铝合金压铸模具

  回放：据新华社上海5月11日电，肩负着中国大型客机研制使命的中国商用飞机有限责任公司，11日上午在上海挂牌成立，标志着中国大飞机研制已进入实际操作阶段。

  中国商飞公司注册投资的金额为190亿元。在一年时间里，与大飞机研制相关的一些关键技术陆续有所突破。这中间还包括启动的全球吨位最大的模锻液压机项目和今年4月宝钢集团研制出的大型飞机起落架用钢和钛合金结构用钢。中国商飞公司提供的资料显示，目前已经启动了近20项关键技术科研攻关。

  所谓大飞机，是指起飞总重量超过100吨的运输类飞机，也包括150座以上的干线客机。它是民航使用最广泛的主力机型。

  记者：中国大飞机项目终于上马了，这是中国航空工业迈出的又一大步。曹老师，我首先问个常识性问题，我们为何需要搞大飞机项目？

  曹春晓：我们的祖国之所以下这么大的决心来搞大型飞机，主要有两个方面原因：首先，大型飞机是建设科技强国和创新型国家的一个标志性工程。为什么这么说呢？日本通产省有一个分析数据，它按照产品的单位质量创造的价值做了一个比较，如果船舶单位质量创造的价值是1的线。这说明，技术上的含金量越高创造的价值也就越高，特别是一些航空产品。它是知识密集型的高科技产业，所以我们该很看重这种产业。还有一个数据也是说明这样的一个问题的，你看我国出口8亿件的衬衫，得到的利润只能换来一架A380飞机。而8亿件衬衫消耗的能源和资源可要比飞机多的多，可见飞机是高技术含量的产品。也正因为这样，它是发达国家竞相争夺的技术制高点，谁能够抢到这个制高点，谁就有了主动权，所以从这一点来看，大飞机是很重要的产业。如果我们的祖国能自主设计制造大型飞机的话，就说明我们的祖国在高科技产业水平和创造新兴事物的能力上跨上了一个新台阶。

  记者：对，它的确是一个高科技产业。我觉得如果反过来说，我国始终搞不出来有市场竞争力的大飞机的话，那么我们的科技强国的目标也不能落到实处。

  曹春晓：当然了。假如没有市场竞争力，那说明水平不行，说明我们的总实力还未达到高水平，就谈不上什么创新型国家、科技强国等。所以，大飞机是建设科技强国和创新型国家的一个标志性的工程。这是我要说的第一点。

  曹春晓：我想从几个维度来说明这样的一个问题。2004年美国波音公司对中国未来要增加的新的大型客机做了一个预测，预测的结果认为，在未来20年里，中国需要增加2319架大型客机。

  曹春晓：2319架，这是指150座以上的大型民用客机，简称“大客”。我们还需要造大型运输机，简称“大运”。

  如果我们不是自己来设计制造的话，那么我们民航的安全问题就不能完全解决，一旦外国不卖给你产品和技术，我们要受制于人，就要影响整个国民经济的发展，那会影响很多的产业。从这方面来说，我们也要自己来搞大飞机。

  曹春晓：在保证我们的祖国安全方面，大型运输机所具有的重要的战略地位和作用，不言而喻。没有大型运输机，太受限制，这次汶川地震就看出来了，我们没大型运输飞机，结果运输能力大打折扣。

  大型飞机工程的另外一个战略意义是什么呢？其实还在于通过这一个大型飞机的产业链，可以强力地拉动一系列的产业技术升级，促进产量的增加和结构的调整。也就应该拉动国民经济的发展，那么这一系列的产业包括什么呢？比如说材料、化工、电子、信息、机械、仪表、能源、制造业等。比如说德国，德国在上个世纪有相当长的时间是靠小汽车跟其他的机械制造工业来拉动本国的经济。后来发现，拉动的效果越来越不明显了，怎么办呢？德国转而跟法国等联合起来，共同研制大型客机，这样取得了很好的效果，拉动了德国国民经济增长。从这一点来看，也是有战略意义的。所以，从各方面来说，我们上这个大型飞机的工程建设项目是非常明智的战略性的选择。

  回放：据资料载：1949年7月27日，世界第一架喷气式客机“哈维兰彗星”号，在英国首次试飞。但由于技术不成熟，英国客机没有大进展。

  1952年4月，美国波音公司决定开发第一个大型喷气式客机机型，180座的大飞机很快获得市场成功，此后，波音公司开发出一系列喷气式客机，尤其是1968年投入航线，是有史以来最成功的客机机型。1996年12月，波音兼并了航空业曾经的老大麦道公司。英国则于1967年联合法国、德国开始了“空中客车”计划，开发大飞机与美国进行竞争。空客开发的第一个机型是220座的A300。如今已成为波音最强劲的对手。

  曹春晓：100年来，从材料上看，飞机发展可分为五个阶段。第一个阶段是从1903年开始，当时的飞机是用木头做的梁和桁条，用布做蒙皮，整个结构就是木布结构。20世纪20年代至40年代，飞机的材料结构变成了铝和钢结构，飞机的性能和安全性得到了很大的提升。第三阶段是20世纪50年代开始至70年代，主要是使用铝、钛、钢结构。第四个阶段是从20世纪80年代开始一直到现在，这一阶段特点是除金属外，复合材料占有一定的比例。而从现在开始步入第五阶段，复合材料占有的比例慢慢的变大，形成了以复合材料为主，同时使用铝、钛、钢的新格局。

  记者：100多年以来的飞机发展史说明：一代材料，一代飞机；或者说，一代飞机，一代材料，这是整个航空发展史的真实写照。新一代的飞机都相当先进，它用什么材料啊？

  曹春晓：这里指的是以树脂为基，把纤维加到树脂里面去增强。光是树脂的话，它是很轻，但是强度不够。所以要用纤维来增强它，纤维有好多种，增强了以后，比强度就非常高，比钛合金还要高。但是它有个缺点，就是温度不能太高，最高温度也只能到300℃左右，再高，不用钛合金不行。

  曹春晓：从现在开始，飞机材料慢慢的开始转入到第五个阶段了，时间是21世纪初开始。以前的第二至第四阶段都是以铝合金为主。但现在慢慢的开始以复合材料为主了，这是很重要的一个转折。我个人觉得应该是一个新阶段，它是一种新的格局，这是我们第五阶段的主要特征。

  记者：我觉得复合材料用量的增加不单单是比强度的问题吧？是不是还应该要考虑复合材料的其它因素？

  曹春晓：复合材料密度低，强度高，因而比强度（强度与密度之比）大，有利于减轻飞机结构重量，这是很明显的一个优越性。然而，另一个主要的因素必须充分关注，即复合材料与金属材料相比，更容易制成整体结构件。例如，波音787的机身就是由几个复合材料整体结构机身段拼接而成，使零部件数量和连接件大幅度减少，从而更加有助于飞机结构重量的减轻、制造成本的降低和燃油消耗的减少。平时我们说你怎么这么斤斤计较，但是搞航空的人都知道，这不是斤斤计较，而是克克计较，每一克重量都要计较。

  记者：您说这个我能理解，随着能源日趋紧张，节油省能是将来轿车和飞机等交通工具的首要考虑因素。

  曹春晓：你说得非常对。世界上最大的飞机是新推出的“空客”A380，是双层的，其中复合材料占到了22%。不过，美国新研制的波音787又打破A380的纪录。

  记者：这个我听说过，我们南方航空订了50架，它目前还没有正式批量生产的时候，已经订出去900多架了，波音787为什么这么受欢迎啊？

  曹春晓：一个重要原因，就是复合材料占整个材料用量的50%，钛合金则占15%，这两个都是最新的世界纪录。这个纪录是从量变到质变了，当A380还是以铝合金为主，复合材料只占22%的时候，波音787就变成50%，复合材料用量太大了。

  曹春晓：就是刚才说的燃油消耗大幅度降低了。波音787采取了各种措施减少油耗。比如说发动机要选择油耗更低的发动机，这当然是很重要。另外，在气动力学方面做了改进，气动的阻力减少了。另一个重要的措施是用了50%的复合材料，所以，整体上新一代的飞机能够更好的降低油耗20%，这是很了不起的。在这20%里边，有8%的油耗是靠复合材料来降低的，复合材料用了50%就可降低油耗8%，这是一个很重要的数据。

  曹春晓：复合材料的功劳确实相当大。在这里还应该提一下，钛合金在减轻飞机结构重量方面也有一定功劳。也正因为钛合金具有比强度高等优势，所以它现在也创了一个新高，在波音787上的用量达到了15%。当然铝合金现在慢慢地减少了，但还保持一定的比例，钢无显著的增加和减少，它的用量一般是10%左右。因为有些地方还要用它。这是第一方面的优越性。

  第二方面是抗腐蚀性好，飞机是要经常使用的，特别是民用客机，它不是飞一二个月就完事的，它要飞好多年。

  曹春晓：做实验对比一下就知道，把不同的材料放到流动的海水里，钛合金经过好多年还看不到腐蚀的迹象；而铝合金一年要腐蚀掉5毫米；不锈钢也要腐蚀掉3.6毫米。所以钛合金的抗腐蚀和抗老化性能很好。

  记者：说到这里，能不能请曹老师进一步谈一谈为什么钛合金在大型客机上的用量会不断增加？

  曹春晓：除了抗腐蚀性能好之外，钛合金的优越性首先表现在比强度通常高于钢和铝合金，因此它主要扮演减轻飞机结构重量的角色。

  钛合金的优越性还表现于适用的温度范围大，它在零下269℃至零上600℃都能够正常的使用，而复合材料和铝合金差不多，了不起就300℃左右。

  钛合金用量逐步的提升的另一个重要原因，是大型飞机上复合材料用量猛增，铝合金与复合材料中的碳纤维之间有显著的电位差，因此与复合材料接触的紧固件等零件一般会用钛合金，以避免电化学腐蚀的发生。也就是说，钛合金是复合材料的“最佳伴侣”，复合材料用量增加了，钛合金用量也会“水涨船高”。

  回放：《中国新闻周刊》：1980年9月26日，中国第一架大型飞机“运十”首飞上天。

  “据飞行员讲，‘运十’的性能非常好。飞抵机场时，地勤人员没见过这种机型的飞机。当得知是我国自己研制的飞机时，都立正向飞机敬礼”。曾与中国航空界有着不解之缘的王超平回忆说。到1985年，“运十”共飞了130个起落，170个小时，最远航程3600公里，最大时速930公里，最高飞行升限1.1万米，最长空中飞行时间4小时49分。从性能上看，“运十”客舱按经济舱178座，混合级124座布置，最大起飞重量110吨，已达到了“大飞机”的标准。当时的航空航天工业部评价其为“填补了我国民航工业在这方面的空白”。

  国际航空界对“运十”的研制成功给予高度关注。时任波音副总裁的斯坦因纳1980年5月在《航空周刊》上著文：“‘运十’不是波音的翻版，更确切地说，它是该国发展其设计制造运输机能力十年之久的锻炼。”同年11月28日，路透社载文说：“在得到这种高度复杂的技术后，再也不能把中国视为一个落后的国家了。”

  1988年，原三机部民机司副司长郑作棣撰文指出，“运十”飞机的研制在技术上有10项突破。上世纪80年代中期，“运十”的下马，使中国痛失了一个发展大型飞机的机遇。“运十”如同两弹一星，也是中国人的骄傲。

  记者：我国曾有过“运十”这样的骄傲，但因为很多方面的原因，最终没能坚持下来。曹老师是航空材料专家，目前来看，您认为我国在大型飞机材料的应用方面与欧美国家最主要的差距在哪里？

  曹春晓：最主要的差距表现在复合材料的应用上，复合材料是新一代大型飞机的主要用材，但我国尚存在较多的问题。例如：第一，碳纤维年产量低，价格贵。其年产量还不能满足国内工程应用的需求；同时，国内产品的价格也高于国外。

  第二，缺少高强度碳纤维。复合材料的强度大小主要根据纤维的强度。美、欧等先进航空企业大量使用复合材料的基础是强度高、价格相比来说较低的碳纤维。而我国高强度碳纤维正处于研制与工程化阶段，尚未形成稳定的自主保障能力。

  第三，工艺技术在工程应用方面还不成熟。制造成本的降低需要从工艺方面的突破来实现。RTM与RFI这两种制备技术具有成本低、周期短、质量高和有利于结构整体化等优点，我国对其的研究取得了不少进展，但在工程应用方面还不够成熟。

  第四，缺乏一些先进的工艺装备，建议我国加强自主研制，并开展国际合作和适量进口。

  记者：我还有一个问题，就是“大运”和“大客”在材料的选用方面有什么区别？

  曹春晓：为防止受制于人，我认为对于大型运输机，材料应该立足于国内。对于大型客机用的材料，可按市场之间的竞争原则进行全球采购，但这个“全球”理应包括国内供应商，特别是关键材料，应尽早具备国内自主供应的能力。我们要造世界先进的大飞机，就必须在符合安全性要求的前提下尽可能选用一些先进的航空材料，特别是要充分重视具有中国特色的先进材料的选用，例如TC21钛合金的性能不仅仅具备国际领先水平，而且在合金及其锻造工艺上都具有自主知识产权。凡综合评价优良并对飞机设计制造水平起及其重要的作用的先进材料，已成熟的理当优先选用；即使当前不够成熟，只要在较短时间内能达到实用化程度的，应尽早立项启动，以免出现受制于人的被动局面。

  曹春晓：目前虽然复合材料比铝合金制造成本高，但飞机结构重量大幅度减轻等良好效果所带来的经济效益远超于了它的负面效应。另外，波音787的外场维护间隔时间从波音767的500小时提高到1000小时，维修费用比波音777低32%，这些成本的减少也带来了可观的经济效益。同时，由于飞机结构重量轻，节省燃油，更有助于环保。

  曹春晓：复合材料已经用了30年左右，在各方面做了很多实验，都没问题。美国的B-2轰炸机用了38%的复合材料，已经经过那么多年的考验，证明没什么问题。所以我觉得在军用飞机上先考验一段时间以后，就更有把握在民用飞机上用了。

  记者：其实在航空航天工业上，我国目前已经在追赶发达国家了，比如说我们的“神舟号”系列飞船，还有我们曾经有过的“运十”和近年来研制成功的“歼－10”等，这些都可以让我们骄傲，但我们更应该看到差距和不足，这样才可以尽快赶上去。

  曹春晓：我们的祖国要有自己设计制造的大飞机，这是国家的意志，也是全国人民特别是几代航空人的梦想和愿望，多用一些我们自己研制生产的材料造出我们自己设计制造的大型飞机，是全国人民特别是几代航材人的愿望和梦想。现在我们正真看到了这个梦想和愿望的曙光了，我们大家都希望所有参加大飞机工程的中华儿女，大家心怀祖国，情系航空，团结和谐，创新图强。我们中国自己设计制造的大型飞机一定能在不远的将来展翅翱翔。

  记者：您说得太好了，祝愿这一天早日来临，祝愿我们的祖国更加富强。谢谢曹老师。

  曹春晓材料科学家。浙江上虞人。北京航空材料研究院研究员。不断开创新型钛合金和钛———铝系金属间化合物，并应用于航空工业，显著减轻飞机及其发动机的结构重量；根据再结晶和相变相结合的原理，创立了高低温交替热变形技术，解决了长期以来存在于大型钛合金零件生产中的金相组织不均匀的核心问题；首先利用特定的相变模式优化钛合金的β转变组织形态和性能，创立BRCT热处理技术；利用形变———相变联合机制，创立钛合金急冷式β热变形强韧化技术；研究了钛合金的强化机制、阻燃机理、疲劳裂纹扩展特征及其它基础问题，并相应地取得了创造性成果。1997年当选为中国科学院院士。