航空航天材料及设计_综合分析_市场行情__复合材料信息网

　　在过去的15年里，无论是从商业还是技术的角度来看，航空航天业已经成为了一个关注的焦点。2003年，世界上出现了第一架主要以使用 复合材料为主的飞机，Eurofighter。美国紧随其后推出了可以称为当时世界上最先进的战斗机F-22，它的性能由于使用了先进的材料和制造方法得到了很大的提升。与此同时，商业航空领域也见证了两架具有革命性意义的飞机：波音787和空客A350投入使用。发动机原始设备制造商（OEMs）正在进行制造技术的升级。先进的材料和优化的结构帮助CFM国际公司（CFM International）的LEAP 56发动机和普惠公司（Pratt & Whitney）的齿轮涡轮风扇发动机（GTF）降低了15%的燃油消耗。这些创新的发动机促使波音公司（Boeing）和空客公司（Airbus）搁置了使用薄板窄体机身的计划，而采用了马上更换发动机的解决方案。在未来的10到15年又会发生什么呢? 　　原材料的需求 　　根据CFM国际公司（CFM International）的调查研究显示，2014年用于军用和商用飞机生产、维护、维修和大修（MRO）的原材料总量大约是680,000吨，其中三分之二是由波音和空客使用的。由于在生产的过程中存在一定的低效率问题，估计每生产1磅能够在飞机上使用的最终材料都需要使用大约6磅的材料进行铣削制造，这个现象用行业术语来说就是采购到飞行的比率为6:1。每个预成型的加工制造过程（锻造、铸造、挤出、加工电镀）都会造成大量的材料损失。与 碳纤维 复合材料（CFRP）接近1.5:1的采购到飞行比率相比，大多数合金材料都具有较高的采购到飞行比率。航空业不断地关注闭合恢复程序和近净成形制造工艺。近净成型制造工艺的优势是能够减少对难以加工的超高温合金和钛合金的加工步骤。 　　总的来说，铝是最常使用的材料，占到了工业材料使用率的47%，合金钢以18%位列第二。超高温合金和钛合金所占比例分别为15%和11%。虽然 碳纤维复合材料（CFRP）只占到了总需求量的4%，但是它是增长最快的。根据ICF的预测，碳纤维复合材料（CFRP）的需求量预计每年会增长6.5%，钛合金将增长4.5%，超高温合金将增长2%。铝和合金钢的增长率预计在未来十年将保持平稳。 　　下一代 　　由于碳纤维复合材料（CFRP）的最终机械性能还具有可变性，因此理想的碳纤维复合材料（CFRP）设计还需要进一步地进行优化。下一代航空运输飞机的全新设计可能会将金属（可能是铝-锂合金）机身与碳纤维复合材料（CFRP）机翼、尾翼结合起来。使用碳纤维复合材料（CFRP）——一种相当昂贵的材料——制造机翼的目的在于它在重量、几何结构、涂层和刚度（为了达到更高的高宽比) 等方面都具有性能上的优势。采用碳纤维复合材料（CFRP）结构的一个挑战是损伤的检测和修复——金属机身常常会受到来自扶梯服务车辆的冲撞从而造成损伤。如果不是波音公司的（737 MAX）和空客公司（A320neo）为升级发动机所做出的努力，这些飞机可能要到十年以后才会出现。 　　数据来源ICFI (LHS) 　　下一代的材料包括先进的铝-锂合金以及各种衍生品。包括2000和7000系列热处理铝合金。美国联邦航空管理局（FAA）在过去的十年里认证的合金数量比前五十年加在一起的都多，主要是一些定制的铝合金材料。纤维增强铝还处于调查研究的阶段。研究的重点是非金属包裹的非高压釜热固性复合材料和热塑性挤压制品，比如纵向加强条等。固化复合材料需要使用巨大的高压釜以及高于华氏750°F的温度进行制造。研究人员正在研究碳纳米管薄膜，这种薄膜只需使用常规加工方法总能源消耗的1%就能够产生很高的热能。 　　陶瓷基复合材料（CMCs） 　　用于制造燃气涡轮机的高温部件，陶瓷基复合材料（CMCs）——由碳化硅陶瓷纤维和陶瓷树脂制成——这种材料与超高温合金相比重量只有它的三分之一，却能承受其两倍的强度并且能够提高20%的热容量。较难进行加工和高生产成本是这种材料被广泛应用的主要障碍。 　　在过去的20年里，通用航空公司（GE Aviation）在这项技术上的投资花费了超过10亿美元，其中的1.25亿美元用于建设在北卡罗莱纳州阿什维尔的制造工厂。这种材料将在LEAP发动机第一阶段高压（HP）压缩机覆板上首次投入使用。通用航空公司（GE Aviation）正在HP涡轮机和GE9X的燃烧室上测试陶瓷基复合材料（CMCs）。2015年2月，通用航空公司（GE Aviation）成功地在F414军用发动机上以低压涡轮叶片（LP）的形式测试了陶瓷基复合材料（CMCs）制成的旋转部件。这种材料凭借在ADVENT军用发动机中的优良性能表现帮助该公司创造了压缩机和涡轮最高温度的记录。劳斯莱斯公司（Rolls Royce）目前也在测试陶瓷基复合材料（CMCs）在覆板上的应用，然后是静态的结构，最后是旋转的部件。普惠公司（P&W）将重点研究陶瓷基复合材料（CMCs）在涡轮叶片和燃烧室中的应用。同时，航空航天行业也在考虑陶瓷基复合材料（CMCs）在涡轮圆盘中的应用。 　　钛铝合金（TiAl） 　　钛-铝合金（TiAl）的强度和许多超高温合金相同但是重量却只有它们的一半，但是由于钛-铝合金较低的延展性使其很难进行加工。通用航空公司（GE Aviation）的子公司Avio Aero公司正在评估通过添加制造的方法生产钛铝合金低压涡轮叶片。这种加工过程能够使材料在冷却后形成复杂的内部几何结构，并最大限度地减少材料在加工过程中的损失。劳斯莱斯公司（Rolls Royce）正在为制造他们下一代的Trent发动机对钛铝合金涡轮叶片进行评估。 　　金属粉末 　　粉末冶金技术能够减轻在常规的铸造或锻造过程中所产生的材料内部微观结构不均匀的现象。从历史上来看，在航空航天的应用中，气体雾化粉末曾经用于涂层和等温锻造圆盘上，这项技术是在19世纪80年代研发的。每一家发动机原始设备制造商（OEMs）都有自己的专用粉末。现在的重点是添加制造技术的应用，这种技术主要用于钛和超高温合金的制造，这些材料将用于发动机和飞机的结构之中。新的粉末品种也正在进行研发。制造商们正专注于降低成本和质量控制以实现大批量的生产。 　　商用飞机产量的增长，空中客车公司（Airbus）在阿拉巴马州的移动装配线，给航空材料的需求 带来了压力。（图片来源： Airbus） 　　钛的压力 　　在发动机温度较低的部分，钛合金风机叶片的统治地位也受到了挑战。CFM国际公司（CFM International）和普惠公司（P&W）将分别在他们制造的下一代窄体发动机风扇叶片和风扇箱中使用碳纤维复合材料（CFRP）和铝锂合金。因为CFM的LEAP发动机和普惠的GTF发动机在直径上大了约35%，因此需要使用重量较轻的风扇。劳斯莱斯公司（Rolls Royce）也宣布他们计划为下一代的发动机设计一个碳钛合金复合材料制成的风扇。较轻的质量使得其所需的旋转动能也越少。此外，在发动机叶片上减轻了重量意味着同时为发动机吊架和叶片结构减轻了重量。 　　通常来说，在接下来的十年里不太会再出现重要的新材料开发项目了。行业的主要精力将集中在降低成本（降低采购到飞行的比率），先进的集成加工技术，添加制造技术和自动化等方面。鉴于波音公司和空客公司连续8年的产量积压，他们急切地希望能够提高产量，把关注的重点放在程序执行和成本控制上，这是符合逻辑的。波音787研发制造成本的严重超支以及空客A380项目微薄的盈利使得原始设备制造商（OEMs）仍然非常关注利润的增长。航空业是一个保守的行业。过去的十年是一个例外。原始设备制造商（OEMs）现在虽然能够通过现有的技术盈利——但是常规的供应商和新兴的竞争对手也可以。 更多信息请关注中国复合材料信息网 www.cnfrp.com