山东省航空铝合金的产业瓶颈分析与对策建议

李秀艳 刘建华 杜洪臣 邢仁卫 潘荣凯

山东省航空铝合金的产业瓶颈分析与对策建议

李秀艳 刘建华 杜洪臣 邢仁卫 潘荣凯

（潍坊科技学院化工与环境学院，山东 潍坊 262700）

文章综合分析了航空铝合金材料的应用现状。针对航空铝合金材料产业当中遇到的科学技术问题和创新体制机制问题，分别从生产实际和科技管理角度提出了以下对策和建议：首先，要突破核心科学问题，把基础理论研究和基础应用研究做扎实，促进航空铝合金材料的原始创新。其次，还应结合国家出台的新材料产业战略发展规划，积极开展产学研合作，实现科研成果在产业化方面的突破，形成科研与生产的良性循环。

航空铝合金；基础研究；协同创新

引言

航空工业是一个国家科技水平、国防实力和国计民生的综合体现，伴随着嫦娥探月工程、北斗卫星导航系统、C919大飞机的成功研制等航空航天领域的壮举，标志着我国已经迈入航空大国的行列，同时也对航空材料以及制造业提出了更高的要求。与钛合金和复合材料相比，铝合金具有质轻、比强度高、抗氧化、耐腐蚀等优异的性能，加之易于加工设计、成熟的制造工艺和检测技术等特点，使其成为当下乃至未来一段时间航空航天结构的首选材料[1]。然而传统铝合金材料总体强度不高且不耐高温，不能满足航空服役环境对材料愈加苛刻的要求，随着复合材料等新材料的不断涌现，传统铝合金材料面临巨大的挑战，开发新一代高性能航空铝合金材料已逐渐成为国内外竞相研究的热点。

1　国内航空铝合金的发展现状

目前，国内航空铝合金材料主要涉及2xxx系（Al-Cu系）、7xxx系（Al-Zn-Mg-Cu系）和Al-Li合金三大系列变形铝合金。2xxx系列合金主要应用于要求高损伤容限和断裂韧性的航空航天部件。如AA2024-T3具有优良的损伤容限性能，曾是机身结构中最常用的铝合金材料之一，但其有限的屈服强度（345 MPa）和断裂韧性（37 MPa·m1/2）限制其应用。通过减少杂质，特别是铁和硅，可以获得更高的断裂韧性值和更好的抗疲劳裂纹扩展能力。在此基础上研发的AA2524-T3，抗疲劳裂纹扩展能力达到2024-T3的2倍，其断裂韧性提高15%～20%，并且减重30%～40%。目前，2524铝合金已经取代2024铝合金应用在波音777飞机的机身外壳。通过对成分控制和加工工艺的改进，国外已经开发出AA2224、AA2324和AA2026等高耐损伤合金，分别应用在不同强度、断裂韧性和耐腐蚀性的飞机下翼表面[2,3]。国内对上述牌号的铝合金进行了预研，但尚未达到工程化应用的水平。

7xxx系列合金广泛应用于要求高强度的航空航天部件，包括上翼皮、水平和垂直稳定翼和翼桁。AA7075-T6由于其相对较高的比强度（204 kN·m/kg）和较低的价格，自20世纪40年代以来一直被用作机身材料。然而，这种合金不耐腐蚀严重降低了机体部件的寿命，导致其在许多应用中被新型的AA7xxx系列合金所取代[4]。例如，AA7475具有较高的屈服强度（490 MPa）以及较好的耐蚀性和断裂韧性（33 MPa·m1/2），是AA7075的理想替代品；另一种高性能合金AA7050作为厚板的形式用于机身框架和舱壁（最佳厚度为76 mm～152 mm），板材材料用于制造机翼蒙皮；AA7055-T7751的屈服应力可达620 MPa，具有较高的断裂韧性和耐蚀性，这种合金已应用于波音777的零部件，可使飞机减重635 kg。目前，我国航空用7xxx系列铝合金缺乏系统的合金设计、制备和加工工艺，部分产品存在缺陷仍然依赖进口。主要原因是由于7xxx系列铝合金大型铸锭有许多合金元素，宽凝固间隔时间长，铸造应力大，合金元素易氧化/偏析，铸锭的冶金质量较差，室温成形性较低[5]。

铝锂合金是近年来发展最为迅速的轻型航空材料之一，具有密度低、弹性模量高、比刚度高、疲劳性能好，耐腐蚀等特点，与2xxx和7xxx航空铝合金性比，铝锂合金可以减少重量增加10%～20%，刚度增加15%～20%[6,7]。美国铝业公司在21世纪初启动了“美国铝业航空20/20计划”。目标是降低飞机成本并在20年内将航空铝合金的重量提高20%。目前已经开发出2050和2198 Al-Li合金（Al-Cu-Li-Mg-Ag）具有低密度、高韧性和高损伤容限，已成功应用在C919客机上，且主要美国铝业供货。相比之下，我国自主开发的铝锂合金牌号略显单薄，目前仅AA1420牌号的铝锂合金应用在了C919客机上，其它牌号如2195、2197和2A97尚未应用到工业化生产。

虽然我国在航空铝合金材料方面取得了显著的发展，但从产业规模和技术水平来看，我国现代工业体系的建设起步较晚，基础薄弱，一些关键基础材料、核心组件仍然依赖于进口。随着航空航天事业的大发展，可以预见未来一段时间内我国对航空铝合金材料的数量和类型的需求将继续增加。

2　存在的问题

伴随国产大飞机C919的首飞成功，未来市场对高性能铝材的需求十分巨大，国家对高性能铝材的需求十分迫切，高端航空铝合金材料研发和规模化产业链迎来了前所未有的大发展机遇。山东是铝产销大省，具有得天独厚的地域优势、工业基础和产业链优势，氧化铝、电解铝产量全国第一，铝材料产量全国第二。省内拥有包括魏桥、南山、信发等诸多知名大型铝加工企业，铝材产业基础好，产量大，这些为高端航空铝合金材料的高质量发展奠定了坚实的基础。目前对高端航空铝合金材料的研发和关注仍比较匮乏，中高端材料在工业体系中所占比例并不高，原始创新很少，离国家和市场的要求都有较大差距，主要体现在以下几个方面。

2.1 航空铝合金基础研究不足

山东铝合金材料工业的粗放式发展也是如此一个严重的问题。虽然该行业的规模发展迅速，但对其基础理论研究明显不足，如微合金化元素对力学性能影响规律、合金强韧化机理等还缺乏相对系统的研究。

2.2 基础共性关键技术和深加工技术研发不足

一些工艺技术（熔体纯净化技术、大规格铸锭技术和热处理技术）和成形技术（精密锻造、高效挤压、数控轧制、机械加工等）仍不成熟。

2.3 航空铝合金牌号规格少，产品质量稳定性不高

美国铝业公司拥有几千项铝合金材料的专利，相比之下省内企业的专利凤毛麟角。此外新型铝合金的研究储备不足，产品的迭代经验少，工程化生产的标准体系不完善，产品的质量不稳定。

2.4 智能化高效精密成形制造技术短缺

企业研发、生产、服务的智能化水平不足，缺乏基于大数据的过程建模与智能控制的数字过程系统。

2.5 相关专业人才储备不足

缺乏相关专业人才，生产、教育、科研一体化研究薄弱，高校与企业无法发挥协同创新的优势，产学研融合度有待加强。

3　对策

针对上述山东省航空铝合金材料的产业瓶颈问题，首先应着眼于提高自主创新能力，把基础理论研究和基础应用研究做扎实，突破前沿共性关键技术，促进航空铝合金材料的原始创新，抢占航空铝合金材料制高点。

3.1 提升新型航空铝合金材料整体工艺技术水平

（1）针对航空工业领域对于高性能铝合金材料应用的重大技术需求，以研发新一代高强度、高韧性、高淬透性、耐腐蚀、高抗损伤容限航空铝合金新材料为目标，系统研究新型铝合金成分设计、配料、熔化、精炼、变质最佳工艺，调控铝合金熔体预结晶组织结构，实现铸态组织微细化、均质化和亚稳化，提升材料力学性能、疲劳性能、抗腐蚀性、焊接性能、服役性能等达到工程化应用质量要求。加快高强铝合金纯净化冶炼与凝固技术研究，突破超高强高韧7000系铝合金预拉伸厚板及大规格型材、2000系铝合金及铝锂合金工业化应用瓶颈，提升新型航空铝合金材料整体工艺技术水平。

3.2 优化航空高性能铝合金材料构件成形工艺

针对航空高性能铝合金材料构件成形工艺优化需求，一方面开展新型航空铝合金的设计与力学性能模拟研究，从原子、电子结构揭示复合微合金化改性的微观机制，建立多尺度、多层次的高强高韧航空铝合金微结构设计理论和设计方法。通过相图计算，研究不同热力学条件下界面能与析出相结构和取向的相对稳定性之间的关系，建立航空铝合金不同合金体系析出强化相热力学模型，构筑各相Gibbs自由能表达式，有效预测析出相晶体结构、相变驱动力、有序转变等，为材料设计与加工工艺的制订提供参考依据。另一方面开展热加工宏微观模拟仿真技术研究，形成跨尺度航空锻件近智能自动化热加工全过程仿真能力，优化成形工艺，实现成形零件尺寸精度与微观组织性能的精确控制，为关键主机装备提供成形工艺；开展铝合金材料成形过程工艺可视化技术研究，研究沉浸交互式虚拟设计技术，在各类显示设备上实现工程数据的可视化应用，开展头戴式、裸眼、偏振的等多种沉浸式方式下数值模拟结果可视化与交互的研究。

3.3 开展航空铝合金热加工工程化应用基础研究

针对航空铝合金精密塑性成形技术问题，开展航空铝合金热加工工程化应用基础研究，建立材料基本性能参数与工艺数据库，开发航空铝合金关键零部件精密模锻、等温锻、精密挤压、超塑成形、热冲压等高精高效成形工艺，开展热加工过程组织转变及强化机理研究，优化模具设计，提出尺寸精度与成形缺陷控制方法，研究开发复杂整体零件成形精度分析与预测、缺陷分析及抑制技术，进行中试验证，建立相关技术标准，保证批量化生产质量。

3.4 解决材料组织与性能检测分析问题

针对材料组织与性能检测分析问题，开展航空铝合金材料微观组织、机械性能及失效分析测试，对材料服役安全进行评估和寿命预测，建立材料服役安全模型、仿真系统，制定相关标准，解决航空铝合金材料在工程应用中的服役寿命评价难题，为新型航空铝合金材料的大规模工程化应用奠定基础，提供保障。

3.5 促进航空领域中成形制造过程数字化发展

针对航空领域中成形制造过程自动化、数字化、智能化、绿色化发展趋势，开发满足航空铝合金材料毛坯轧制、高效挤压、精密锻造、高效焊切、机械加工等自动化生产线、生产单元的成组成线技术，开发成形工艺数据库、专家管理系统及生产线集中控制系统等，研究在线检测及反馈技术，多装备协同控制技术，生产单元/生产线/车间/工厂数字化集成控制技术等，建成航空铝合金零部件精密加工制造智能制造示范工程，满足中试验证、批量产品开发生产要求。开展航空铝合金材料适用性评价，进行轻量化材料成形与连接工艺标准化、安全可靠性技术研究，制定相关标准技术规范；针对数字化成形设备开发、数字化车间及智能工厂建设，开展网络化制造集成技术、制造装备、系统标准化技术研究。

3.6 形成持续的创新能力

此外，为了形成持续创新能力，实现航空铝合金材料的飞跃发展，还应紧密结合国家出台的新材料产业战略发展规划，积极开展校企合作，加强科研项目的成果化和工程化，加速科研成果的产业对接孵化，实现科研成果在产业化方面的突破，形成科研与生产的良性循环。为了更好的实现产学研合作和协同创新，需要在以下几个方面进行努力。

3.6.1 建立技术集成创新机制

目前多数产学研合作只针对3年甚至更短时间以内的单一零散的技术问题，缺乏围绕产业技术重大创新的合作内容，缺乏中长期的合作创新目标。很多合作以学术交流和信息沟通为目标，实质性合作不够，围绕产业技术创新关键问题建立持续稳定的战略合作关系就更加不足。针对航空工业领域日益增长的技术创新需求，通过有效整合高校、科研院所、龙头企业等优势单位资源，开展面向产业长远发展的关键共性技术创新的跨学科、跨领域、跨行业的产学研深层次合作，高校和科研院所与产业零距离对接，将研究成果转化为企业所需的产品，实现技术快速转移，有效缩短研发周期。

3.6.2 人才培养和研发团队机制创新

充分利用高校、科研院所、龙头企业优势资源，积极为青年科技人员创造出国留学、进修和合作研究的机会，通过固定人员流动方式，开展人才培养、专业技术人员培训、人才交流与合作，为行业发展提供不同层次的人才，满足产业发展；建立结构合理、人员稳定、培养体系全面的研发团队体制，实现系统性地解决高端航空铝合金材料关键共性技术问题，同时通过深度融合，实现人才交叉培养，在创新平台内全方位提升研发人员科研创新能力。

3.6.3 优化组织架构和管理模式

产业技术重大创新投入高、风险大，系统性和复杂性大大增加，要求参与单位之间形成持续稳定的合作关系，而目前的合作组织形式难以适应这一要求。采用产学研用联合体的组织架构，以网络化协同研发组织和面向任务的管理模式，构建协同管理体系，具有管控技术的先进性和可操作性特点。面向任务的协同管理可实现平台研发任务的管理，便于资源和条件的协调解决。

3.6.4 加强知识产权管理

知识产权管理是协同创新中心发展战略的一个重要组成部分，是创新战略的基础和保障。在尊重他人知识产权，保护好自主知识产权原则指导下，采取新产品开发模式与专利保护的三位一体的开发模式，即面向市场需求、采取针对性开发、及时进行成果保护，将知识产权制度有机融入到实验室研发过程中，贯穿于技术创新全过程：没有专利申请，新技术的研发就没有结束，对创新技术进行全方位的法律保护，并通过技术创新创造出新的蛋糕。

3.6.5 实行平台运行机制创新

逐步建立起“开放、流动、联合、竞争”的平台运行模式，在政府指导与引导下，采取市场化运行原则，建立联合研发协同管理机制。采用分级协同管理方式，解决多主体合作研发的冲突；建立研发资源共享机制，建立科研人员、仪器设备网络系统，使人员达到合理搭配，仪器设备共用专管和专管专用，实现各类资源共享；建立联合研发课题负责制，责任明确，统一协调，确保研发质量。

3.6.6 建立平台成果共享机制

目前共同投入、成果分享、风险分担的机制不健全。因投入不到位而使合作难以为继的情况时有发生。对知识产权、成果转化收益等合作成果的分享缺乏明确可操作的约定，对可能存在的技术、市场、管理等风险预先估计不足。针对不同类型知识产权分别建立保护和共享机制，建立平台成果共享机制，制定产权保护、激励等指导文件，明确成果权益和共享方式。

4　结束语

综上所述，高端航空铝合金材料的研发与工程化应用属于新材料产业，是战略性、基础性产业，符合国家、山东省战略性新兴产业发展规划要求，是新旧动能转换中的新动能。本文分析了航空铝合金材料产业当中的基础科学技术问题和创新体制机制问题，分别从生产实际和科技管理角度提出以下建议：一方面必须要突破核心科学问题，把基础理论研究和基础应用研究做扎实。另一方面，还应结合国家出台的新材料产业战略发展规划，抓住山东省新旧动能转换的历史性机遇，充分发挥山东省铝行业区域产业链优势，积极开展产学研合作，强化机制体制创新，全面提升原始创新能力。

[1] 戴圣龙，杨守杰，黄敏，等. 先进航空铝合金材料与应用[M]. 北京: 国防工业出版社，2012.

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[3] EI-Hameed A, Abdel-Aziz Y. Aluminium alloys in space applications: a short report[J]. Journal of Advanced Research in Applied Sciences and Engineering Technology, 2021, 22(1): 1-7.

[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] 张兵，疏达. 上海交大举办铝合金基础科学问题战略研讨会[EB/OL]. http://sjtu.cuepa.cn/show_more.php doc_ id=1305814，2015-09-12.

[6] 熊柏青. 第4章国产大飞机用铝合金材料[C]. 中国新材料产业发展报告(2019)中国材料研究学会专题资料汇编，2010.

[7] 王建国，王祝堂. 航空航天变形铝合金的进展[J]. 轻合金加工技术，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

山东省重点研发计划（软科学项目）（2020RKA07060）；潍坊市科学技术发展计划项目（2021GX047）；教育部产学合作协同育人项目（202101102016）。

李秀艳（1985－），女，潍坊科技学院化工与环境学院讲师，研究方向为材料化学。

潘荣凯（1987－），男，山东济南人，潍坊科技学院化工与环境学院副教授，研究方向为材料物理化学。