山東省航空鋁合金的產業瓶頸分析與對策建議

李秀艷 劉建華 杜洪臣 邢仁衛 潘榮凱

山東省航空鋁合金的產業瓶頸分析與對策建議

李秀艷 劉建華 杜洪臣 邢仁衛 潘榮凱

（濰坊科技學院化工與環境學院，山東 濰坊 262700）

文章綜合分析了航空鋁合金材料的應用現狀。針對航空鋁合金材料產業當中遇到的科學技術問題和創新體制機制問題，分別從生產實際和科技管理角度提出了以下對策和建議：首先，要突破核心科學問題，把基礎理論研究和基礎應用研究做扎實，促進航空鋁合金材料的原始創新。其次，還應結合國家出臺的新材料產業戰略發展規劃，積極開展產學研合作，實現科研成果在產業化方面的突破，形成科研與生產的良性循環。

航空鋁合金；基礎研究；協同創新

引言

航空工業是一個國家科技水平、國防實力和國計民生的綜合體現，伴隨著嫦娥探月工程、北斗衛星導航系統、C919大飛機的成功研制等航空航天領域的壯舉，標志著我國已經邁入航空大國的行列，同時也對航空材料以及制造業提出了更高的要求。與鈦合金和復合材料相比，鋁合金具有質輕、比強度高、抗氧化、耐腐蝕等優異的性能，加之易于加工設計、成熟的制造工藝和檢測技術等特點，使其成為當下乃至未來一段時間航空航天結構的首選材料[1]。然而傳統鋁合金材料總體強度不高且不耐高溫，不能滿足航空服役環境對材料愈加苛刻的要求，隨著復合材料等新材料的不斷涌現，傳統鋁合金材料面臨巨大的挑戰，開發新一代高性能航空鋁合金材料已逐漸成為國內外競相研究的熱點。

1　國內航空鋁合金的發展現狀

目前，國內航空鋁合金材料主要涉及2xxx系（Al-Cu系）、7xxx系（Al-Zn-Mg-Cu系）和Al-Li合金三大系列變形鋁合金。2xxx系列合金主要應用于要求高損傷容限和斷裂韌性的航空航天部件。如AA2024-T3具有優良的損傷容限性能，曾是機身結構中最常用的鋁合金材料之一，但其有限的屈服強度（345 MPa）和斷裂韌性（37 MPa·m1/2）限制其應用。通過減少雜質，特別是鐵和硅，可以獲得更高的斷裂韌性值和更好的抗疲勞裂紋擴展能力。在此基礎上研發的AA2524-T3，抗疲勞裂紋擴展能力達到2024-T3的2倍，其斷裂韌性提高15%～20%，并且減重30%～40%。目前，2524鋁合金已經取代2024鋁合金應用在波音777飛機的機身外殼。通過對成分控制和加工工藝的改進，國外已經開發出AA2224、AA2324和AA2026等高耐損傷合金，分別應用在不同強度、斷裂韌性和耐腐蝕性的飛機下翼表面[2,3]。國內對上述牌號的鋁合金進行了預研，但尚未達到工程化應用的水平。

7xxx系列合金廣泛應用于要求高強度的航空航天部件，包括上翼皮、水平和垂直穩定翼和翼桁。AA7075-T6由于其相對較高的比強度（204 kN·m/kg）和較低的價格，自20世紀40年代以來一直被用作機身材料。然而，這種合金不耐腐蝕嚴重降低了機體部件的壽命，導致其在許多應用中被新型的AA7xxx系列合金所取代[4]。例如，AA7475具有較高的屈服強度（490 MPa）以及較好的耐蝕性和斷裂韌性（33 MPa·m1/2），是AA7075的理想替代品；另一種高性能合金AA7050作為厚板的形式用于機身框架和艙壁（最佳厚度為76 mm～152 mm），板材材料用于制造機翼蒙皮；AA7055-T7751的屈服應力可達620 MPa，具有較高的斷裂韌性和耐蝕性，這種合金已應用于波音777的零部件，可使飛機減重635 kg。目前，我國航空用7xxx系列鋁合金缺乏系統的合金設計、制備和加工工藝，部分產品存在缺陷仍然依賴進口。主要原因是由于7xxx系列鋁合金大型鑄錠有許多合金元素，寬凝固間隔時間長，鑄造應力大，合金元素易氧化/偏析，鑄錠的冶金質量較差，室溫成形性較低[5]。

鋁鋰合金是近年來發展最為迅速的輕型航空材料之一，具有密度低、彈性模量高、比剛度高、疲勞性能好，耐腐蝕等特點，與2xxx和7xxx航空鋁合金性比，鋁鋰合金可以減少重量增加10%～20%，剛度增加15%～20%[6,7]。美國鋁業公司在21世紀初啟動了“美國鋁業航空20/20計劃”。目標是降低飛機成本并在20年內將航空鋁合金的重量提高20%。目前已經開發出2050和2198 Al-Li合金（Al-Cu-Li-Mg-Ag）具有低密度、高韌性和高損傷容限，已成功應用在C919客機上，且主要美國鋁業供貨。相比之下，我國自主開發的鋁鋰合金牌號略顯單薄，目前僅AA1420牌號的鋁鋰合金應用在了C919客機上，其它牌號如2195、2197和2A97尚未應用到工業化生產。

雖然我國在航空鋁合金材料方面取得了顯著的發展，但從產業規模和技術水平來看，我國現代工業體系的建設起步較晚，基礎薄弱，一些關鍵基礎材料、核心組件仍然依賴于進口。隨著航空航天事業的大發展，可以預見未來一段時間內我國對航空鋁合金材料的數量和類型的需求將繼續增加。

2　存在的問題

伴隨國產大飛機C919的首飛成功，未來市場對高性能鋁材的需求十分巨大，國家對高性能鋁材的需求十分迫切，高端航空鋁合金材料研發和規模化產業鏈迎來了前所未有的大發展機遇。山東是鋁產銷大省，具有得天獨厚的地域優勢、工業基礎和產業鏈優勢，氧化鋁、電解鋁產量全國第一，鋁材料產量全國第二。省內擁有包括魏橋、南山、信發等諸多知名大型鋁加工企業，鋁材產業基礎好，產量大，這些為高端航空鋁合金材料的高質量發展奠定了堅實的基礎。目前對高端航空鋁合金材料的研發和關注仍比較匱乏，中高端材料在工業體系中所占比例并不高，原始創新很少，離國家和市場的要求都有較大差距，主要體現在以下幾個方面。

2.1 航空鋁合金基礎研究不足

山東鋁合金材料工業的粗放式發展也是如此一個嚴重的問題。雖然該行業的規模發展迅速，但對其基礎理論研究明顯不足，如微合金化元素對力學性能影響規律、合金強韌化機理等還缺乏相對系統的研究。

2.2 基礎共性關鍵技術和深加工技術研發不足

一些工藝技術（熔體純凈化技術、大規格鑄錠技術和熱處理技術）和成形技術（精密鍛造、高效擠壓、數控軋制、機械加工等）仍不成熟。

2.3 航空鋁合金牌號規格少，產品質量穩定性不高

美國鋁業公司擁有幾千項鋁合金材料的專利，相比之下省內企業的專利鳳毛麟角。此外新型鋁合金的研究儲備不足，產品的迭代經驗少，工程化生產的標準體系不完善，產品的質量不穩定。

2.4 智能化高效精密成形制造技術短缺

企業研發、生產、服務的智能化水平不足，缺乏基于大數據的過程建模與智能控制的數字過程系統。

2.5 相關專業人才儲備不足

缺乏相關專業人才，生產、教育、科研一體化研究薄弱，高校與企業無法發揮協同創新的優勢，產學研融合度有待加強。

3　對策

針對上述山東省航空鋁合金材料的產業瓶頸問題，首先應著眼于提高自主創新能力，把基礎理論研究和基礎應用研究做扎實，突破前沿共性關鍵技術，促進航空鋁合金材料的原始創新，搶占航空鋁合金材料制高點。

3.1 提升新型航空鋁合金材料整體工藝技術水平

（1）針對航空工業領域對于高性能鋁合金材料應用的重大技術需求，以研發新一代高強度、高韌性、高淬透性、耐腐蝕、高抗損傷容限航空鋁合金新材料為目標，系統研究新型鋁合金成分設計、配料、熔化、精煉、變質最佳工藝，調控鋁合金熔體預結晶組織結構，實現鑄態組織微細化、均質化和亞穩化，提升材料力學性能、疲勞性能、抗腐蝕性、焊接性能、服役性能等達到工程化應用質量要求。加快高強鋁合金純凈化冶煉與凝固技術研究，突破超高強高韌7000系鋁合金預拉伸厚板及大規格型材、2000系鋁合金及鋁鋰合金工業化應用瓶頸，提升新型航空鋁合金材料整體工藝技術水平。

3.2 優化航空高性能鋁合金材料構件成形工藝

針對航空高性能鋁合金材料構件成形工藝優化需求，一方面開展新型航空鋁合金的設計與力學性能模擬研究，從原子、電子結構揭示復合微合金化改性的微觀機制，建立多尺度、多層次的高強高韌航空鋁合金微結構設計理論和設計方法。通過相圖計算，研究不同熱力學條件下界面能與析出相結構和取向的相對穩定性之間的關系，建立航空鋁合金不同合金體系析出強化相熱力學模型，構筑各相Gibbs自由能表達式，有效預測析出相晶體結構、相變驅動力、有序轉變等，為材料設計與加工工藝的制訂提供參考依據。另一方面開展熱加工宏微觀模擬仿真技術研究，形成跨尺度航空鍛件近智能自動化熱加工全過程仿真能力，優化成形工藝，實現成形零件尺寸精度與微觀組織性能的精確控制，為關鍵主機裝備提供成形工藝；開展鋁合金材料成形過程工藝可視化技術研究，研究沉浸交互式虛擬設計技術，在各類顯示設備上實現工程數據的可視化應用，開展頭戴式、裸眼、偏振的等多種沉浸式方式下數值模擬結果可視化與交互的研究。

3.3 開展航空鋁合金熱加工工程化應用基礎研究

針對航空鋁合金精密塑性成形技術問題，開展航空鋁合金熱加工工程化應用基礎研究，建立材料基本性能參數與工藝數據庫，開發航空鋁合金關鍵零部件精密模鍛、等溫鍛、精密擠壓、超塑成形、熱沖壓等高精高效成形工藝，開展熱加工過程組織轉變及強化機理研究，優化模具設計，提出尺寸精度與成形缺陷控制方法，研究開發復雜整體零件成形精度分析與預測、缺陷分析及抑制技術，進行中試驗證，建立相關技術標準，保證批量化生產質量。

3.4 解決材料組織與性能檢測分析問題

針對材料組織與性能檢測分析問題，開展航空鋁合金材料微觀組織、機械性能及失效分析測試，對材料服役安全進行評估和壽命預測，建立材料服役安全模型、仿真系統，制定相關標準，解決航空鋁合金材料在工程應用中的服役壽命評價難題，為新型航空鋁合金材料的大規模工程化應用奠定基礎，提供保障。

3.5 促進航空領域中成形制造過程數字化發展

針對航空領域中成形制造過程自動化、數字化、智能化、綠色化發展趨勢，開發滿足航空鋁合金材料毛坯軋制、高效擠壓、精密鍛造、高效焊切、機械加工等自動化生產線、生產單元的成組成線技術，開發成形工藝數據庫、專家管理系統及生產線集中控制系統等，研究在線檢測及反饋技術，多裝備協同控制技術，生產單元/生產線/車間/工廠數字化集成控制技術等，建成航空鋁合金零部件精密加工制造智能制造示范工程，滿足中試驗證、批量產品開發生產要求。開展航空鋁合金材料適用性評價，進行輕量化材料成形與連接工藝標準化、安全可靠性技術研究，制定相關標準技術規范；針對數字化成形設備開發、數字化車間及智能工廠建設，開展網絡化制造集成技術、制造裝備、系統標準化技術研究。

3.6 形成持續的創新能力

此外，為了形成持續創新能力，實現航空鋁合金材料的飛躍發展，還應緊密結合國家出臺的新材料產業戰略發展規劃，積極開展校企合作，加強科研項目的成果化和工程化，加速科研成果的產業對接孵化，實現科研成果在產業化方面的突破，形成科研與生產的良性循環。為了更好的實現產學研合作和協同創新，需要在以下幾個方面進行努力。

3.6.1 建立技術集成創新機制

目前多數產學研合作只針對3年甚至更短時間以內的單一零散的技術問題，缺乏圍繞產業技術重大創新的合作內容，缺乏中長期的合作創新目標。很多合作以學術交流和信息溝通為目標，實質性合作不夠，圍繞產業技術創新關鍵問題建立持續穩定的戰略合作關系就更加不足。針對航空工業領域日益增長的技術創新需求，通過有效整合高校、科研院所、龍頭企業等優勢單位資源，開展面向產業長遠發展的關鍵共性技術創新的跨學科、跨領域、跨行業的產學研深層次合作，高校和科研院所與產業零距離對接，將研究成果轉化為企業所需的產品，實現技術快速轉移，有效縮短研發周期。

3.6.2 人才培養和研發團隊機制創新

充分利用高校、科研院所、龍頭企業優勢資源，積極為青年科技人員創造出國留學、進修和合作研究的機會，通過固定人員流動方式，開展人才培養、專業技術人員培訓、人才交流與合作，為行業發展提供不同層次的人才，滿足產業發展；建立結構合理、人員穩定、培養體系全面的研發團隊體制，實現系統性地解決高端航空鋁合金材料關鍵共性技術問題，同時通過深度融合，實現人才交叉培養，在創新平臺內全方位提升研發人員科研創新能力。

3.6.3 優化組織架構和管理模式

產業技術重大創新投入高、風險大，系統性和復雜性大大增加，要求參與單位之間形成持續穩定的合作關系，而目前的合作組織形式難以適應這一要求。采用產學研用聯合體的組織架構，以網絡化協同研發組織和面向任務的管理模式，構建協同管理體系，具有管控技術的先進性和可操作性特點。面向任務的協同管理可實現平臺研發任務的管理，便于資源和條件的協調解決。

3.6.4 加強知識產權管理

知識產權管理是協同創新中心發展戰略的一個重要組成部分，是創新戰略的基礎和保障。在尊重他人知識產權，保護好自主知識產權原則指導下，采取新產品開發模式與專利保護的三位一體的開發模式，即面向市場需求、采取針對性開發、及時進行成果保護，將知識產權制度有機融入到實驗室研發過程中，貫穿于技術創新全過程：沒有專利申請，新技術的研發就沒有結束，對創新技術進行全方位的法律保護，并通過技術創新創造出新的蛋糕。

3.6.5 實行平臺運行機制創新

逐步建立起“開放、流動、聯合、競爭”的平臺運行模式，在政府指導與引導下，采取市場化運行原則，建立聯合研發協同管理機制。采用分級協同管理方式，解決多主體合作研發的沖突；建立研發資源共享機制，建立科研人員、儀器設備網絡系統，使人員達到合理搭配，儀器設備共用專管和專管專用，實現各類資源共享；建立聯合研發課題負責制，責任明確，統一協調，確保研發質量。

3.6.6 建立平臺成果共享機制

目前共同投入、成果分享、風險分擔的機制不健全。因投入不到位而使合作難以為繼的情況時有發生。對知識產權、成果轉化收益等合作成果的分享缺乏明確可操作的約定，對可能存在的技術、市場、管理等風險預先估計不足。針對不同類型知識產權分別建立保護和共享機制，建立平臺成果共享機制，制定產權保護、激勵等指導文件，明確成果權益和共享方式。

4　結束語

綜上所述，高端航空鋁合金材料的研發與工程化應用屬于新材料產業，是戰略性、基礎性產業，符合國家、山東省戰略性新興產業發展規劃要求，是新舊動能轉換中的新動能。本文分析了航空鋁合金材料產業當中的基礎科學技術問題和創新體制機制問題，分別從生產實際和科技管理角度提出以下建議：一方面必須要突破核心科學問題，把基礎理論研究和基礎應用研究做扎實。另一方面，還應結合國家出臺的新材料產業戰略發展規劃，抓住山東省新舊動能轉換的歷史性機遇，充分發揮山東省鋁行業區域產業鏈優勢，積極開展產學研合作，強化機制體制創新，全面提升原始創新能力。

[1] 戴圣龍，楊守杰，黃敏，等. 先進航空鋁合金材料與應用[M]. 北京: 國防工業出版社，2012.

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[4] Zhou B, Liu B, Zhang S. The advancement of 7xxx series aluminum alloys for aircraft structures: a review[J]. Metals, 2021, 11, 718.

[5] 張兵，疏達. 上海交大舉辦鋁合金基礎科學問題戰略研討會[EB/OL]. http://sjtu.cuepa.cn/show_more.php doc_ id=1305814，2015-09-12.

[6] 熊柏青. 第4章國產大飛機用鋁合金材料[C]. 中國新材料產業發展報告(2019)中國材料研究學會專題資料匯編，2010.

[7] 王建國，王祝堂. 航空航天變形鋁合金的進展[J]. 輕合金加工技術，2013，41(8): 1-6，32.

Analysis and Countermeasures on the Industry Bottleneck of Aviation Aluminum Alloy in Shandong Provincea

This paper comprehensively analyzes the application status of aviation aluminum alloy materials. In view of the problems of science and technology and innovation system and mechanism in aviation aluminum alloy industry, the following countermeasures and suggestions are put forward from the perspective of production practice and science and technology management: Firstly, the core scientific problems should be broken through, the basic theoretical research and basic application research should be solid, and the original innovation of aviation aluminum alloy should be promoted. Secondly, we should combine with the strategic development plan of new materials industry issued by the state to actively carry out industry-university-research cooperation, achieve breakthroughs in the industrialization of scientific research achievements, and form a virtuous cycle of scientific research and production.

aviation aluminum alloy; basic research; synergistic innovation

TG146;V25

A

1008-1151(2022)06-0183-04

2022-03-02

山東省重點研發計劃（軟科學項目）（2020RKA07060）；濰坊市科學技術發展計劃項目（2021GX047）；教育部產學合作協同育人項目（202101102016）。

李秀艷（1985－），女，濰坊科技學院化工與環境學院講師，研究方向為材料化學。

潘榮凱（1987－），男，山東濟南人，濰坊科技學院化工與環境學院副教授，研究方向為材料物理化學。