国防军工国产大飞机系列报告之二：大飞机应用材料解析

国产大飞机C919即将实现交付运营。我们将围绕国产大飞机的机体结构与制造流程、应用材料、机载设备、航空发动机和市场空间等问题发布系列研究报告。本篇报告在综合上市公司公告和重要文献的基础上重点探讨大飞机的材料应用情况。 ►C919选材兼具成熟性和先进性，先进材料应用比例高于对标机型波音737、空客320。 “一代飞机、一代材料”，先进材料的应用是航空技术发展和进步的最重要推动力之一，同时，航空技术的发展需求又极大地引领和促进航空材料的发展。从国外大型客机材料应用情况来看，复合材料和钛合金的在飞机上的占比迅速提升，成为衡量先进飞机的重要指标。C919选材兼具成熟性和先进性：在中央翼、机翼、机身等主承力部段上使用了经ARJ21飞机成功验证的铝合金等成熟材料，在尾翼、后机身和襟缝翼上使用了复合材料，特别是在尾翼盒段和后机身前段上使用了国外先进的第三代中模高强碳纤维复合材料，在机身蒙皮和长桁结构中使用了第三代铝锂合金。C919先进材料应用比例高于对标机型波音737、空客320，绝大部分性能指标与其持平。预计随着后续C919的批量交付，先进材料国产化进程将再提速。 C919采用第三代先进铝锂合金，综合减重7%。 铝材是民机制造最重要的关键材料之一，C919前机身、中机身、中后机身、机头与机翼结构件几乎全是用铝材制造的，铝材占全机结构总重的比例为65%，其中第三代先进铝锂合金占比达到8.8%。铝锂合金具有低密度、高弹性模量、高比强度和高比模量的优点，减重成效显著，已成为当前各国争相发展的重要航空材料。采用铝锂合金可使飞机铝合金零部件的质量减轻14%～30%，进而使得每架飞机每年的飞行费用下降2.2%以上。国内铝锂合金研发已取得重大突破，建立了具有自主知识产权的合金牌号，如2A97、X2A66，但产业化刚刚起步，目前仍依赖进口。不过，C919机身所使用的其余高端铝材或即将实现100%国产化，主要由西南铝业和南山铝业提供。 ►钛合金广泛用于飞机机体和发动机，是C919上国产化最多的先进材料。 与铝、镍等主要航空用金属相比，钛是唯一一种广泛用于飞机机身及发动机的材料，强度、耐热性、耐蚀性、抗弹性和成形加工性良好。并且，由于钛与碳纤维复合材料的电极电位相近，使得它又成为复合材料惟一的连接材料，在航空紧固件中得到大量使用。C919飞机的前机身压板、机头蒙皮、吊挂、中央翼缘条、尾翼接头、机翼滑轨等部位均使用了钛合金，总用量达到机身结构重量的9.3%。C919飞机选择了6个钛合金牌号，包括低强高塑性、中强中韧、中强高韧、高强高韧及系统用材，产品形式涵盖了锻件、厚板、薄板、型材、管材、丝材等。 同时，钛合金是C919上国产化最多的先进材料，宝钛集团和宝钢股份都已有材料在大飞机上使用，西部超导Ti-6Al-4V钛合金也已通过商飞资质认证。C919钛材用量约为3.92吨/架，假设未来20年可制造1200架C919，在不考虑损耗率的情况下预计带来4700吨航空钛材需求量，市场空间广阔。 ►T800碳纤维复合材料首次在国内民机上使用，国产化指日可待。 复合材料在C919上的应用达到12%，绝大部分为碳纤维/环氧树脂复合材料；应用部位包括水平尾翼、垂直尾翼、翼梢小翼、后机身、雷达罩、副翼、扰流板和翼身整流罩等。这是国内首次在民机上采用如此大规模的复合材料，此前ARJ21支线客机复合材料用量为8%左右；这也是国内首次在民机上使用T800级高强碳纤维复合材料，T800级碳纤维的拉伸强度和拉伸模量较T300提高50%左右，性能优越。 国内企业现已具备航空用T300级和T700级碳纤维的技术和批生产能力，且已在军用航空复合材料上批量应用；T800级碳纤维完成了工程化试制，正在进行装机验证。为响应航空航天高需求，头部厂家近几年纷纷扩产。目前，C919取证机所用的复合材料绝大多数都是进口的，预计在取证完成后将开启国产替代。国内碳纤维厂商光威复材、恒神股份、中复神鹰均在不同程度上与商飞和下游零部件厂商展开合作。光威复材参与C919的PCD适航认证，并获得预批准。针对CR929的应用目前材料准备在进行中；中航高科入选中国商飞CR929前机身工作包唯一供应商。预计C919将带来年均300吨复合材料需求量，其中，对国产T800级碳纤维的需求将达到年均100吨。 投资建议 C919大飞机的研制极大地推动了我国先进材料技术整体研发能力的提升和产业化发展，预计随着C919的批量交付以及未来CR929的加速研制，国内先进材料供应商将迎来重大发展机遇，相关受益公司为： 1、宝钛股份：钛材行业龙头，大飞机钛合金板材主要供应商，为首架C919飞机提供了多种规格的钛合金棒材、厚板和薄板材料。 2、西部超导：国内高端钛合金棒丝材、锻坯主要生产基地之一，已通过商飞Ti6Al4V钛合金材料资质认证。 3、光威复材：碳纤维龙头企业之一，T300级碳纤维已在军用飞机上大量使用。参与C919的PCD适航认证，并获得预批准。针对CR929的应用目前材料准备在进行中。 4、中航高科：入选商飞CR929前机身工作包唯一供应商，完成商用航空发动机复合材料风扇叶片、流道板、叶栅等产品的研制任务，1种内饰蜂窝入选了中国商飞QPL目录。 5、博云新材：与霍尼韦尔合资，为C919供应碳/碳复合材料机轮刹车系统。 风险提示 C919适航取证速度、交付进度不及预期的风险；受新冠疫情影响，民航市场需求不及预期的风险；产能建设不及预期的风险。 1.开篇：一代飞机，一代材料 1.1.材料与飞机相互推动，不断发展 “一代飞机、一代材料”，材料与飞机一直在相互推动下不断发展。首先，先进材料的应用是航空技术发展和进步的最重要推动力之一。航空材料是航空产品的技术性能、生存能力、延长寿命和提高经济可承受能力的基础，属于优先发展、重点突破的关键技术。成本方面，材料是飞机制造的物质基础，一定程度上决定了飞机机体结构的制造成本。供应链方面，材料是商用飞机“供应链保障”上的一个重要环节。可以说，航空材料的发展对航空技术起到强有力的支撑和保障作用；反过来，航空技术的发展需求又极大地引领和促进航空材料的发展。 民用飞机的材料发展经历了五次跨时代的发展。由于工业水平有限，以莱特兄弟为代表的第一代飞机采用木制的梁条、翼肋、机翼包裹帆布，利用钢索固定维持机身的刚度，例如第一次世界大战的绝大部分飞机。随着工业发展及结构设计方法认知，结构设计仅以材料静强度试验为准则，第二代飞机采用铝合金、钢材等作为主结构。为了减轻机体重量并提升飞机性能，第三代飞机机体结构除了铝合金 、钢材等材料外，新增了钛合金；而第四代飞机机体主结构采用了轻质铝合金、钛合金作为主承力材料，非主承力结构上选取少量的复合材料；第五代飞机采用了更为先进的复合材料、钛合金及部分铝合金。 从国外大型客机材料应用的具体情况来看，传统的铝合金及结构钢在飞机上的用量逐渐减少，而复合材料和钛合金的占比快速提升。根据《一代材料技术，一代大型飞机》，从波音787开始，50%用量的复合材料成为未来飞机的起点，继波音787之后，空客A350改进型(A350XWB)的复合材料用量从原来的37%提高至52%。同时，钛合金用量与日俱增，一方面是因为它在减轻结构重量上的优势，另一方面则是因为钛与碳纤维复合材料的电极电位相近，钛合金又成为复合材料惟一的连接材料。 飞机结构材料总体发展趋势是轻质化、高强度、高模量、耐高温、低成本。随着航空航天产业的快速发展，对飞行器重量、性能、能源消耗等要求地不断提高，对材料也提出了更严格的要求。其中，降低重量是最首要的目标。根据《航空航天材料发展现状及前景》，小型民机的结构重量每减1磅所获得的直接经济效益为50万美元/磅，而对战斗机来说，这个数值是400万美元/磅，商用运输机为800万美元/磅。 为降低重量、提高性能，通常采用减小飞行器部件尺寸的办法，但该方法会导致零件刚度降低和疲劳寿命减少。当前最有效的减重方法是发展低密度材料。 1.2.商用飞机材料要求高，C919选材兼具成熟性和先进性 商用飞机选材犹为严苛。总体而言，客机对材质的要求比军机对材质的要求更为苛刻，大型客机对材质的要求又比中小型客机对材质的要求高。在商用飞机发展目标围绕“更安全、更经济、更舒适、更环保”开展设计，提出了“减重、减阻、减排”的目标设计。对材料而言，也提出了“轻量化、高可靠、长寿命、高效能、绿色环保，飞机材料需要满足“性能优先原则”、“先进性原则”、“成熟型原则”、“经济性原则”和“环保性”原则五大原则。同时，综合考虑各方面需求，大飞机的材料也要满足适航当局、飞机设计制造商、航空公司等三方面的要求。 中国商飞已具备基本的选材能力，C919选材兼具成熟性和先进性。中国商飞已经基本建立起“在理解自己产品需求的基础上科学评价材料可用性”的技术能力。已经基本具有工程设计中材料选用权、材料及供应商的合格鉴定权、采购过程中的选择权。商飞为ARJ21和C919两款飞机共计选用金属材料100种、非金属材料200余种、标准件数千规格。同时，选材中体现了成熟性和先进性的结合，以C919大型客机为例，在中央翼、机翼、机身等主承力部段上使用了经ARJ21飞机成功验证的铝合金等成熟材料，在尾翼、后机身和襟缝翼上使用了复合材料，特别是在尾翼盒段和后机身前段上使用了国外先进的第三代中模高强碳纤维复合材料，在机身蒙皮和长桁结构中使用了第三代铝锂合金。 根据《C919大型客机总装下线助推我国材料产业发展》，以重量来划分，C919机体结构中65%为铝合金（其中铝锂合金为8.8%）、12%为复合材料、9%为钛材、剩下为钢材和其他材料。作为对比，ARJ机体结构中铝、复合材料、钛、钢占比分别为75%、8%、2%、10%。C919大客机的研制与生产，极大地带动了我国钛合金、铝合金、复合材料等材料的发展，使我国在材料领域获得了很多重要进展，也带动了一批相关产业的发展。 2.铝合金 2.1.铝合金目前占据航空材料的主导地位 铝材是民机制造最重要的关键材料之一，也是应用最为广泛的材料。铝合金是混合型金属，包括铜、锌、锰等多种金属元素。一方面，铝合金的密度小，其密度大约是铁密度的三分之一，由于铝合金中含有丰富的混合金属元素，熔点在60摄氏度左右，可塑性较强，同时也兼有铜、锰等多种金属抗腐蚀性的特点，因此在航空领域得到广泛应用。 C919前机身、中机身、中后机身、机头与机翼结构件几乎全是用铝材制造的，铝材占全机结构总重的比例为65%。上述主要零部件是用当今高端传统2xxx系与7xxx系铝合金制造的，一些重要结构件则是用铝-锂制造的，一些次要的零部件与功能零件，如空调系统、油路管、行李架、卫生设施等则是用其他铝合金制造的。C919飞机是由一百多万个零部件连接组装而成，铝合金零件的连接与其他零件的连接如发动机与机翼的连接，在飞机的制造中起着非常重要的作用。 C919大飞机所使用的铝材档次是最高的，符合它的要求的铝合金材料在其他航空器上也都可以使用。按生产工艺难度与价格高低可以将C919使用铝材分为如下的几类：1）常用传统铝合金材料：7075-T62、7075-T73、7075-T73511、2024-T42、2024-T3511、2024-T3等；2）7050-T77型与7055-T77合金；3）近代发展起来的铝-锂合金：2196、2198、2099等。第一类材料，我国已解决了“有无问题”，但竞争力问题尚未解决。因为材料的经济性是飞机公司选材的重要原则之一，国产铝材必须各项性能指标务必全面达到或超过制造原型取证机用的进口铝材的，以全面替代进口产品，同时价格合理，才具备国际市场竞争力；第二类材料仍需解决供应问题；第三类材料仍与国外有较大差距，研制一代新飞机所需要的全部新型铝材，即使在工业发达国家也需要六七年的时间。 C919铝合金或即将实现100%国产化，带动90000t高端铝材市场。根据《铝材力推三大“国之重器”遨游蓝天》，C919原型机出于获取适航取证的需要，铝材均使用进口材料，从第二架飞机