历久弥新的航空铝合金

首飞百年容克F.13，图片来自junkers-f13.com

100年前的1919年6月，容克F.13首飞成功。这种人类历史上的第一种全金属客机，使用2017-T4铝合金（Al-4Cu-0.5Mg）作为机体材料，以256马力BMW直列6缸发动机为动力，可载客4-6人。

铝合金作为航空材料的主角近百年

航空人常说，“一代材料，一代飞机”。飞机诞生以来的100余年来，铝合金几乎成为飞机材料的代名词。虽然在某些机型上，其使用量已经退居次席。铝合金仍然是历久弥新的主力航空材料。在第一种全金属飞机首飞百年之际，本文就航空铝合金的发展做一个简单的回顾。

铝合金使用比例（灰色部分），图片来自波音公开资料

航空铝合金诞生与进化

航空铝合金的衍生路线图，出自Alcoa

19世纪末发明电解铝技术后，1903年，德国人发明了含4%铜的Duralumin，并用在一战早期的容克J.1上。Duralumin后来被美国铝业协会被命名为2XXX铝合金。第一种重要的航空铝合金是100年前的2017-T4，从它开始，航空铝合金逐渐演化出了适用于不同航空航天产业的一个大家族。

几种常用铝合金成分与演化关系

由上图可见，常见的铝合金2024铝合金是在2017的基础上添加了镁Mg，7075又在2024的基础上增加了锌Zn，并调整了Mg与Cu的含量。

铝合金比强度（红点）与比模量（黑点）(Aloca)

这幅Aloca的图值得珍藏。可以明显看出，铝合金材料发展有两个阶段:

第一个阶段是20年代前后到60年代。2000系列铝合金使全金属飞机成为主流，以早期7075为代表的7系列铝合金则使在平流层飞行的客机成为可能（每平方米需要承受6吨的巨大压力）。代表机型是DC-3，B-29与707。

第二个阶段是60年代到90年代中期。7150，7050和7055等一系列新型7系列铝合金被开发出来，在兼顾疲劳特性的同时提高了比强度。代表机型是A300系列，777。

最后，2000年以后，复合材料的竞争下，铝合金也产生了新的进化：第三代铝合金以铝锂合金为代表，被越来越多新研制机型采用。代表包括A380，C系列（现在的A220），我国的C919等。

再从另一个角度来看铝合金的进化，横轴是强度，纵轴代表韧性。

第一代铝合金与主要机型

一代名机DC-3上第一次使用了2024铝合金。DC-3开创了一个时代，2024铝合金也一样，其至今仍是飞机钣金结构件常用的原材料。

二战的开始加速了材料的进化。拥有气密机舱的B-29的首次采用了划时代的7075第一种超高强度铝合金，比强度相对2024几乎提高了50%，却又有相近的比模量。

第二代铝合金的代表机型

加拿大航空的777，图片来自中航国际设备器材事业部李洋

现役的777采用铝合金为主要材料，是第二代铝合金材料的集大成者。也应该是最后一种以铝合金为主要材料的宽体民航客机。

第三代铝锂合金与代表机型

铝锂合金的优秀性能，图片来自Alcoa公开资料

第三代铝锂合金通过化学成分，热处理的最优化，可以实现强度和硬度的平衡，低密度（减重），抗腐蚀，抗疲劳，热稳定性等多种性能的平衡。

可以广泛的应用与机翼和机身机构，又强又韧，堪称“完美铝合金”。

图片来自日本住友轻金属资料

对铝锂合金的成分，很多人有误解，其实含Li量一般在2%以下。而且铝锂合金本身并不是新材料，50年代末美国RA-5C侦察机上就有应用。Mig-29座舱部分结构也是使用美铝合金（俄1420）。

铝锂合金在2000年以后逐渐成熟，发展到第三代，一个主要变化点其实是低Li。目前代表的材料是肯联（Constellium)的2050,2196，以及美铝（Alcoa）的2099,2397。

A380材料分布，图片来自<飞行国际>

A380在材料发展史上是重要机型。除了大量使用的新型复合材料（包括铝合金与环氧玻纤胶接成的Glare层板等），巨无霸的身材也带动了第三代铝合金的研发和应用：例如新型7系列铝合金7085-T7651，第一次大量应用了铝锂合金，如新型铝锂合金2099-T83，甚至新型6系合金6013-T651等。虽然今年年初，空客宣布A380将在2年后停产，商业上不能说是成功，此机型的研发和应用在技术发展史上还是有特殊地位的。

双层的A380在下层地板结构上使用了铝锂合金

我国在C919上也大量使用了铝锂合金，据报道，机身蒙皮使用了2198-T8板材；机身长桁、地板梁、支柱、座椅导轨是用2196-T8511/2099-T83挤压材制造。

C919 102架机，图片来自新华社

目前，美铝是商飞的主要材料供应商，但相信在需求的牵引下，未来我们的大飞机必然会用上我国国产的铝锂合金材料。

铝合金作为机体主材料已经100年了。时至今日，新一代的铝合金在成本，工艺性和维修等多个方面，仍然有独特的优势。复合材料技术成熟的日本在研发的MRJ铝合金材料达83%。目前，批产速率单通道飞机的主要机体结构仍然2000系与7000系铝合金。而发展100年后，在占交付数超过80%的机型上，铝合金仍然是最主要航空材料，可谓“历久弥新”。