5月14日，中國商飛公司宣布編號為B-001J的C919大飛機(jī)從上海浦東機(jī)場第4跑道起飛，于當(dāng)天9時54分安全降落，標(biāo)志著中國商飛公司首架即將交付首家用戶的C919大飛機(jī)首次飛行試驗圓滿完成。消息一經(jīng)報道便很快登上了熱搜榜。
那么，作為我國第一款獨(dú)立自主研發(fā)、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的民用大型客機(jī)——C919大飛機(jī)，究竟采用了哪些特種鋼材？國產(chǎn)鋼能支撐起國產(chǎn)大飛機(jī)嗎？我國C919大飛機(jī)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(jī)專項研究的中國鋼研科技集團(tuán)鋼鐵研究總院超高強(qiáng)度鋼領(lǐng)域首席專家王春旭和該院超高強(qiáng)度鋼及高強(qiáng)不銹鋼研究部正高級工程師厲勇。
C919大飛機(jī)起落架用
超高強(qiáng)度300M鋼有了“中國造”
C919飛機(jī)是中國首款完全按照國際先進(jìn)適航標(biāo)準(zhǔn)研制的單通道大型干線客機(jī)，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(jī)相當(dāng)。早在2017年5月份，C919飛機(jī)就成功實(shí)現(xiàn)首飛，并于2020年12月份進(jìn)入中國民航局適航審定階段。
“此首飛非彼首飛。”厲勇調(diào)侃道。這次首飛成功的是交付型的C919飛機(jī)，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(jī)，是進(jìn)行適航取證的試飛試驗，即為C919飛機(jī)爭取中國民航總局頒發(fā)的型號合格證與生產(chǎn)許可證。據(jù)悉，C919先后有6架原型機(jī)進(jìn)行了適航取證的試飛實(shí)驗。目前，交付型的C919大飛機(jī)試飛取證和交付準(zhǔn)備工作正在有序推進(jìn)，首架C919飛機(jī)有望在今年下半年交付。“國產(chǎn)大飛機(jī)商業(yè)化運(yùn)營進(jìn)入實(shí)質(zhì)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(jī)了。”
談到C919大飛機(jī)用鋼情況時，王春旭介紹，商用飛機(jī)用鋼主要集中在起落架等關(guān)鍵承力構(gòu)件上。飛機(jī)起落架是飛機(jī)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(jī)的使用和安全。因此，具有優(yōu)異比強(qiáng)度和比剛度的超高強(qiáng)度鋼成為制造飛機(jī)起落架的首選材料。他說，超高強(qiáng)度鋼是為了適應(yīng)航空和航天技術(shù)的需要而逐漸發(fā)展起來的一種高比強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)材料，我們一般將屈服強(qiáng)度超過1380兆帕的結(jié)構(gòu)鋼稱為超高強(qiáng)度鋼，其在航空航天、能源、船舶、海洋工程、國防軍工等領(lǐng)域扮演著越來越重要的角色。
超高強(qiáng)度鋼雖然是由強(qiáng)度級別定義的一種特殊鋼，但其綜合性能同樣優(yōu)異。例如，商用飛機(jī)起落架用材要求具備高強(qiáng)、高韌的特性，發(fā)動機(jī)軸用材具備高強(qiáng)度、抗疲勞、抗蠕變的特性，航空航天、海洋工程、能源等領(lǐng)域用材具備高強(qiáng)度、耐蝕的特性等。因此，超高強(qiáng)度鋼至今一直是材料科學(xué)前沿的重要部分和研究熱點(diǎn)。
“雖然不斷出現(xiàn)各類新材料，但超高強(qiáng)度鋼在彈性模量、沖擊韌性和強(qiáng)度等方面依然具有很大的優(yōu)勢，在今天和可預(yù)見的未來，它仍將是一種不可替代的關(guān)鍵材料之一。”
超高強(qiáng)度300M鋼起落架是C919客機(jī)的關(guān)鍵一類件。王春旭介紹，一般來說，在現(xiàn)代飛機(jī)中，起落架用超高強(qiáng)度鋼占全機(jī)用鋼量的60%以上。C919大飛機(jī)項目材料/標(biāo)準(zhǔn)件合格產(chǎn)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(qiáng)度300M鋼占到全機(jī)總重量的4.5%左右，占全機(jī)特殊合金鋼總重量的65%左右。
說起超高強(qiáng)度300M鋼的研發(fā)，王春旭、厲勇兩位專家都用了“十年磨一劍”來形容。據(jù)他們介紹，自2008年我國大飛機(jī)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(chǔ)上，不斷尋求技術(shù)突破，成功研制了民機(jī)用單真空冶煉工藝超大尺寸300M鋼，支撐了C919大飛機(jī)實(shí)現(xiàn)“中國制造”。鋼鐵研究總院和寶鋼特鋼（現(xiàn)為寶武特冶）、撫順特鋼組成的攻關(guān)團(tuán)隊，按照“國際標(biāo)準(zhǔn)、國際工藝、國際質(zhì)量、國際成本、國際認(rèn)證”技術(shù)原則，先后突破了40噸電爐超純凈冶煉技術(shù)、大規(guī)格電極澆鑄技術(shù)、直徑810毫米錠型真空自耗均勻化熔煉技術(shù)、直徑400毫米超大尺寸棒材精細(xì)組織鍛造技術(shù)，填補(bǔ)了國內(nèi)空白，實(shí)現(xiàn)和支撐了大型客機(jī)用超高強(qiáng)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(chǎn)300M鋼陸續(xù)通過了中國商飛公司的轉(zhuǎn)階段評審。2017年，國產(chǎn)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(chǎn)300M鋼達(dá)到了C919飛機(jī)的裝機(jī)使用要求。據(jù)報道，2019年12月27日，C919大型客機(jī)106原型機(jī)在浦東機(jī)場順利完成首次飛行任務(wù)，采用寶武特冶生產(chǎn)的300M鋼制造的起落架首次飛上藍(lán)天，接受了最嚴(yán)苛的試飛考驗。
“C919大型客機(jī)用單真空300M鋼的成功研制，對我國大型客機(jī)國產(chǎn)化具有重大意義，推動和促進(jìn)了我國高質(zhì)量超高強(qiáng)度鋼超大規(guī)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(dá)到一個新高度。”
C919飛機(jī)市場空間巨大，將給超高強(qiáng)鋼帶來誘人的發(fā)展商機(jī)。截至目前，C919的國內(nèi)外客戶達(dá)到28家，訂單總數(shù)高達(dá)1015架。有關(guān)專家預(yù)計，C919大飛機(jī)將在2023年實(shí)現(xiàn)批量交付、2025年具備年產(chǎn)50架的能力。根據(jù)中國航空工業(yè)發(fā)展研究中心發(fā)布的《民用飛機(jī)中國市場預(yù)測年報（2021～2040年）》，預(yù)計2021年～2040年間，中國需補(bǔ)充民用客機(jī)7646架，其中寬體客機(jī)1561架、窄體客機(jī)5276架、支線客機(jī)809架。而據(jù)中國商飛公司和美國波音公司預(yù)測，未來20年，中國對類似C919窄體客機(jī)的需求量為每年平均300架左右，假設(shè)未來C919在國內(nèi)市場占有率達(dá)到1/3，那么C919飛機(jī)年均交付量有望達(dá)到100架，按當(dāng)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(nèi)年銷售額有望達(dá)到653億元。
“根據(jù)國內(nèi)民航的發(fā)展趨勢，國內(nèi)民機(jī)用300M鋼將形成需求超千噸、產(chǎn)值過億元的重要高端航空特殊鋼產(chǎn)業(yè)，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(nèi)大飛機(jī)產(chǎn)業(yè)體系，為我國制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級做出貢獻(xiàn)。”王春旭對飛機(jī)起落架用300M鋼市場前景做出以上預(yù)測。
CR929用超高強(qiáng)鋼要求更高
隨著采訪的深入，我們的話題很快轉(zhuǎn)到我國正在大力發(fā)展的大型寬體客機(jī)——CR929上。CR929是中國商飛公司和俄羅斯聯(lián)合航空制造集團(tuán)公司攜手研制的遠(yuǎn)程寬體客機(jī)，CR為中俄兩國英文首字母，基本型航程為12000公里，標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)度300M材料等超高強(qiáng)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(dá)到了1000毫米×600毫米，相比現(xiàn)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(shù)跨度大、難度高。所以，我們亟須突破生產(chǎn)過程中關(guān)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(shù)、超大規(guī)格1000毫米×600毫米鍛坯開坯鍛造技術(shù)。
“目前，國際上空客A380、A350及波音787等寬體飛機(jī)的起落架300M鋼鍛坯均采用直徑1080毫米錠型，該規(guī)格錠型是國際大型飛機(jī)起落架的通用錠型。”
據(jù)兩位專家介紹，中國鋼研科技集團(tuán)自投經(jīng)費(fèi)開展了預(yù)研工作，并借助先進(jìn)的計算機(jī)模擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)了300M鋼直徑1080毫米超大錠型冶煉、超大規(guī)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(guān)鍵航空主干材料研制應(yīng)用周期，突破了超大規(guī)格300M鋼鍛坯的關(guān)鍵生產(chǎn)技術(shù)，初步建立了我國民機(jī)起落架用高品質(zhì)超高強(qiáng)度鋼超大錠型、超大規(guī)格鍛坯研發(fā)制造平臺，也為未來我國大型寬體客機(jī)起落架用300M鋼超級鍛坯的研制工作提供了堅實(shí)的技術(shù)積累。
他們也坦言，我國在超高強(qiáng)度鋼領(lǐng)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(qiáng)度機(jī)體、發(fā)動機(jī)部件已經(jīng)成熟應(yīng)用2200兆帕～2400兆帕高比強(qiáng)度超高強(qiáng)度鋼，其中2000兆帕～2300兆帕的AerMet系列鋼應(yīng)用于航空航天關(guān)鍵承力構(gòu)件，GE1014鋼成為先進(jìn)發(fā)動機(jī)GENX、GE9X發(fā)動機(jī)低壓渦輪軸主體材料，而ML340鋼的強(qiáng)度超過了2200兆帕，成為羅爾斯-羅伊斯公司最新型號瑞達(dá)航空發(fā)動機(jī)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(qiáng)度超高強(qiáng)度鋼在大飛機(jī)及航空發(fā)動機(jī)上的工程應(yīng)用基礎(chǔ)，亟待開展2200兆帕及以上級別高比強(qiáng)度超高強(qiáng)度鋼的基礎(chǔ)研究和相關(guān)技術(shù)儲備，縮小我國與國際先進(jìn)水平的差距。
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