航空制造领域即将发生变革 新型金属材料展现巨大价值

随着F-35、A400M、B787、A350等美欧新一代军民用主力产品全面进入批生产阶段，复合材料主承力结构非热压罐替代、发动机核心零件设计制造增材化和非金属化、机体装配智能化提升等降本增效技术成为研发重点；同时，一批新型金属材料在航空制造业展现出巨大的应用前景和产业价值。航空制造业产业结构在技术和市场力量的作用下也在发生巨大变化。

图 极光飞行科学公司3D打印无人机

一、非热压罐替代引发复合材料制造体系变革

非热压罐工艺进入热固性复合材料主承力结构制造领域。2015年3月，NASA开始对未来翼身混合体飞机概念的非圆柱形复合材料压力舱验证件进行试验，该验证件由波音的非热压罐工艺建造。4月，俄罗斯航空复合材料公司交付了MS-21干线客机第一套非热压罐工艺制造的复合材料中央翼盒，该机机翼蒙皮也由非热压罐制造，这对大型民机而言还是首次。

热塑性复合材料在承力部件中受青睐程度越来越高。空客透露其在A350之前就已应用超过1500个零件，并一直在欧盟框架计划下从事大型热塑性复合材料主承力结构研究。庞巴迪公司公开了一项新型热塑性复合材料托架技术，适用于飞机机翼、中央翼盒以及油箱的液压和燃油托架，可比金属零部件减重至少40%。极光飞行科学公司公布了目前最快、最大的增材制造无人机，其机体采用了热塑性复合材料通过熔融沉积成型等工艺制造出来。

2016年及未来几年，随着技术成熟、成本降低，更多复合材料结构件制造商将从经济性和周期短的角度，选择非热压罐材料与工艺，这将在复合材料结构件设计、制造流程，以及原材料和制造装备供应链中掀起新的变革。

二、增材制造和陶瓷基复合材料技术颠覆现有发动机概念

增材制造进入发动机核心部件生产环节。2015年2月，GE航空GE90-94B发动机高压压气机采用增材制造的T25传感器通过美国联邦航空局（FAA）适航认证，成为首台采用增材制造部件的现役发动机，GE航空还在GEnx上试验了增材制造的钛铝合金低压涡轮叶片。普惠公司表示将在业界首次采用增材制造技术来生产发动机的压气机静子和同步环支架。6月，罗罗公司生产了有史以来最大的增材制造发动机组件——“遄达”XWB-97发动机直径1.5米的钛合金前轴承，组件包含的48个叶片组件也采用增材制造技术生产。

陶瓷基复合材料（CMC）取得发动机应用重要突破。2015年，GE航空通过F414发动机低压涡轮叶片成功试验了世界上首个非静子组件的轻质、耐高温CMC部件，展示了其极强的耐高温和耐久性能力；此外，公司还在GEnx上试验了燃烧室衬里的内外环、第一级高压涡轮隔热罩以及第二级高压涡轮导向器。GE航空还将在美国本土建设碳化硅陶瓷纤维以及碳化硅陶瓷单向带两家工厂，前者将打破日本对碳化硅陶瓷纤维供应的垄断。

此外，还有三个里程碑事件值得关注：一是澳大利亚联邦轻金属中心采用法国赛峰集团的设计，完全采用增材制造技术生产了两台喷气发动机概念验证机；二是美国国家航空航天局（NASA）和霍尼韦尔公司等正在进行“以增材制造实现非金属燃气涡轮发动机”的项目，制造出了CMC高压涡轮喷嘴等一系列复合材料构件；三是德国弗劳恩霍夫研究所在整体叶盘增材制造研究的基础上，提出将传统增材制造转向新型数字光子生产的“生产2.0”概念。

2016年及未来几年，增材制造和复合材料技术的成熟将颠覆现有发动机设计和制造概念，甚至将导致主要采用增材制造和/或复合材料生产的发动机出现，这就可以理解GE为何将增材制造和CMC等复合材料部件的技术能力牢牢抓在手中，因为这代表着航空发动机的一种未来。

三、飞机装配领域率先发生智能化革命

智能自动化在飞机大部件装配领域崭露头角。2015年初，英国GKN公司表示将领导几家业内企业进一步完成欧盟“未来机翼结构赋能制造技术的验证与集成”项目，研发有市场前途的机翼设计、制造和装配技术，提升自动化和智能化水平。7月，波音展示了其“黑金刚石”项目，其目标之一是推进基于模型的工程，验证将更多的自动化装配技术融入复杂的飞机结构制造中。2016年1月，波音又获得了一项“机身全自动化制造工厂”的专利，展示了基于自动导向车和移动机器人的自动化、可重构、可移动智能生产的概念。

增强现实和可穿戴技术将使飞机装配工人的技能得到革命性提升。2015年5月，波音在其加油机装配线演示了一个增强现实平板工具，机械师可以看到现实世界中他正在装配的扭矩盒单元，也可以看到数字化的指导书、零件和箭头，以增强现实世界中的视野。6月，空客展示了一种可穿戴技术，能够帮助操作人员降低装配座舱座椅的复杂度，节省完成任务的时间，目前该技术正在为A330座舱安装进行工业化。

此外，2015年10月，美国数字制造与设计创新机构启动了“自动装配规划”以及美国国防高级研究计划局（DARPA）“自适应运载器”的后续项目“机械装配的自动公差分配”，两项研究成果被机构核心成员波音、洛克希德?马丁、GE航空、罗罗公司等应用后，将进一步提升航空装配中的智能化水平。

基于实时原位建模仿真的自适应加工，装配指令的自动化生成，基于先进测量和柔性理念的自主化装配，人与可移动机器人的协同工作，利用增强现实和智能可穿戴的工人提升，是美欧航空制造商的几个主攻方向。2016年及未来几年，飞机装配领域将率先实现智能技术的大规模应用，并延伸至其它制造以及设计领域，届时，航空制造也将越来越“趋于前端”，越来越依靠“运筹帷幄”，航空工业的博弈将从“赛博空间”开始就能够分出胜负。

四、新型材料彻底改变金属结构制造体系

新型铝合金产品化为新一代航空装备减重、降本做出贡献。洛克希德?马丁使用一种名为“Beralcast”的材料降低了F-35制造成本，该材料是一种铍铝合金，刚度是铝的4倍，而质量只有其1/5，预计该材料及其快速、高产的制造工艺将带来30%~40%的成本降低。德国MTU发动机公司为普惠公司齿轮风扇发动机（GTF）开发的新型钛铝合金于2015年12月取得适航认证，该合金结合了镍金属和陶瓷材料的优点，用于涡轮叶片设计可比现有镍合金组件轻一半，极大优化涡轮盘的设计，实现发动机减重。

革命性新型金属材料有望用于航空结构件制造。波音在2015年10月展示了世界上最轻的金属材料，它是一种微晶格镍磷合金，具有壁厚仅为100纳米的中空管结构，比碳纤维还轻10倍，但非常坚硬，且压缩50%后也能完全恢复，具有超高吸能能力。2016年1月，雷神公司公布了一种超强轻质结构金属，材料主要由镁组成，并注入了密集且均匀分布的陶瓷碳化硅纳米微粒，从而具有“创纪录”的比强度和比模量，而且能够批产。

2016年及未来几年，基础研究的突破和集成计算材料工程（ICME）的进展，还将使得这样的新材料不断涌现，如果技术和制造成熟度的提升使其能够实现产品应用，将彻底颠覆当前航空产品设计及制造工艺。

五、航空制造基础供应链体系发生巨变

航空钛合金供应市场风云突变。2015年7月，美国铝业公司在不到9个月的时间内完成对英国福瑞盛、德国TITAL和美国RTI国际金属公司的收购，加速布局航空钛合金以及增材制造市场。8月，巴菲特宣布将以372亿美元收购精密铸件公司，大举进军航空制造业。面对来自资本巨头的竞争，美铝公司于9月做出拆分决定，加速向下游金属服务和加工企业转型，2015年签署总金额90亿美元长期供货合同的航空航天业务是其转型的关键。

航空复合材料供应市场集中度陡增。2015年12月，比利时苏威公司斥资55亿美元完成对美国氰特公司的收购，坐上航空复合材料原材料供应商次席。受此影响，2016年1月，业界老大赫氏公司也把一年前只收购了一半的英国Formax公司全盘买下。此外，2015年7月和8月，加拿大Avcorp工业公司和英国梅吉特公司分别提出了对德国SGL旗下Hitco公司和英国科巴姆公司复合材料业务的收购计划，进一步搅动碳纤维复合材料结构件供应市场。

2016年及未来几年，航空制造领域的基础供应体系必将产生剧变，范围更广的整合、层次更深的重组，将成为航空制造产业格局转变的重要里程碑，其结果，很有可能是航空基础材料及制件供应链的寡头垄断程度，反超金字塔顶端的主承包商，甚至对未来产品研制的话语权产生重要影响。

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