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刍议航空航天器铝材专业厂建设

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所谓航空航天铝材专业厂就是该厂的管理与生产工艺都是为生产航空航天器材料服务的,所产主要材料品种的60%以上是直接用于制造航空航天器,制造这类材料的管理与工艺文件应有完全的可追溯性,工厂的管理、生产工艺与产品品质等都要经过机构与航空航天器制造厂的认证,且是固定的材料供应商。

所谓航空航天铝材专业厂就是该厂的管理与生产工艺都是为生产航空航天器材料服务的,所产主要材料品种的60%以上是直接用于制造航空航天器,制造这类材料的管理与工艺文件应有完全的可追溯性,工厂的管理、生产工艺与产品品质等都要经过机构与航空航天器制造厂的认证,且是固定的材料供应商。

中国已迈过世界航空工业门坎,正在朝着世界大国与强国目标奋进。众所周知,一代材料,一代航空航天器,所以为了助推我国航空航天工业的大发展,应该建立一个完整的材料生产与供应链,而在航空器制造用的结构材料中*主要的是铝材与铝基复合材料,例如在航空器制造中,用这两种材料制造的结构件净质量约占结构件总净质量的80%,不过有的航空器铝材用得多一些,而另一些航空器则铝基复合材料用得多一些。

铝材生产工艺:铝土矿开采-氧化铝提取-原铝电解-重熔用铝锭铸造-合金配制、熔熔铸造-铝材加工-交货。这仅是大的生产工艺工序,为了生产优质航空航天铝材与建立材料的健全可溯性,必须从源头抓起。

固定铝土矿、氧化铝与原铝生产基地

大家知道,合金与材料的性能首先决定于它的成分,不但与其主要成分相关,而且与微量元素及杂质含量关系较大,合金元素主要决定强度与加工成形性能,而微量元素含量则对材料韧性与疲劳裂纹扩展速度有很大影响,航空航天铝材对合金元素含量必须严加控制。杂质Fe与Si是铝的固有杂质,铝土矿的采掘区固定后,矿中的Fe、Si含量也就固定了,所以提取氧化铝的铝土矿应是二三十年都来自同一矿区,这样就从源头控制住了杂质的种类和含量。

氧化铝厂收到进口的铝土矿原料后(国内铝土矿不但质量不尽如人意,而且没有可保证开采二三十年的大矿点),切不要混入其他矿石,之后经过提取原铝后铸成供航空航天铝材加工厂用的重熔用铝锭,或进一步铸成供加工厂轧制板带材用的扁锭与生产挤压材用的圆锭。

生产7255合金(Si≤0.06%、Fe≤0.09%)、7085(Si≤0.06%、Fe≤0.08%)、2624(Si≤0.06%、Fe≤0.08%)、2295(Si≤0.08%、Fe≤0.08%)必须用A199.90重熔用锭配料,甚至还用一部分高纯铝配料,才能确保合金杂质含量不超标,而生产2099、2199铝-锂合金(Si≤0.05%、Fe≤0.07%)、2060铝-锂合金(Si≤0.07%、Fe≤0.07%)宜全部用高纯铝配料。

另外,85%以上的航空航天铝合金如2XXX系、5XXX系、6XXX系合金及7XXX合金都含有Mg,对Mg杂质的含量不可大意。总之,建立专业化铝土矿、氧化铝、重熔用铝厂,对保证铝及铝合金化学成分的稳定性与可追溯性大有好处。美国奥科宁克铝业公司达文波特轧制厂(Savenport Works)与拉斐特厂(Lafayette)用的重熔用铝锭都是固定的铝厂提供的,前者生产轧制材;后者生产挤压材与锻件,还生产铝-锂合金锭。

很有必要建立专业航空铝材挤压厂与紧固件厂

中国已进入航空工业大发展时期,对C919、运-20、AG600“三兄弟”正在撸起袖子加油干;更大的国之三大重航容器——CR929、安-225、H-26已开始起跑;直升机大家族已直冲云霄;无人机开始翱翔蓝天。笔者估测,今后20年中国航空铝材与铝基复合材料的年复合增长率可达15%以上,2040年的需求量有可能上升到400kt,其中平轧材占58%左右,挤压机约占40%,锻件的占比不会大于2%。

轧制厂与锻压厂生产能力足够大

中国平轧铝产品与锻压产品的生产能力足够大,其中生产航空航天铝材的生产能力更大,全部运转可满足全世界的需求。可生产航空航天铝板带的主要企业:东北轻合金有限责任公司、西南铝业(集团)有限责任公司、南南铝加工有限公司、南山集团航材园20万吨项目、爱励(镇江)铝板带有限公司、忠旺天津铝板带有限公司等。

关于航空航天铝合金锻件生产,中国已跻身世界先进行列,早在10多年前西南铝业(集团)有限责任公司的铝合金锻件就已装上波音飞机,当前有成千上万架波音飞机含有西南铝铝合金锻件翱翔天空。中国有世界上*大的800MN锻压机,有20多家可生产航空锻件的企业,拥有近90台先进的锻压机。

虽然轧制与锻压生产能力足够大,但都是半成品,几乎没有深加工的可供飞机制造厂组装的零部件或很少,这是急待补的短板。例如,一块用5.08mm厚×7.0m长×2.3m宽的板铣削加工而成的飞机壁板用的合金为包铝的2024-T30,实际上这样的壁板完全可在铝轧制厂进行。由铝加工厂深加工是一项双赢的工作,加工厂可提高板材附加值,留下切屑,飞机制造厂可大大降低零件机械加工费用。可由铝加工厂深加工的飞机零部件数不胜数。

完善现有航空铝材挤压厂装备与建立紧固器厂

在中国现有的超千家铝材挤压厂中,除中铝西北铝加工厂等两三个厂外,其他厂都不是为现代航空工业服务的,因此都存在一些不足之处。现代航空工业铝材挤压厂的特点在装备的表征是:有2MN~160MN的挤压机群,因为有些无人机与直升机需要很小的挤压材与管材,实际上按单位长度上的质量计算,92%以上的挤压铝材都可以用≤60MN挤压机生产;在挤压机中,反向挤压机宜占60%左右;应有航空器零部件深加工中心或车间;除母公司有中央研究院外,工厂*好还有自己的研究发展中心,以便及时解决一些小的及临时性的问题;表面处理车间也是不可少的,但与建筑铝材的表面处理有所不同,主要用于处理深加工零件;宜有独立的熔铸车间,用感应炉熔炼与用美国阿尔梅克斯公司(Almex)的熔体净化与铸造设备。现对美国通用合金公司欧州厂(Universal Alloy Corporatioh Euyope,UACE)的简况作一介绍,供参考。

美国通用合金公司

美国通用合金公司(Universal Alloy Corporatioh,UAC)成立于1991年,位于美国加利福尼亚州阿拉海姆市(Anaheim,CA),目前它是世界*大的机身(Fuselage)铝合金挤压材生产者,约占市场份额的50%;1992年它的航空航天挤压铝材即占北美、欧洲、印度市场份额的40%~50%,下有两个挤压厂。

坎顿挤压厂1997年投产,有4台挤压机,至今仍在正常生产。1999年,航空航天市场开始下滑,公司决定向下延伸产业链,生产航空航天挤压铝材深加工产品,另一方面增加挤压材品种,从斯派克特卢里特·康沙迪公司(Spectrulite Consortium)购了一些二手挤压机,其中有1台原属道屋(Dow)化学公司的16200Ustf的重型挤压机,2003年从道屋化学公司的密苏里州圣路易丝(St Louis,Mo)工厂搬到坎顿挤压厂,此机原是美国空军重型挤压机计划(U.S.Air Force heavy press program)中的一台,制造者是德国杜伊斯堡(Duisburg)市液压机公司(Hydraulik GmbH),建于上世纪30年代中期,在第二次世界大战期间用于生产军工铝材,1946年作为战利品被美国没收。之后由水压改为油压,并增加了反挤压功能,2005年投产。

罗马尼亚挤压厂于2010年投产,它成了此后一二十年内通用合金公司快速发展的引擎。它是一个完整的挤压铝材生产企业,有熔炼-铸造车间、挤压车间和表面处理车间,后者2014年建成,有阳极氧化和涂漆工段。此厂建成后,通用合金公司的销售收入连续几年都以两位数增长,它位于罗马尼亚一个边远的县城,生产成本低,效益好,于是公司有能力建设全球技术中心(Global Technology Center,GTC),并于后来加入欧盟(European Union)。通用合金公司欧洲(Universal Alloy Corporation Europe,UACE),不但能生产经表面处理的高端挤压、铝材,而且可以生产航空器供组装的零部件,这个过程大约经过10年的时间,该企业发展模式值得我们有条件的企业借鉴。

挤压

通用合金公司欧洲2010年7月投产后,于2011年第三季度达到设计产能,有4台挤压机,航空航天挤压、铝材生产能力2000t/a,即166t/mo,2011年的实际生产能力达2500t/a。

通用合金公司欧洲的4台挤压机都是反向,其中1台1800Tf的可用254mm的圆锭挤压149mm外接圆的挤压材。反向挤压机与牵引机相结合可生产高品质的长大的材料,工厂拥有完善的实验装备,挤压车间有完备的挤压辅助设备,有1台13m的立式固深处理炉,4台退火时效炉,自动化包装线。在此需特别指出的是,挤压机与拉伸矫直机由通用合金公司设计,并提供控制装备,由中国成套制造的,时效、退火炉是美国塞科/瓦威克公司(SECO/Warwick)提供的,所有设备都能满足生产能力2500t/a的要求。挤压机与拉伸机很可能是太原重型机器股份有限公司制造的。

通用合金公司欧洲有一个非常高效且有竞争力的挤压工模制造部门,实行24h服务,工模具钢材全球采购,由于公司管理严谨有方,东欧劳动力成本又低,所销售的工模具单位成本是世界上*低的,交货期比任何其他公司都要短,2015年挤压模生产能力已达5000套/a~7000套/a,用户遍布北美、欧洲与亚洲,并拥有一批固定用户。

铸造

通用合金公司欧洲投资590万欧元(754.7万美元)建了一个现代化的铸造车间,可生产高品质的挤压用圆锭,质量上乘,生产成本低且工艺废料也得到有效利用。新熔铸车间有2台感应炉,采用先进的除气与铸造设备。

铸造机为立式的,有1台步进式均匀化退火炉,锯切机1台,还有3台车皮机,锭坯车皮后进入超声波探伤系统。通用合金公司欧洲现在的铸造与熔炼设备可以生产5000t/a锭,足以满足现在4台挤压机对锭坯的需求,但车间大小可以生产8000t/锭,可为未来公司扩大到6台挤压机提供足够的优质锭坯。

通用合金公司欧洲(罗马尼亚工厂)和美国加利福尼亚州阿拉海姆工厂铸造车间的铸造设备都是阿尔梅克斯美国公司(Almex USA Inc.)提供的,是全球公认的铸造航空航天铝合金锭的首 选,对铸锭品质有着充分的保证。

铸造机与2台感应炉的全部工艺参数控制由计算机执行,它们都联为一个网络,感应炉是美国感应热公司(Induction Thermal Corporation)提供的,每台的容量为3t。感应炉熔炼工艺与除气装备能确保熔体品质与纯净度满足航空材料标准要求。

通用合金公司欧洲2017年~2020年拟进行扩建;增加2台挤压机,1台固溶热处理炉,2台时效退火炉,提升生产能力3500t/a;铸造熔炼车间进行相应的扩建,增加1台感应熔炼炉。

深加工

为了延伸产业链,提高产品附加值,通用合金公司欧洲建了一个挤压产品深加工中心。中心产品直接瞄准机身零件,例如,座椅导轨、桁条、地板结构件、货物装卸系统、机翼零件等。这些零件的制造加工还与表面处理、配套(kitting)与组装(assemb/y)车间密切关联。

通用合金公司欧洲的深加工部门现有23台长床加工中心,其中有8m加工中心及1台Chiron MPS 15加工机。加工中心与组装车间位于同一5600m2的厂房内。

组装

航空器零部件的组装也是通用合金公司欧洲(罗马尼亚挤压厂)一个很重要的单元,是该公司提高效益的核心部门。航空器结构组装是一个劳动密集型工作,不管对零部件供应企业与航空器制造厂都是非常重要的关键部门之一。

罗马尼亚工厂在2012年~2016年不但向航空器制造公司提供零部件,也向建筑工程公司供应了一些结构件。现在则主要为空客公司A350提供电缆槽(electrical yaceways)以及为厐巴迪支线喷气客机)生产地板的一些次要结构件。

表面处理

表面处理也是航空航天零部件制造加工链中很重要的一环,可以提高零部件的附加值。表面处理包括阳极氧化、化学铣削涂漆与喷印标记。罗马尼亚工厂可向市场供应10m长的表面处理材与经表面处理的航空器工件,该厂的表面处理液不含铬,完全符合空客公司与波音公司的无铬处理规范TSA与BSA,所有的处理工序都可以满足NADCAP的规范,可完全满足当前*严格的环保法规与条例要求。

认证与认可

通用合金公司欧洲(罗马尼亚挤压厂)经过多家权威机构与部门的认证与认可(certifications and recognition):2009年11月获得AS9100 EN9100:2009认证,现在又得到修正版C的认证;2010年4月获空客公司产品质量证书,2011年获波音公司产品质量确认;不但获得NADCAP的环保认证,并扩认到ISO 14001∶2009。

2011年,通用合金公司欧洲获得空客公司颁发的1#*佳供应商奖(#1 Best Perfor SQIP Award),荣获此奖对提高通用合金公司欧洲声望大有裨益。

结语

本文介绍的通用合金公司欧洲是美国通用合金公司建在罗马尼亚的一家子公司,企业不大,所有挤压机都是反向的,同时都是中国制造的,专门挤压航空器铝材,占欧洲航空航天挤压市场份额40%以上,还制定了近中期规划,准备进行大规模建设,与母公司在一起,朝着占全球航空航天挤压铝材市场份额50%目标前进。几年前,还成立了环球技术中心(GTC),对公司技术与经营管理的发展起到一定的促进作用。

通用合金公司欧洲的另一特点是建了一个挤压铝材航空器零部件深加工中心,技术先进,并达到一定规模,直接向航空器制造厂提供组装某些零部件,这是一项双赢的工作。中国铝加工企业在航空器零部件深加工方面尚处于起步阶段,甚至尚未迈出第 一步,笔者撰写此文的目的之一,是希望有条件的企业能在航空航天铝材深加工方面下点功夫,直接为航空器制造企业提供可组装的高端零部件。中国有些铝材挤压企业已具备了建深加工车间的条件,有些仍需增加一些必要的装备。熔铸车间*好用感应炉、阿尔梅克斯公司铸造设备、大中小配套齐全的反向挤压机与加工中心。(王祝堂)

铝业 铝材

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