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    我國大飛機用超高強度鋼前景可期

    2022-05-19 中國冶金報 14   

      5月14日,中國商飛公司宣布編號為B-001J的C919大飛機從上海浦東機場第4跑道起飛,于當天9時54分安全降落,標志著中國商飛公司首架即將交付首家用戶的C919大飛機首次飛行試驗圓滿完成。消息一經報道便很快登上了熱搜榜。

      那么,作為我國第一款獨立自主研發、具有自主知識產權的民用大型客機——C919大飛機,究竟采用了哪些特種鋼材?國產鋼能支撐起國產大飛機嗎?我國C919大飛機用鋼的需求前景如何?帶著這些問題,《中國冶金報》記者采訪了參與我國大飛機專項研究的中國鋼研科技集團鋼鐵研究總院超高強度鋼領域首席專家王春旭和該院超高強度鋼及高強不銹鋼研究部正高級工程師厲勇。

    C919大飛機起落架用

    超高強度300M鋼有了“中國造”

      C919飛機是中國首款完全按照國際先進適航標準研制的單通道大型干線客機,最大航程超過5500公里,性能與國際新一代的主流單通道客機相當。早在2017年5月份,C919飛機就成功實現首飛,并于2020年12月份進入中國民航局適航審定階段。

      “此首飛非彼首飛?!眳栍抡{侃道。這次首飛成功的是交付型的C919飛機,飛行試驗完成后就可以交付給用戶;而2017年首飛的是C919原型機,是進行適航取證的試飛試驗,即為C919飛機爭取中國民航總局頒發的型號合格證與生產許可證。據悉,C919先后有6架原型機進行了適航取證的試飛實驗。目前,交付型的C919大飛機試飛取證和交付準備工作正在有序推進,首架C919飛機有望在今年下半年交付?!皣a大飛機商業化運營進入實質性階段,意味著我們馬上就可以真正坐上咱中國自己的大飛機了?!?/span>

      談到C919大飛機用鋼情況時,王春旭介紹,商用飛機用鋼主要集中在起落架等關鍵承力構件上。飛機起落架是飛機在起飛和著落過程中無可替代的裝置,其性能極大地影響著飛機的使用和安全。因此,具有優異比強度和比剛度的超高強度鋼成為制造飛機起落架的首選材料。他說,超高強度鋼是為了適應航空和航天技術的需要而逐漸發展起來的一種高比強度的結構材料,我們一般將屈服強度超過1380兆帕的結構鋼稱為超高強度鋼,其在航空航天、能源、船舶、海洋工程、國防軍工等領域扮演著越來越重要的角色。

      超高強度鋼雖然是由強度級別定義的一種特殊鋼,但其綜合性能同樣優異。例如,商用飛機起落架用材要求具備高強、高韌的特性,發動機軸用材具備高強度、抗疲勞、抗蠕變的特性,航空航天、海洋工程、能源等領域用材具備高強度、耐蝕的特性等。因此,超高強度鋼至今一直是材料科學前沿的重要部分和研究熱點。

      “雖然不斷出現各類新材料,但超高強度鋼在彈性模量、沖擊韌性和強度等方面依然具有很大的優勢,在今天和可預見的未來,它仍將是一種不可替代的關鍵材料之一?!?/span>

      超高強度300M鋼起落架是C919客機的關鍵一類件。王春旭介紹,一般來說,在現代飛機中,起落架用超高強度鋼占全機用鋼量的60%以上。C919大飛機項目材料/標準件合格產品目錄中所包含的鋼材主要有9種牌號,包括4340、300M、302、321、21-6-9、440C、15-5PH、PH13-8Mo、17-7PH等,其中起落架主體材料超高強度300M鋼占到全機總重量的4.5%左右,占全機特殊合金鋼總重量的65%左右。

      說起超高強度300M鋼的研發,王春旭、厲勇兩位專家都用了“十年磨一劍”來形容。據他們介紹,自2008年我國大飛機專項啟動以來,鋼鐵研究總院在30多年軍用起落架300M鋼的研制基礎上,不斷尋求技術突破,成功研制了民機用單真空冶煉工藝超大尺寸300M鋼,支撐了C919大飛機實現“中國制造”。鋼鐵研究總院和寶鋼特鋼(現為寶武特冶)、撫順特鋼組成的攻關團隊,按照“國際標準、國際工藝、國際質量、國際成本、國際認證”技術原則,先后突破了40噸電爐超純凈冶煉技術、大規格電極澆鑄技術、直徑810毫米錠型真空自耗均勻化熔煉技術、直徑400毫米超大尺寸棒材精細組織鍛造技術,填補了國內空白,實現和支撐了大型客機用超高強度300M鋼的“中國制造”。

      2012年~2015年,寶鋼特鋼和撫順特鋼試制的國產300M鋼陸續通過了中國商飛公司的轉階段評審。2017年,國產300M鋼通過了中國商飛公司的試驗驗證考核,至此,我國研制的國產300M鋼達到了C919飛機的裝機使用要求。據報道,2019年12月27日,C919大型客機106原型機在浦東機場順利完成首次飛行任務,采用寶武特冶生產的300M鋼制造的起落架首次飛上藍天,接受了最嚴苛的試飛考驗。

      “C919大型客機用單真空300M鋼的成功研制,對我國大型客機國產化具有重大意義,推動和促進了我國高質量超高強度鋼超大規格鍛坯制造平臺的建立,使我國的航空起落架制造及材料冶金水平達到一個新高度?!?/span>

      C919飛機市場空間巨大,將給超高強鋼帶來誘人的發展商機。截至目前,C919的國內外客戶達到28家,訂單總數高達1015架。有關專家預計,C919大飛機將在2023年實現批量交付、2025年具備年產50架的能力。根據中國航空工業發展研究中心發布的《民用飛機中國市場預測年報(2021~2040年)》,預計2021年~2040年間,中國需補充民用客機7646架,其中寬體客機1561架、窄體客機5276架、支線客機809架。而據中國商飛公司和美國波音公司預測,未來20年,中國對類似C919窄體客機的需求量為每年平均300架左右,假設未來C919在國內市場占有率達到1/3,那么C919飛機年均交付量有望達到100架,按當前東航和中國商飛公司簽訂的單架售價6.53億元計算,C919國內年銷售額有望達到653億元。

      “根據國內民航的發展趨勢,國內民機用300M鋼將形成需求超千噸、產值過億元的重要高端航空特殊鋼產業,同時使我國具備民用航空主力特殊鋼躋身國際市場的能力,真正形成國內大飛機產業體系,為我國制造業的產業升級做出貢獻?!蓖醮盒駥︼w機起落架用300M鋼市場前景做出以上預測。

    CR929用超高強鋼要求更高

      隨著采訪的深入,我們的話題很快轉到我國正在大力發展的大型寬體客機——CR929上。CR929是中國商飛公司和俄羅斯聯合航空制造集團公司攜手研制的遠程寬體客機,CR為中俄兩國英文首字母,基本型航程為12000公里,標準三艙280座,載客量約是C919的2倍。

      隨著CR929研制日程提速,對超高強度300M材料等超高強鋼提出了更高的要求。例如,CR929起落架主起外筒模鍛件所需300M鋼的鍛坯截面尺寸達到了1000毫米×600毫米,相比現有C919用起落架材料,其鍛坯截面面積增加了258%,單件鍛坯重量增加了371%,鍛件投影面積增大了239%,其技術跨度大、難度高。所以,我們亟須突破生產過程中關鍵的高純凈直徑1080毫米甚至直徑1260毫米自耗錠型冶金技術、超大規格1000毫米×600毫米鍛坯開坯鍛造技術。

      “目前,國際上空客A380、A350及波音787等寬體飛機的起落架300M鋼鍛坯均采用直徑1080毫米錠型,該規格錠型是國際大型飛機起落架的通用錠型?!?/span>

      據兩位專家介紹,中國鋼研科技集團自投經費開展了預研工作,并借助先進的計算機模擬技術實現了300M鋼直徑1080毫米超大錠型冶煉、超大規格鍛坯鍛造工藝的精確量化和過程的可視化,縮短了我國關鍵航空主干材料研制應用周期,突破了超大規格300M鋼鍛坯的關鍵生產技術,初步建立了我國民機起落架用高品質超高強度鋼超大錠型、超大規格鍛坯研發制造平臺,也為未來我國大型寬體客機起落架用300M鋼超級鍛坯的研制工作提供了堅實的技術積累。

      他們也坦言,我國在超高強度鋼領域雖然取得了顯著成果,但目前與國外的差距也很明顯。例如,美國及歐洲航空用高強度機體、發動機部件已經成熟應用2200兆帕~2400兆帕高比強度超高強度鋼,其中2000兆帕~2300兆帕的AerMet系列鋼應用于航空航天關鍵承力構件,GE1014鋼成為先進發動機GENX、GE9X發動機低壓渦輪軸主體材料,而ML340鋼的強度超過了2200兆帕,成為羅爾斯-羅伊斯公司最新型號瑞達航空發動機低壓渦輪軸的主體材料。

      目前,我國缺乏2000兆帕級以上高比強度超高強度鋼在大飛機及航空發動機上的工程應用基礎,亟待開展2200兆帕及以上級別高比強度超高強度鋼的基礎研究和相關技術儲備,縮小我國與國際先進水平的差距。


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