料和復合材料，甚至一些過去被認為不切實際的新型材料也已經開始在新一代商用飛機上逐漸使用。航空材料當仁不讓地成為了商用航空市場的又一片藍海。

萬億藍海待角逐

2018年2月，航空航天防務新聞網發布了名為《2022年前航空航天材料市場的全球預測》的市場研究報告。報告顯示，預計到2022年，全球航空航天材料市場將達到258億美元，2017年至2022年的年復合增長率為6.9%。

細分到航空市場，由于全球航空運輸業的快速發展，行業對于材料的需求也將水漲船高。其中，亞太、北美和歐洲地區對航空材料的增長最快。

具體來說，復合材料將有望繼鋁合金材料后，成為使用最廣泛的航空材料。復合材料是由兩種或多種不同的材料結合在一起，融合每種組分材料的優異性能而形成的。其中一種組分是基體材料，通常為樹脂或陶瓷，另一種組分是增強材料，通常為纖維。由于具備雙重性能，因此復合材料在減輕重量、提高燃油效率的同時，更容易加工、設計、成型和修復。曾經被當作是輕型結構件或機艙組件材料的復合材料，現在已經開始應用于真正的功能部件，如機翼和機身蒙皮、發動機和起落架部件等。

此外，復合材料還可以很方便地加工成形狀復雜的零部件。如果采用金屬材料，可能會需要機加工，并用到一定的連接件。預成型的復合材料部件不僅重量輕、強度高，還減少了飛機內部的緊固件和連接件數量，而這些部件的連接處往往也是容易失效的部位。使用復合材料則避免了上述問題，并可以幫助制造商在可能的情況下，盡量采用一體化部件設計。

報告同時指出，公務機市場與民航運輸市場將共同驅動航空材料市場的增長。這主要是因為亞太、中東等地區高資產凈值人數的增加對公務機或包機出行的需求增長。根據霍尼韋爾和龐巴迪的市場預測，到2024年，全球范圍內預計將會增加9300架公務機，總價值近2700億美元。因此，公務機交付數量的增加也將進一步推動航空材料市場需求的增長。

從區域來看，亞太地區將是航空航天材料市場增長最快的區域。預計在未來幾年內，該地區將引領整個行業的發展。其中，中國、日本和印度將會在航空航天領域持續布局，相應地，對材料的需求也會更多。目前，日本和印度正分別以原材料獲取的便利性和低廉的勞動力成本，吸引大批投資者建設生產設施。

此外，未來幾年亞太地區對新飛機的需求也將不斷增長，很多航空航天材料供應商將積極采用各種策略來提供更好的服務，如新產品研發、企業并購、建立合資企業和進行戰略合作等，以增加其市場份額。

傳統“五朵金花”

航空結構材料通常處于材料領域的最前沿，研發技術難度之大使其無愧于材料世界的“天之驕子”。目前，鈦合金、復合材料、高溫合金、鋁合金和鋼是商用飛機制造中的“五朵金花”。

其中，鈦合金是飛機重要的結構材料，主要用于航空發動機葉片、葉盤、飛機起落架、機翼梁等重要承力構件。在波音707飛機中，鈦合金的用量只有0.2%，而到了波音787項目，鈦合金在機體的用量達到15%，創下了商用飛機機體鈦合金用量的最高紀錄。在我國研制的商用飛機中，ARJ21新支線客機的鈦合金用量是4.8%，到了C919大型客機項目，鈦合金的用量達到了8%左右，與波音777和空客A380的鈦合金用量相當。

20世紀60年代末，高性能碳纖維作為增強纖維實現了初步的商業化應用，于是以連續碳纖維增強的高性能樹脂基復合材料應運而生。復合材料在商用航空領域的應用，空客A380和波音787是兩個具有里程碑意義的產品。在空客A380飛機上，高性能復合材料用量達到了飛機結構用量的25%，而波音787則整體機身段都采用了復合材料，從而減少了1500個零件和近5萬個連接件，在顯著減輕結構重量的同時，大幅降低了制造、裝配、運營和維護成本。在我國，隨著商用飛機項目的陸續啟動，復合材料在新機型上的使用率也在逐步提高。在ARJ21新支線飛機上，復合材料的用量僅為1%，但C919大型客機的復合材料用量為12%。此外，正在研制中的長江1000渦扇發動機也將采用先進的復合材料。

高溫合金是為了滿足航空發動機對材料的嚴苛要求而研制的材料，如今已成為航空發動機熱端部件不可替代的一類關鍵材料。在新一代商用航空發動機中，高溫合金材料的用量達到40%～60%，主要用于燃燒室、導向葉片、渦輪葉片和渦輪盤這四大熱端零部件。

盡管鋁合金在商用飛機上的用量較幾十年前大幅降低，但是鋁鋰合金的發展再次提高了鋁合金的競爭力。例如，在空客A380的研制中，7085合金的問世為特大鍛件的應用開辟了新路徑。在此之前，由于高強度鋁合金鍛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。為了能夠獲得厚度更大的高強鋁合金鍛件或厚板，美國Alcoa公司研制了7085鋁合金，這種材料由于淬透性和熔鑄性好，最大厚度可達到250毫米。經過充分驗證后，使用7085合金制成的特大梁模鍛件成功應用于A380飛機。

盡管如今新材料層出不窮，但是鋼是飛機制造中不可或缺的材料。近年來，超高強度鋼300M、Aermet100、S50的先后問世，使鋼的競爭力也在不斷加強。737-300之后推出的所有波音飛機的起落架都選用了300M鋼，而我國自主研制的C919大型客機的起落架活塞桿等關鍵零部件也選用了300M鋼。

新的“四小花旦”

在新一代復合材料中，碳纖維、陶瓷基復合材料和樹脂基復合材料是研發的重點。其中，美國航空航天局（NASA）在“革命性航空概念”項目的支持下，正在研究陶瓷基復合材料和防護涂層，以替代目前在航空發動機中應用的鎳基高溫合金。此外，日本三菱重工與宇部興產株式會社、標盾公司等，也已開始試制陶瓷基復合材料高壓渦輪葉片。

在高性能金屬結構材料中，輕質耐高溫金屬和金屬納米復合材料是發展重點。其中，計算材料技術將在發動機輕質合金材料部件優化中發揮重要作用。美國輕質材料制造創新研究所啟動了一個鈦合金和鋁鋰合金項目，旨在通過改進計算模型，更好地預測發動機材料的性能。其中的鈦合金項目由通用電氣航空集團和俄亥俄州立大學牽頭，鋁鋰合金項目由聯合技術研究中心牽頭。

特種功能材料的研發也在不斷突破極限。其中，高溫陶瓷和超高溫陶瓷材料的耐熱能力不斷打破紀錄。例如，俄羅斯研制的一種基于碳化硅和二硼化鋯的陶瓷混合物構成的多層陶瓷結構材料，預計最高能承受3000℃的極端溫度的考驗，可用于提高噴氣發動機燃燒室的溫度。英國研制的碳化鉭和碳化鉿材料組成的化合物熔點可達到3905℃，未來或可為下一代超聲速飛行器提供熱防護板。

最后一種是電子信息功能材料，雖然目前這種材料在航天領域的應用更多，但是業界正在研究如何借鑒已有經驗，將這種新型材料更多地應用于航空領域。日本作為航空材料的研發強國，已經研究出一種透明強磁性納米顆粒薄膜材料，這種材料由納米級磁性金屬顆粒鐵鈷合金和絕緣物質氟化鋁混合制成，未來有望用于制造航空器風擋玻璃等設備。這種玻璃可以直接顯示油量、地圖等信息，為包括電、磁及光學設備在內的產業帶來革命性的技術突破。

大飛機的拉動

C919大型客機成功首飛以來，各地對航空產業的熱情一路高漲，航空材料業也迎來了新的發展機遇。

與飛機制造業類似，我國航空材料業的發展也經歷了引進、仿制、改進、改型和自行研制的發展歷程。總體上看，我國目前已定型生產的航空材料（含類別、牌號、品種與規格）及其相應的標準與規范，基本上能滿足第二代航空產品批生產的需求。針對第三代航空產品所需要的關鍵材料，如熱強鈦合金、高強鋁合金、超高強度結構鋼不銹鋼、樹脂基復合材料、單晶與粉末高溫合金等，從技術上看，已具備試用條件，但要轉化為在特定工況下使用的零部件，并體現出第三代航空產品的總體效能還需做大量的工作。

隨著C919大型客機、長江1000商用發動機項目的啟動，近年來我國材料技術的發展也取得了顯著進步。在C919項目帶動和牽引下，我國啟動了“國家973計劃”——航空高性能鋁合金材料基礎研究。該項目致力于通過尋求新的鋁合金設計與制備途徑，解決高綜合性能鋁材發展的基礎科技難題，滿足C919大型客機研制的需要。

這項計劃的參與者之一中國鋁業既是C919大型客機主制造商中國商飛公司的股東，也是我國最大的鋁材生產商。近年來，中國鋁業旗下的西南鋁業投資20億元建設了為C919大型客機配套的鋁合金厚板生產線，用于批量生產機翼、尾翼和壁板。這條生產線建成后，西南鋁業突破了多項關鍵技術，使我國成為繼美、日、德、俄之后又一個能夠規模化生產鋁合金厚板的國家。

在鈦合金研制領域，同樣是中國商飛公司股東之一的寶鋼股份為了C919項目的順利推進，進行了大量的投資和研發工作。寶鋼以飛機起落架用材料作為重點研發方向，圍繞C919項目進行了超純凈化冶煉工藝研究、大錠型自耗重熔工藝研究、大尺寸材均質化工藝研究等。通過科研人員的不懈努力，如今寶鋼已經成功研制出TC4、TC18、TA15等牌號的大型鈦合金棒材和等溫鍛件，并進入產業化生產研究階段。

在復合材料領域，我國也在C919項目的帶動下取得了令人矚目的成就。中航工業哈飛作為C919大型客機機體結構的主要供應商之一，為滿足C919前起落架艙門的制造要求，在產品制造工藝上取得了重大突破。在研制過程中，項目團隊通過多次工藝試驗和技術攻關，在制造工藝上突破了超厚度（54mm）紙蜂窩預成型技術、數控加工技術、泡沫和蜂窩拼接技術。此外，哈飛還與國外先進企業通過聯合研發的方式，在大尺寸復合材料結構件和垂直尾翼部件生產中，采用自動鋪帶、熱隔膜成型、數字化裝配生產線等國際先進技術，使我國復合材料部件的生產水平跨上了新臺階。

在看到成績的同時，我們也要面對這樣一個現實：我國航空材料基礎研究才剛剛起步，與先進國家相比還存在很大的差距。而除了民用飛機用的材料之外，我國在民用航空發動機用材料方面需要補的課更多。與國外相比，我國現有發動機產品系列不全，適航取證經驗缺乏，大涵道比渦扇發動機研發剛剛起步，長壽命、高可靠性發動機材料和制造技術工程化應用研究還是空白。因此，中國航空材料的發展之路依舊任重道遠。