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大飞机批量制造将促进民机铝材需求快速增长(三)

王祝堂 

中国宜规划民机铝材发展路线图


  当前制造ARJ21-700支线客机与C919干线大飞机所需的全部铝材都是向国外采购的,原因固然很多,然而即使尽量由国内优先供应,恐怕可供应的比例也不会大于10%。航空工业是一个基础工业,一个强国必须有强大的航空工业,一代材料,一代飞机,强大的航空工业应有强大的材料产业,必须确保材料自给有余。

  中国当前中铝公司的西南铝业(集团)有限责任公司、东北轻合金有限责任公司、西北铝加工分公司,山东南山集团,忠旺集团,南南铝加工有限公司,兖矿轻合金有限公司,齐星铝业有限公司,利源精制有限公司,爱励铝业(镇江)

  有限公司等的装备都是世界一流的,总体上甚至在美国之上,为生产高品质的民机铝材奠定了雄厚的物质基础与技术平台。

  

1. 中国航空航天铝材面临的问题


  在笔者看来,中国航空航天铝材产业面临的主要问题:

  创新力量不够,研发投入有待增加,研发人才有待增强,水平有待提高,距“万众创新”的目标相差甚远,才是万里长征的起步阶段。例如在航空用的铝合金中没有一个中国创造与注册的合金,但在通用工业用的合金中注册了3个:5154C、6043、6027。笔者盼望早日结束模仿跟迹阶段,走上创新坦途。

  还有一定数量的航空铝材不能生产,还有一些虽能生产但量不足,需要进口,或因品质有问题不能也不敢使用。

  紧固件如螺钉、螺帽、铆钉、螺栓等,不但品种多而且数量大,有铝合金的、碳钢的、不锈钢的、高温合金的、钛合金的,仅铝合金铆钉在C919上就用了十几二十万个,可是中国还没有一个专业航空铆钉厂,东北轻合金有限责任公司与中铝西北铝加工分公司虽能生产一些铆钉线材,但品种不全,数量也不足,品质也有待提高,中国航空器用的紧固件全部为美国铝业公司垄断,它在中国苏州市建有两个独资的紧固件厂。

  有些合金板材还不能生产,如7055合金有些规格的大扁锭不能有效地铸造,裂纹废品率大得惊人,到了不能生产的程度,7055是一种较为新型地航空铝合金,是美国铝业公司研发的,1991年在美国铝业协会公司注册,是一种高纯(≤0.10%Si、≤0.15%Fe)的而合金元素(Cu、Mg、Zn、Zr)含量又最高(11.46%~13.55%)的,铸造难度相当大。C919上机翼蒙皮是用7055-T7751合金厚板铣削的,中国还不能生产符合用户要求的高品质板材,但是机翼上长桁为7055-T76511合金挤压材中国可以生产,但生产成本高,以致产品无市场竞争力。

  7050合金是一种Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金,是一种高纯度(≤0.12%Si、0.15%Fe)的合金化元素总含量也高(9.68%~12.25%)的超强硬铝,是C919用的最多的结构合金之一,如前机身货舱门框,机头前压力框加强件,前起落架舱壁板,中机身加强框、龙骨梁缘条、机翼前后梁,主起落架外锁链杆和侧撑杆,前起落架外筒和上撑杆、防扭臂、锁连杆等等,都是用7050合金制造的,这种合金材料虽然能加工,但是成品率约比美国铝业公司相应材料的低约20个百分点,品质也有待全面提高。

  2024合金也是用得多的合金,我们对这种合金的生产技术都已掌握,早在1956年东北轻合金有限责任公司(当时名为哈尔滨铝加工,代号101厂)在苏联专家帮助下就能生产2024-T4合金各种半成品,基本上满足了1970年以前国防军工对这种合金材料的需求。

  C919机头前压力框的加强件、中机身龙骨梁缘头是用7150-T77511合金材料制造的,机翼上蒙皮用材为7055-T7751合金。T77状态为一种三级时效状态,简称RRT处理(retrogression and reageing treatment)。T77处理于1989年注册,经T77工艺处理的7XXX系合金既有高的强度又有优秀的抗应力腐蚀开裂性能,达到了综合性能的完美结合,可是中国对其装备与工业化生产技术还没有完全掌握,仍为美国铝业公司垄断。

  生产成本过高,缺乏市场竞争力

  民用客机对铝材的要求是:使用期限长,高的可靠性,综合性能好,成本合理。当前,中国生产的2XXX系合金和大部分7XXX系合金材料虽然在性能方面可以赶上美国的,但性能的稳定性远不如国外,对飞机的安全造成了一定的隐患。

  飞机用材的价格及零部件的加工费用占其总造价的20%~30%,因此,材料的经济性是飞机制造公司采购材料的重要原则之一。据有关媒体报道,中国当前生产的民机铝材的价格比美国及德国的贵一倍,复合材料价格为国外材料的4倍,钛材比日本及其他国家的贵40%。按国际惯例,大的制造飞机企业用的材料多实行全球招标采购,在同等品质与其他条件相同条件下,你的价格高,哪能中标呢?

  材料性能稳定性、可控性

  中国生产的2XXX系及7XXX系民机合金材料的性能稳定性、可控性远不如国外的,更谈不上可追朔性了。为了推动国产材料的应用,中国商飞公司对铝材生产企业有如下要求:可识别出材料生产过程中全部控制点,并能确定其控制措施;可验证工艺参数“窗口”上下限地合理性;对重要原材料实施延伸的过程控制;生产过程必须有完整的记录;生产记录必须真实可靠。

  

2. 规划2025年以前铝材全部自给发展路线图和时间表


  2015年10月上旬工信部在上海召开了推动航空铝材完全自主供应的会议,这个会开得好,开得及时,工信部表示,将制定《国产航空铝材研发推广计划》,并实施有利于扩大国产民机铝材应用的支持政策,推动国产民机铝材进入全球供应链。为能在此项工作中尽一点微薄的力量,特提出几点不成熟的建议:

  尽快出台可操作性强的民机铝材生产供应路线图与时间表

  在航空铝材生产方面我们有近60年的历史与经验,已成为世界最大铝材生产与消费大国,有世界一流的装备,在大众创业、万众创新的方针指引下,有工信部的统一领导与有关单位,大专院校、科研院所、相关企业的参与下,一定能在2025年以前解决民机制造所需的全部铝材,但是必先规划一个路线图与时间表,各单位与企业在路线图的指引下,各司其职,按期完成所担当的任务。

  先解决有无而后全力以赴降低材料生产成本,提高市场竞争力

  中国当前民机制造所需铝材的70%以上都可以制造,但还有30%不能生产,还有60%左右产量不足或品质不能满足需求。不能生产的有:一部分铝-锂

  合金、大部分7055合金板材、T77状态7XXX系合金板材与挤压材、紧固件、一部分铆钉线材。宜优先解决这些材料的生产问题。

  南山集团可以建成全球最优秀与最大的单一民机铝材生产基地

  山东南山集团的企业全部分布在400km2的范围内,已形成电力-氧化铝生产-原铝提取-铝材加工的完整产业链,为降低制造成本与品质控制创造了有利的条件,这在世界上也是独一无二的,可以生产平轧、挤压与锻压产品,所有装备是全新的、顶尖的。如果再增建一些项目,那就完美了,成为一个一纸订单解决所有航空铝材的企业了,一个铆钉线材生产项目,一个紧固件厂。以后在适当时候再建一个飞机零部件深加工,一个航空废铝回收再生厂。一个这样的航空铝材生产综合性企业,只要管理得当,就是一颗长青的摇钱树,只要善于“摇”(管理与经营),就会总有钱掉下来。

  当下,中国只有东北轻合金有限责任公司与中铝西北铝加工分公司可以生产航空器铆钉线材,单个铆钉的质量很轻、以克计,但一架飞机的用量却不少,有二三十万个或更多,所以再建一个铆钉线材特别铝-锂合金线材企业还是不多的。

  航空航天器紧固件生产企业中国虽有两个,那是外商独资企业,是人家的,一个大国必须有完整的航空材料体系,因此必须建紧固件厂,打破国外垄断,但是可以和美国铝业公司合资,不过我们应当控股与经营管理。

  在今后适当时候可建一个飞机零部件深加工项目与航空材料加工废料回收再生项目,建设这样的项目有着重要的经济效益与社会效益,对建设循环经济与节约资源有着重要意义,建设这样的项目宜与飞机制造厂或零部件生产加工企业合作。飞机零部件的切削加工废料甚大,大得惊人,有的材料利用率只有百分之三四,中国有航空器制造企业为波音公司切削加工过零部件。南山有条件成为世界第二大与效益最佳航空航天铝材生产企业,世界最大单一厂。

  加大研发投入

  航空航天材料生产是一个技术密集型产业,一代材料一代飞机,同事一代新材料的研发需要三五年的时间或更长时间。对研发费要舍得投入,大型综合性企业每年的科技投入最好能达到销售收入的3.5%或更多一些,同时应长期如此。国家与高等院校应多承担基础性研究,研究院所除承担企业委托的项目外,也应做些基础理论研究,企业的研发项目当然以解决生产中出现的工艺问题为主,但应有中长期的新产品研发项目,有适当数量的技术储备。

  再建常规航空材料项目宜谨慎

  当前,常规航空材料生产能力已大大过剩,例如厚板(厚度>6mm)的生产能力足以满足全世界飞机制造业的需求,挤压材与锻件的生产能力更是如此,因此再建企业与项目宜谨慎。截至到2015年年底中国投产的可以航空级板材企业有:东北轻合金有限责任公司,南山轻合金公司,齐星铝业有限公司,南南铝加工有限公司,西南铝业(集团)有限责任公司,它们都有锟底式固溶处理炉、预拉伸机、时效炉、水浸式超声探伤线等;可生产航空级挤压材的主要企业有:东北轻合金有限公司,忠旺集团,南山集团、利源精制有限,兖矿轻合金有限公司,南南铝加工有限公司,中铝西北铝加工分公司等。

  争取尽快成为飞机制造公司的铝材供应商

  现有的航空铝材生产企业应尽快获得有关组织的认证书,成为中国商用飞机有限责任公司、波音飞机公司、空中客车公司、庞巴迪公司、巴西飞机公司的供应商。

  对T77处理装备和工艺可联合攻关

  直到现在我们还没有有效的掌握工业化生产某些C919铝材的工艺与装备,例如7055合金某些规格扁锭的DC铸造、裂纹废品率特高,圆锭铸造不是问题,因为熔体凝固时锭中的应力对称均匀,不易产生裂纹;T77状态(7055-T7751、7150-T77511)材料的商业化生产尚未过关,有工艺方面问题,也有装备方面的问题。如果各个单位都各自进行,可能时间会长一些,资源消耗可能会多些,如果在有关单位或组织协调下联合攻关,肯定会取得更好的效果。

  建立牢固的可追朔性

  可追朔性的建立除满足上述的一些要求外,最好是铝土矿采自固定的矿床,由不变的生产线提取氧化铝,再由固定的电解槽系列生产原铝,再用同一保温炉与铸造线供应的重溶用原铝锭。这样不会混入难以预料的微量杂质元素。高纯2XXX系及7XXX系航空航天铝合金的断裂韧性、疲劳性能与抗应力腐蚀开裂能力对某些杂质含量变动相当敏感。

  C919下线拉动民机铝材持续高速增长

  C919大飞机经过近7年的研发,首架机即适航取证机于2015年11月2日下线,这是中国航空工业发展史上具有里程碑意义的大事,截止到2015年10月底已订出了517架,其中有十余架“外销”。中外用户21家,在中国民航市场打破了波音公司和空客公司的垄断,今后除宽体大飞机外,中国民机市场的单通道干线客机与支线客机将逐渐由C919与ARJ21唱主角,这将拉动中国航空铝材需求的持续上升,据笔者测算,2016年~2020年的复合增长率可达25%,比其他任何产业的铝材需求复合增长率都大。

  另外,据波音飞机公司预测,2014年~2033年全球航空客运量的复合增长率可达4.7%,需新增客货运输机19000架;约有12400架燃油效率低的客货运输机将要退役,由新飞机取代;全球新增客货运输机需求约9300架,按飞机数量计算,占同期新飞机总数的30%,也就是说,此期间全世界需新增客货运输机31000架,其中亚洲的新增量10850架,占35%。

  中国航空工业第一集团公司预测,到2025年国内航空运输飞机拥有量将有3000架,其中大型客机2000架,从而中国成为全世界第二大民机市场,目前中国通用航空发展正处于一个重要布局期和准备期。还有人预测,未来10年中国通用航空市场复合增长率约30%,即有超1万亿元市场,不过,笔者在此需指出的是,由于基数太低与ARJ21、C919所用铝材的国产化率2018年也不过30%,同时国产化率是一个暂进的过程,即便爱励铝业(镇江)有限公司有一些出口,但在2022年进口量还可能大于出口量。由于这些原因,笔者的匡算数据是,2018年中国民机制造对铝材的需求采购(buy)总量25kt,2022年的45kt,2025年的100kt,加上出口的,恐怕也不会超过130kt。但愿笔者的预测过于保守。即便如此,中国铝加业究竟能“抢”到多少订单还是一个未知数,因为大型民机制造业对所需求材料实行的是全球招标采购,同时中国当前航空铝材特别是铝-锂合金材料的价格比国外公司的高得多。

  中国大飞机C919下线了,被拖到了商飞公司机场,将进行地面与滑动试验、检测,2016年首飞,随后进入批量生产阶段,也许到2018年去哈尔滨消暑,去海南岛“猫冬”,去云南旅游,去上海与乌鲁木齐出差坐的就是中国制造的干线大飞机。2030年就可以乘坐完全用国产材料制造的双层双通道宽体大飞机翱翔祖国上空与周游世界,那时你下机时就会深深感觉到作为一个中国人多么自豪,祖国真伟大。(完)

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