無人機(jī)制造車間

  航空基礎(chǔ)供應(yīng)體系將發(fā)生巨變

過去的一年，得益于航空工業(yè)的強(qiáng)勁增長，世界航空鈦合金與碳纖維復(fù)合材料市場不斷走高。

2015年7月，美國鋁業(yè)（AA）公司在不到9個(gè)月的時(shí)間內(nèi)，斥資約43.5億美元完成對英國福瑞盛、德國TITAL和美國RTI國際金屬公司的收 購，迅速布局航空鈦合金以及3D打印市場。2015年8月，巴菲特宣布將以372億美元收購精密鑄件（PCC）公司，大舉進(jìn)軍航空制造業(yè)。面對來自資本巨 頭的競爭，美鋁（Alcoa）公司于9月做出分拆決定，加速向下游金屬服務(wù)和加工企業(yè)轉(zhuǎn)型，而該公司于2015年簽署的90億美元的在航空航天領(lǐng)域的中長 期供貨的合同成為其轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵。

2015年12月，比利時(shí)蘇威公司斥資55億美元完成對美國氰特公司的收購，坐上航空航天復(fù)合材料供應(yīng)商的次席。受此影響，赫氏公司于2016年1 月也把一年前只收購了一半的英國Formax公司全盤買下。此外，2015年7月和8月，加拿大Avcorp工業(yè)公司和英國Meggitt公司分別提出了 對德國SGL旗下Hitco公司和英國科巴姆（Cobham）公司復(fù)合材料業(yè)務(wù)的收購，進(jìn)一步攪動(dòng)了碳纖維復(fù)合材料供應(yīng)鏈。

新型客機(jī)、直升機(jī)、無人機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)從外觀來看已經(jīng)難以找到鋁合金身影，隨著這些型號逐步進(jìn)入全速批產(chǎn)，航空鈦合金與碳纖維復(fù)合材料用量還將繼續(xù)增 長，這使得航空基礎(chǔ)供應(yīng)體系的巨變成為板上釘釘?shù)氖虑椋浣Y(jié)果很有可能是處于航空材料供應(yīng)鏈底端的四級供應(yīng)商對行業(yè)的壟斷程度反超金字塔頂端的主承包商， 甚至對未來產(chǎn)品研制的話語權(quán)產(chǎn)生重要影響。2016年及未來幾年，范圍更廣的整合、層次更深的重組，將成為航空制造逐漸告別鋁與鋼、走向鈦與碳的歷史轉(zhuǎn)變 中的一個(gè)重要里程碑。

新材料將徹底改變金屬結(jié)構(gòu)的制造

過去一年，航空制造中金屬與復(fù)合材料的斗爭還在繼續(xù)，新型鈹鋁合金、鈦鋁合金以及微晶格鎳磷合金和納米陶瓷鎂合金相繼問世。

IBC先進(jìn)合金公司近凈成形鑄造的Beralcast材料在一定程度上降低了F-35的制造成本，該材料是一種鈹鋁合金，剛度是普通鋁合金的4倍， 而重量則只有其1/5，并且材料和工藝的改進(jìn)將使其生產(chǎn)零件的成本降低30%～40%。2015年3月，MTU發(fā)動(dòng)機(jī)公司歷時(shí)7年開發(fā)出來的新型鈦鋁合 金，結(jié)合了鎳金屬和陶瓷材料的優(yōu)點(diǎn)，用于渦輪葉片設(shè)計(jì)，可比現(xiàn)有鎳合金組件輕一半，極大地優(yōu)化渦輪盤的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)減重。波音公司于2015年10月 展示了世界上最輕的金屬結(jié)構(gòu)，這一種微點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的鎳磷合金由壁厚僅為100nm的中空管結(jié)構(gòu)組成，重量僅為碳纖維的1/10，其體積壓縮50%之后也能完 全恢復(fù)，因此具有超高的能量吸收能力。2016年1月，加州大學(xué)洛杉磯分校與雷神公司聯(lián)合創(chuàng)造出一種超強(qiáng)輕質(zhì)結(jié)構(gòu)金屬，材料主要由鎂組成，并在鎂中注入了 密集且均勻分布的陶瓷碳化硅納米顆粒，具有極高的比強(qiáng)度和比模量，并且能夠量產(chǎn)。

新材料是航空制造發(fā)展與變革的基礎(chǔ)之一，上述四種新型合金中的前兩種即將大量用于F-35和齒輪傳動(dòng)風(fēng)扇（GTF）發(fā)動(dòng)機(jī)；而后兩種則更具革命性， 如果能夠應(yīng)用于飛機(jī)制造，將徹底顛覆現(xiàn)有航空產(chǎn)品設(shè)計(jì)。2016年及未來幾年，新材料還將不斷涌現(xiàn)，它們也許很快就可以達(dá)到一定的技術(shù)成熟度和制造成熟度 水平。

3D打印及非金屬發(fā)動(dòng)機(jī)將更進(jìn)一步

過去一年，發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域成為新技術(shù)應(yīng)用的主戰(zhàn)場，這其中又以增材制造和陶瓷基復(fù)合材料（CMC）為主。

2015年2月，美國聯(lián)邦航空局(FAA)向GE90-94B發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)3D打印的T25傳感器頒發(fā)了適航證。此外，GE航空還在GEnx上 試驗(yàn)了增材制造的鈦鋁合金低壓渦輪葉片。普惠公司表示將采用增材制造技術(shù)來生產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)靜子組件，這將是業(yè)界首次采用增材制造技術(shù)生產(chǎn)這一部件；用 增材制造的PW1500G發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)部件，比用傳統(tǒng)工藝制造的部件提前15個(gè)月完成且減重高達(dá)50%。6月，羅羅公司通過與英國制造技術(shù)中心、謝菲爾德大 學(xué)和ARCAM公司合作，利用增材制造生產(chǎn)了遄達(dá)XWB-97發(fā)動(dòng)機(jī)的鈦合金前軸承，該組件直徑達(dá)1.5m，是有史以來最大的民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)單個(gè)組件，而 包含48個(gè)葉片的組件也采用增材制造技術(shù)生產(chǎn)。

波音采用3D預(yù)形件制成的中央試驗(yàn)件壁板。

2015年，GE公司對首個(gè)CMC材料的F414發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪葉片進(jìn)行了試驗(yàn)，驗(yàn)證了其極強(qiáng)的耐高溫和耐久性能力，以及可廣泛用于自適應(yīng)變循環(huán)發(fā) 動(dòng)機(jī)和下一代商用發(fā)動(dòng)機(jī)的潛力。GE公司還在GEnx上試驗(yàn)了將CMC材料用于燃燒室內(nèi)襯的內(nèi)外環(huán)、第一級高壓渦輪隔熱罩以及第二級高壓渦輪導(dǎo)向器。GE 公司還計(jì)劃在美國本土建設(shè)碳化硅陶瓷纖維以及碳化硅陶瓷單向帶的工廠，前者已得到美國空軍的資金支持，目的是打破日本對該材料供應(yīng)的壟斷。

2015年，有三件事情值得注意：一是澳大利亞聯(lián)邦輕金屬中心基于賽峰集團(tuán)的設(shè)計(jì)，采用增材制造生產(chǎn)了兩臺噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)概念驗(yàn)證機(jī)；二是NASA的格 倫研究中心和蘭利研究中心攜手霍尼韋爾公司等正在進(jìn)行“以增材制造實(shí)現(xiàn)非金屬燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)”的項(xiàng)目，除了生產(chǎn)出進(jìn)氣道導(dǎo)流葉片、消聲蜂窩襯墊等樹脂基復(fù) 合材料構(gòu)件以外，還制造出了高壓渦輪噴嘴等碳化硅陶瓷基復(fù)合材料構(gòu)件；三是弗勞恩霍夫研究所在整體葉盤增材制造研究的基礎(chǔ)上，提出了由增材制造轉(zhuǎn)向數(shù)字光 學(xué)生產(chǎn)的“生產(chǎn)2.0”概念。