西南铝业铝锂合金在国产大飞机研发制造中的应用

铝锂合金被叫做"21世纪航空航天最理想的结构材料之一"，原因很直接：每往铝合金里加1%的锂，合金密度降约3%，弹性模量升约6%。C919机体结构中，铝锂合金约占7.4%—8.8%，是减重环节里绕不开的材料。

西南铝1965年建厂，三线建设时期就扎根重庆，是国内头一家搞铝锂合金开发并实现量产的企业。从"七五"计划到现在，第二、三代铝锂合金产品都研制出来了，已经在航空航天器上装机使用。2021年，其"高精铝锂合金材"拿到工信部第六批制造业单项冠军产品认定。

铝锂合金：为什么航空选择它

锂（Li）是自然界最轻的金属，密度只有0.534 g/cm³，差不多是铝的1/5。把锂加到铝合金里，两件事同时发生：每加1%（质量分数）的锂，密度降约3%，弹性模量升约6%。锂还能跟铜、镁等元素结合，形成Al₃Li、Al₂CuLi等强化相，把比强度和比刚度拉上去。铝锂合金的典型密度在2.47—2.72 g/cm³之间，比传统的2系、7系铝合金（约2.78—2.85 g/cm³）低一截。简单说就是：轻了，硬了，刚性也上去了。对飞机减重来说，这三点加在一起很有吸引力。

铝锂合金的研究可以追到1924年，德国学者在铝锌合金里加了0.1%的锂，起了个名字叫"司克龙合金"（Scleron）。将近一百年里经历了四个阶段。第一代在1920到1960年代，典型牌号2020，密度低于2.7 g/cm³，但断裂韧性差，没大规模用。第二代在1970到1980年代，牌号有1420、2090、8090，锂含量超过2%，密度最低到2.5 g/cm³，但各向异性严重、塑韧性不够。第三代从1990年代到现在，牌号包括2195、2196、2198、2099、2A97，锂含量降到1.0%—2.0%，靠成分优化和热处理实现强韧化，综合性能好。第四代2009年提出，代表牌号2055，多元微合金化，锂含量更低，强度和韧性更高，整体性能超过7000系铝合金。

西南铝业参与的"新型轻质高性能铝锂合金工业化制备"科技成果（重庆市科委计划项目）给出了2195铝锂合金的关键性能指标：常温T8状态下（LT向），抗拉强度Rm≥560 MPa，屈服强度Rp₀.₂≥500 MPa，延伸率A₅≥6%，弹性模量E≥73 GPa，密度ρ≤2.72 g/cm³，氩弧焊接头系数≥0.6（焊后不热处理），工业板材规格6.0×800～1200×3000～6000 mm。到了-196℃的低温环境，抗拉强度反而升到≥650 MPa，延伸率也从6%升到8%。液氢（-253℃）、液氧（-183℃）贮箱要用到的就是这种性能——温度越低，材料不但没变脆，反而更强、塑性更好。

西南铝的研发历程：从"七五"到现在

西南铝是国内最早搞铝锂合金开发并量产的企业。我国铝锂合金研究从1986年"七五"开始，西南铝业公司和中南大学等单位一起做仿2091中强型铝锂合金。北京航空工程制造研究所用2091铝锂合金造出了某歼击机零件，比原来减重15%，成本降了20%。"八五"期间，西南铝建了1吨级铝锂合金半连铸机组，国内铝锂合金工业化生产有了基础。

"九五"期间，国家航天发展规划提出需求，中南大学和西南铝业公司对液氢/液氧贮箱用2195合金做系统研制，制备出了大规格薄壁挤压管材和板材，性能跟美国Alcoa公司的2195合金相当。突破的关键技术包括合金成分精准控制、大规格铸锭缺陷控制、全程微观组织调控、大规格板材形变热处理，实现了大规格铝锂合金细晶化、均质化，强度、韧性、低温性能、焊接性能协同提高。

2020年12月，西南铝"航天用铝合金锻环"拿到第五批国家级制造业单项冠军产品。2021年，"高精铝锂合金材"又拿到第六批。制造业单项冠军的评选标准有三条：长期专注于制造业细分产品市场、生产技术或工艺国际领先、单项产品市场占有率全球前列。西南铝在铝锂合金和锻环两个细分领域都拿到了，说明技术水平确实到了国际领先那一档。

C919上的铝锂合金

C919是我国按国际主流适航标准自行研制的喷气式民用客机，有自主知识产权。材料选用上兼顾成熟性和先进性：主承力结构（中央翼、机翼、机身）用的是ARJ21上验证过的成熟铝合金；尾翼、后机身、襟缝翼用了碳纤维复合材料，占比约12%；机身蒙皮和长桁，第一次在国内民机上大规模使用第三代铝锂合金。铝材是C919机体用量最大的材料，约占全机结构总重的65%，其中第三代铝锂合金占7.4%—8.8%。

C919用的铝锂合金牌号主要有三种：2196、2198和2099，都在美国铝业协会注册过。2198以厚板形态用于前机身、机头、中机身和中后机身的蒙皮；2196以挤压材形态用于前机身、机头、中机身和中后机身的长桁，也用于地板梁和支柱；2099以挤压材形态用于座椅导轨。用了铝锂合金，飞机铝合金零部件可以减重14%—30%，每架飞机每年飞行费用能降2.2%以上。

C919立项开始，西南铝就接了旅客观察窗等13项关键铝合金材料的研制任务，搞出了多项核心技术，综合性能达到国际先进水平。C919上50%的铝合金材料是"西南铝造"。到目前为止，西南铝为C919提供了各类高性能铝合金材料上千件，总重近600吨。2024年的数据显示，西南铝给C919供了30个规格、600余件铝合金材料，用在机翼、起落架等部位，锻件已经向中国商飞批量供货。有个细节值得提一下：西南铝加工锻造的7050铝合金（注意，7050不是铝锂合金，是Al-Zn-Mg-Cu系高强铝合金），行业内最难铸造的铝合金之一，以前只能靠进口，现在完全国产化了。

西南铝展厅里有一件C919大飞机旅客观察窗窗框精密模锻件。这块弧形全非加工精密模锻件只有1.5公斤重，锻件成型难度很大。"C919的机头窗框和旅客观察窗绝非普通部件，它们必须与机身、舷窗玻璃严丝合缝，更要能在万米高空，顶住高速飞行带来的巨大压力冲击。"西南铝技术质量部（技术中心）经理王理说，尺寸精度要求近乎苛刻，偏差不能超过0.2毫米，比一根头发丝还细。西南铝团队用了数字化仿真和微观组织调控技术，在0.01毫米的精度范围内调控材料的晶体结构，突破了超大规格铸造、精密等温锻造及数字模拟成型等20余项核心技术瓶颈。

2019年，C919研制碰上了硬茬：核心精密铝材被外方卡住，随意涨价、交期拉到72周，研发量产严重受阻。当时国内既没有替代技术，也没有量产能力。"核心技术买不来、讨不来、换不来，国之重器关键材料必须自主可控。"西南铝副总经理冉继龙说。西南铝靠60多年铝加工积累和10多年预研底子，集中力量攻关，半年内完成这款铝材的技术迭代和稳定量产，打破了海外垄断，外方取消涨价、恢复正常供应。到现在，西南铝累计突破20余项核心关键技术，为C919供应近2000吨高精铝材，13项核心材料进入中国商飞合格供应商目录，关键铝材全面国产化替代。另外，西南铝团队通过超过1000个试样分析、30余种工艺试制，解决了民机某关键结构件长期存在的强韧性与应力腐蚀匹配问题，民机铝材100%国产化又往前迈了一步。

航天工程里的铝锂合金

铝锂合金在航天领域也有西南铝的份。2007年，西南铝攻下大铸锭铸造、锻造开坯、环件轧制、冷变形等技术难关，研制出2219铝合金五米整体环件，刷新了铝合金整体环件的亚洲纪录，用在长征五号运载火箭上。后来为了进一步减重、提升组织性能，西南铝又研制出2195铝锂合金异形截面整体环件，环件重量降了4%以上。4%看着不多，但在运载火箭领域，每减1公斤就意味着可以多送1公斤有效载荷入轨，经济价值以百万计。

铝锂合金在航天领域最重要的应用之一是火箭推进剂贮箱。液氢（-253℃）和液氧（-183℃）的低温环境对材料要求很苛刻，而铝锂合金恰恰有优异的低温性能——前面提过，2195合金在-196℃下抗拉强度≥650 MPa，延伸率≥8%，都比常温好。"九五"期间，中南大学和西南铝业公司针对液氢/液氧贮箱用2195合金做系统研制，制备出了大规格薄壁挤压管材和板材，性能跟美国Alcoa公司2195合金相当。之后，航天一院研制出直径3.35米的铝锂合金燃料贮箱和一体式箱底。

锻环研制是西南铝服务国家战略的典型例子。1989年，西南铝造出3.5米锻环，用在"长二捆"火箭上，被称为"亚洲第一环"。2007年，5米锻环出来，用在长征五号上，填补了国内空白。2015年，9米环创了世界纪录。2016年，10米环再次刷新世界纪录，这次是为长征十号重型运载火箭准备的。2020年12月，西南铝"航天用铝合金锻环"拿到工信部制造业单项冠军产品称号。

差距和追赶

C919上用的部分铝锂合金材料，项目初期是靠进口的。《特铸杂志》2023年发表的研究综述提到，国产C919大飞机用2060、2099等铝锂合金均进口自美国Alcoa（美国铝业）公司。项目初期，C919的铝锂合金主要来自美国铝业公司和法国肯联铝业。后来中国铝业、南山铝业等国内企业逐步加入C919材料供应体系。西南铝通过波音、空客、塞峰和商飞的材料认证，一步一步实现国产替代。

中国铝锂合金产业化还面临一些问题。产品性能稳定性和一致性、生产成本方面，跟国外先进产品比还有差距。含钪（Sc）铝锂合金（AlLiSc系）的核心壁垒在钪元素提纯技术和均匀弥散强化工艺，国内企业突破了中试生产，但跟俄罗斯VSMPO-AVISMA公司还有技术差距。

差距在，但追赶速度也在加快。根据《有色金属工业"十四五"发展规划》目标，到2030年，国内铝锂合金产能将大幅提升，满足C919、C929等国产大飞机的机身材料需求。西南铝2021年通过波音、空客、塞峰和商飞的材料认证，铝材产品质量获得了国际航空业认可。13项核心材料进入中国商飞合格供应商目录，关键铝材全面国产化替代。

这两年的新进展

2024年，西南铝全年产量同比增加12%，创历史新高。A品（航空航天等高端产品）产量同比增加6%，民品产量同比增加13%，营业收入同比增加5.7%。2024年平均月产量保持在56000吨以上。2024年12月3日早上08:05，中国东方航空全球首架C919国产大飞机首飞重庆。这架飞机上，"西南铝造"的身影随处可见。

2025年是西南铝建厂60周年。1—10月，西南铝铝材产量同比增长4.8%，其中服务国家战略的高端产品产量增幅11.5%。西南铝正在搞五条生产线：宽幅板带、大挤压、高性能环件、循环经济、中厚板扩能，预计2027年建成投产，综合产能将到100万吨。装备方面，2018年和2024年，西南铝分别完成了1.25万吨卧式挤压机和3万吨模锻压机动力系统的"水改油"升级改造，设备精度、生产效率和产品质量都大幅提升。国内自主设计、制造的首台（套）2800mm全油冷轧机组也在西南铝建成投产。2026年一季度，西南铝产销量达17.5万吨，二三月连创历史新高。

从C919到C929

"一代飞机，一代材料。"从ARJ21到C919，再到正在研发的C929宽体客机，材料体系一直在迭代。C919以铝合金为主（约占结构总重65%），复合材料占比约12%。预计C929的复合材料占比将达到51%。也就是说，C929上铝锂合金要跟复合材料争主承力结构的位置。

但铝锂合金有自己的长处：相比复合材料，成形和维修方便，还能回收。同时第四代铝锂合金（如2055合金）在强度、韧性、疲劳性能上持续提升，整体综合性能已经超过目前航空大规模使用的7000系铝合金。未来铝锂合金的研发方向有三个：一是在耐损伤性能、疲劳寿命和耐蚀性能上攻关，研发第四代铝锂合金；二是用2065、2055、2050代替7150、7055、7050等传统高强铝合金，配套T8X热处理代替T7X热处理；三是加快新一代熔铸技术、喷射成形技术、粉末冶金技术的研发，降低生产成本。据行业预测，未来二十年我国民用飞机铝锂合金需求总量约34万吨。

从"七五"仿制2091合金起步，到"九五"突破2195合金制备技术；从2021年"高精铝锂合金材"拿到制造业单项冠军，到为C919累计供应近2000吨高精铝材——西南铝花了近四十年，给中国航空工业造出了少不了的材料。西南铝党委书记、董事长黎勇说过一句话："改革不是做选择题，而是做必答题。"铝锂合金这条路上，西南铝从跟着跑，到并排跑，现在在往前面冲。