我国大飞机用超高强度钢前景可期

　　5月14日，中国商飞公司宣布编号为B-001J的C919大飞机从上海浦东机场第4跑道起飞，于当天9时54分安全降落，标志着中国商飞公司首架即将交付首家用户的C919大飞机首次飞行试验圆满完成。消息一经报道便很快登上了热搜榜。

　　那么，作为我国第一款独立自主研发、具有自主知识产权的民用大型客机——C919大飞机，究竟采用了哪些特种钢材？国产钢能支撑起国产大飞机吗？我国C919大飞机用钢的需求前景如何？带着这些问题，《中国冶金报》记者采访了参与我国大飞机专项研究的中国钢研科技集团钢铁研究总院超高强度钢领域首席专家王春旭和该院超高强度钢及高强不锈钢研究部正高级工程师厉勇。

　　C919大飞机起落架用

　　超高强度300M钢有了“中国造”

　　王春旭介绍，C919飞机是中国首款完全按照国际先进适航标准研制的单通道大型干线客机，最大航程超过5500公里，性能与国际新一代的主流单通道客机相当。早在2017年5月份，C919飞机就成功实现首飞，并于2020年12月份进入中国民航局适航审定阶段。

　　“此首飞非彼首飞。”厉勇调侃道。这次首飞成功的是交付型的C919飞机，飞行试验完成后就可以交付给用户；而2017年首飞的是C919原型机，是进行适航取证的试飞试验，即为C919飞机争取中国民航总局颁发的型号合格证与生产许可证。据悉，C919先后有6架原型机进行了适航取证的试飞实验。目前，交付型的C919大飞机试飞取证和交付准备工作正在有序推进，首架C919飞机有望在今年下半年交付。“国产大飞机商业化运营进入实质性阶段，意味着我们马上就可以真正坐上咱中国自己的大飞机了。”厉勇说。

　　谈到C919大飞机用钢情况时，王春旭介绍，商用飞机用钢主要集中在起落架等关键承力构件上。飞机起落架是飞机在起飞和着落过程中无可替代的装置，其性能极大地影响着飞机的使用和安全。因此，具有优异比强度和比刚度的超高强度钢成为制造飞机起落架的首选材料。他说，超高强度钢是为了适应航空和航天技术的需要而逐渐发展起来的一种高比强度的结构材料，我们一般将屈服强度超过1380兆帕的结构钢称为超高强度钢，其在航空航天、能源、船舶、海洋工程、国防军工等领域扮演着越来越重要的角色。

　　厉勇补充道，超高强度钢虽然是由强度级别定义的一种特殊钢，但其综合性能同样优异。例如，商用飞机起落架用材要求具备高强、高韧的特性，发动机轴用材具备高强度、抗疲劳、抗蠕变的特性，航空航天、海洋工程、能源等领域用材具备高强度、耐蚀的特性等。因此，超高强度钢至今一直是材料科学前沿的重要部分和研究热点。

　　“虽然不断出现各类新材料，但超高强度钢在弹性模量、冲击韧性和强度等方面依然具有很大的优势，在今天和可预见的未来，它仍将是一种不可替代的关键材料之一。”王春旭告诉《中国冶金报》记者。

　　超高强度300M钢起落架是C919客机的关键一类件。王春旭介绍，一般来说，在现代飞机中，起落架用超高强度钢占全机用钢量的60%以上。C919大飞机项目材料/标准件合格产品目录中所包含的钢材主要有9种牌号，包括4340、300M、302、321、21-6-9、440C、15-5PH、PH13-8Mo、17-7PH等，其中起落架主体材料超高强度300M钢占到全机总重量的4.5%左右，占全机特殊合金钢总重量的65%左右。

　　说起超高强度300M钢的研发，王春旭、厉勇两位专家都用了“十年磨一剑”来形容。据他们介绍，自2008年我国大飞机专项启动以来，钢铁研究总院在30多年军用起落架300M钢的研制基础上，不断寻求技术突破，成功研制了民机用单真空冶炼工艺超大尺寸300M钢，支撑了C919大飞机实现“中国制造”。钢铁研究总院和宝钢特钢（现为宝武特冶）、抚顺特钢组成的攻关团队，按照“国际标准、国际工艺、国际质量、国际成本、国际认证”技术原则，先后突破了40吨电炉超纯净冶炼技术、大规格电极浇铸技术、直径810毫米锭型真空自耗均匀化熔炼技术、直径400毫米超大尺寸棒材精细组织锻造技术，填补了国内空白，实现和支撑了大型客机用超高强度300M钢的“中国制造”。

　　2012年～2015年，宝钢特钢和抚顺特钢试制的国产300M钢陆续通过了中国商飞公司的转阶段评审。2017年，国产300M钢通过了中国商飞公司的试验验证考核，至此，我国研制的国产300M钢达到了C919飞机的装机使用要求。据报道，2019年12月27日，C919大型客机106原型机在浦东机场顺利完成首次飞行任务，采用宝武特冶生产的300M钢制造的起落架首次飞上蓝天，接受了最严苛的试飞考验。

　　“C919大型客机用单真空300M钢的成功研制，对我国大型客机国产化具有重大意义，推动和促进了我国高质量超高强度钢超大规格锻坯制造平台的建立，使我国的航空起落架制造及材料冶金水平达到一个新高度。”王春旭强调。

　　C919飞机市场空间巨大，将给超高强钢带来诱人的发展商机。截至目前，C919的国内外客户达到28家，订单总数高达1015架。有关专家预计，C919大飞机将在2023年实现批量交付、2025年具备年产50架的能力。根据中国航空工业发展研究中心发布的《民用飞机中国市场预测年报（2021～2040年）》，预计2021年～2040年间，中国需补充民用客机7646架，其中宽体客机1561架、窄体客机5276架、支线客机809架。而据中国商飞公司和美国波音公司预测，未来20年，中国对类似C919窄体客机的需求量为每年平均300架左右，假设未来C919在国内市场占有率达到1/3，那么C919飞机年均交付量有望达到100架，按当前东航和中国商飞公司签订的单架售价6.53亿元计算，C919国内年销售额有望达到653亿元。

　　“根据国内民航的发展趋势，国内民机用300M钢将形成需求超千吨、产值过亿元的重要高端航空特殊钢产业，同时使我国具备民用航空主力特殊钢跻身国际市场的能力，真正形成国内大飞机产业体系，为我国制造业的产业升级做出贡献。”王春旭对飞机起落架用300M钢市场前景做出以上预测。

　　CR929用超高强钢要求更高

　　随着采访的深入，我们的话题很快转到我国正在大力发展的大型宽体客机——CR929上。CR929是中国商飞公司和俄罗斯联合航空制造集团公司携手研制的远程宽体客机，CR为中俄两国英文首字母，基本型航程为12000公里，标准三舱280座，载客量约是C919的2倍。

　　王春旭说，随着CR929研制日程提速，对超高强度300M材料等超高强钢提出了更高的要求。例如，CR929起落架主起外筒模锻件所需300M钢的锻坯截面尺寸达到了1000毫米×600毫米，相比现有C919用起落架材料，其锻坯截面面积增加了258%，单件锻坯重量增加了371%，锻件投影面积增大了239%，其技术跨度大、难度高。所以，我们亟须突破生产过程中关键的高纯净直径1080毫米甚至直径1260毫米自耗锭型冶金技术、超大规格1000毫米×600毫米锻坯开坯锻造技术。

　　“目前，国际上空客A380、A350及波音787等宽体飞机的起落架300M钢锻坯均采用直径1080毫米锭型，该规格锭型是国际大型飞机起落架的通用锭型。”厉勇补充说。

　　据两位专家介绍，中国钢研科技集团自投经费开展了预研工作，并借助先进的计算机模拟技术实现了300M钢直径1080毫米超大锭型冶炼、超大规格锻坯锻造工艺的精确量化和过程的可视化，缩短了我国关键航空主干材料研制应用周期，突破了超大规格300M钢锻坯的关键生产技术，初步建立了我国民机起落架用高品质超高强度钢超大锭型、超大规格锻坯研发制造平台，也为未来我国大型宽体客机起落架用300M钢超级锻坯的研制工作提供了坚实的技术积累。

　　他们也坦言，我国在超高强度钢领域虽然取得了显著成果，但目前与国外的差距也很明显。例如，美国及欧洲航空用高强度机体、发动机部件已经成熟应用2200兆帕～2400兆帕高比强度超高强度钢，其中2000兆帕～2300兆帕的AerMet系列钢应用于航空航天关键承力构件，GE1014钢成为先进发动机GENX、GE9X发动机低压涡轮轴主体材料，而ML340钢的强度超过了2200兆帕，成为罗尔斯-罗伊斯公司最新型号瑞达航空发动机低压涡轮轴的主体材料。

　　王春旭最后特别说道，目前，我国缺乏2000兆帕级以上高比强度超高强度钢在大飞机及航空发动机上的工程应用基础，亟待开展2200兆帕及以上级别高比强度超高强度钢的基础研究和相关技术储备，缩小我国与国际先进水平的差距。

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