一代材料技术 一代大型飞机

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1、一代材料技术 一代大型飞机曹春晓中国一航北京航空材料研究院南昌航空大学二OO七年十月目 录一、前言二、欧美新一代大型飞机的材料技术特色1. 复合材料和钛合金的用量创历史新高2. 一些具有新意的材料技术崭露头角三、关于我国大型飞机选材原则的建议四、结束语一、 前言 2007年2月26日，温总理主持召开国务 院常务会议，原则批准大型飞机研制重大 科技专项正式立项。引起了国内外的高度 关注。 2006年10月19日，中央军委曹刚川副主 席在视察一航材料院时强调 “一代材料， 一代装备”，阐明了材料在飞机研制中的 重要地位。 一百多年来，材料与飞机一直在相互推动下 不断发展，飞机机体的材料结构经历了四

2、个阶 段的发展，正在跨入第五阶段。第一阶段（19031919年）：木、布结构 第二阶段（1920 1949年）：铝、钢结构 第三阶段（1950 1969年）：铝、钛、钢结构 第四阶段（1970 21世纪初）：铝、钛、钢、复合材料结构（以铝为主 ） 第五阶段（21世纪初 ）：复合材料、铝、钛、钢结构（以复合材料为主 ） 二、 欧美新一代大型飞机的 材料技术特色1. 复合材料和钛合金的用量创历史新高空客民机机体上钛合金和复合材料的用量（% ）复合材料在军民用飞机上的应用增长趋势大型飞机钛用量随年代的变化707727737747747-SP757767777787A380A340A320C-5C-1

3、7A300C-17运输机钛用量10.3%（钛零件总重6.8吨） 铝合金用量69.3%，钢用量12.3% 复合材料用量8.1%欧洲军用运输机 A400M复合材料用量35%40%空中“泰坦尼克”A380，铝合金61%，复合材 料用量22%，钛合金用量10%。空中客车 A350复合材料用量 37%铝锂合金用量23%铝合金用量11%钛合金用量9%钢用量14%其它用量6%波音787复合材料用量50%，铝合金用量 20%，钛用量15%，钢用量10%垂直稳定面尾翼水平稳定面纤维复合材料襟翼阻流板 机翼箱发动机舱罩主起落 架舱门前起落 架舱门机头A380选用纤维增强树脂基复合材料的部位副翼波音787选材2.

4、一些具有新意的材料技术崭露头角(1) 波音787复合材料整体机身段(2) A380率先在中央翼盒上大量采用复合材料 （原为全金属结构）。波音787则进一步发展 为全复合材料翼盒直至全复合材料机翼。A380中央翼 盒重11吨， 其中复合材 料4.5吨，减 重1.5吨。(3) 液态复合成形(LCM)已作为成熟的工程 技术应用于新一代大型飞机。由于LCM技术具有成本低、周期短、质量高、工 作环境好和有利于结构整体化等优点，使原来在 减重方面就占优势的树脂基复合材料如虎添翼， 显著增强了与金属材料的竞争力。LCM可分为RTM（树脂转移模塑）和RFI（树 脂薄膜浸渗）两种制备技术。比如A380中央翼盒的

5、5个工字梁用RTM制成，并 率先采用RFI技术制造复合材料襟翼滑轨梁。波 音787机身的很多地板横梁用RFI技术制造，其起 落架撑杆则用RTM技术制造。(4) 波音787、A350等大型客机用的 GenX发动机采用了复合材料前风扇机 匣和带钛前缘的复合材料风扇叶片复合材料风扇叶片在 GE90上使用近十年来未出现任何问题。 GE90的成功使用，使 GenX放心地正式选用带钛前缘的复合材料 风扇叶片。(5) A380和波音787分别选用了层间 混杂复合材料（纤维金属层板） GLARE和TiGr金属金属纤维/树脂 金属纤维/树脂第一代ARALL第二代GLARE第三代CARE 第四代TiGr 与ARA

6、LL相比，GLARE的密度较高和模量较低，但其成本显著降低，而且显著提高了疲劳性能、拉伸强度、压缩性能、冲击性能和阻尼性能，因此GLARE层板一问世，就引起世界各大飞机制造公司的关注。九五期间BAIM的疲劳试验结果表明，3/2GLARE的疲劳寿命为胶接铝板的2335倍,这是由于纤维的桥接作用降低了铝板裂纹尖端的应力强度因子，经过一定循环次数后裂纹以近似恒定的速率扩展。 在A380 上 GLARE机身壁板一共有27块，最长的一块为11米，总覆盖面积达470平方米（见下一页的图）。图中的橄榄色给出了GLARE在A380机身上的使用位置，此外 GLARE还用在垂直尾翼的前缘和水平稳定面上。GLARE

7、用量 占A380总结构重量的3%，使A380结构重量减轻800Kg，还提 高了使用寿命和可维修性，成本却与铝材相近。由于CARE很难彻底解决碳纤维与铝合金之间的接触腐蚀问题，因此迄今无商品化产品，而TiGr既无电化学腐蚀问题，又可进一步提高综合性能（特别是高温性能），因此就应运而生。据报导，波音公司将选用TiGr制造B787的机翼和机身蒙皮。TiGr还可以用来作为蜂窝夹层的面板。实践表明，用自动铺放的TiGr层板的性能高于手工铺叠的TiGr层板。(6) A380是首次推出全钛挂架的飞机，A350 也采用全钛挂架，均选用退火的Ti-6Al-4V ELI。全钛合金挂架GERP后机身GERP外机翼机

8、盒优化的机身设计(铝锂合金) 采用激光焊接(7) 新型高强高韧近型钛合金Ti-5Al-5V -5Mo-3Cr-1Zr首次在A380平台上闪亮登 场这是空客公司与俄合作在BT22(Ti-5Al-5V-5Mo-1Cr-1Fe)基础上研发的一种新合金，已选用于A380机翼与挂架的连接装置，它那令人惊异的强度与韧性之间的优良组合受到了设计师们和钛合金工作者的青睐。(8) 在F/A-22，V-22等军用飞机上迅猛崛起的钛合金精铸技术正逐步进入大型飞机 领域。1999年，B777的发动机后安装框架钛合金精铸件在零件静力试验成功后已用于 B777。这是首次在民机上获得成功应用，由于客机在安全可靠性方面的更高

9、要求 ，故这一开端具有重要意义。 近期，A380客机的钛合金刹车扭力管已由英国Doncasters公司采用离心熔模精铸技术制成，这是欧洲首次采用钛合金刹车扭力管精铸件取代以往的锻件。最近，Howmet公司、波音公司与美国空军研究实验室联合进行薄壁钛铸件的开发，选 择C-17军用运输机发动机挂架为对象，各用一个整体铸件取代由17个Ti-6Al-4V钣金件组成的鼻帽和由多个零件、不少紧固件组成的防火 封严件。目前已达到1.27mm厚度的要求，并引入新生产的 C-17飞机。60个鼻帽铸件在全寿命期可节约320万美元，防火封严件改用薄壁铸件后可降低成本70%以上。 一大型军用运输机用的钛合金铸件虽然F

10、/A-22敢于采用Ti-6Al-4V大型整体铸件制造翼身接头，但考虑到大型飞机更高的安全性要求，目前设计师们还不敢立即选用钛合金铸件制造大型飞机翼身接头。例如B787的两个钛合金翼身接头特大锻件正是该机最大的金属件。A400M 翼身接头也是钛锻件。(9) 第三代铝锂合金在A350、A380上的大 量应用是空客新一代飞机的一大特色A380已正式选用铝锂合金制造地板梁，正打算用作机身蒙皮和下翼面的桁条。A350已选用铝锂合金制造机身蒙皮和地板结构等，其用量高达总结构重量的23%。东山再起的主要原因是在不断优化成分的基础上推出了2094、2195、2097、2197等第三代合金。这些合金的共同特点是

11、降低了锂含量和优化了铜等合金元素的含量，从而控制了Al3Li相的析出，解决了第二代合金出现的上述问题。第三代铝锂合金取代2124、2024铝合金制成的零部件在F-16战斗机上的成功验证也是东山再起的重要原因。(10) 新型高强铝合金7085的问世为特大锻件 在A380上的应用开辟了道路已有高强铝合金的锻件或厚板的厚度均有一定限制，例如 7055 限于 38mm，7150虽较理想，其厚度也不允许大于 120mm。为了能获得厚度更大的高强铝合金锻件或厚板 ，美国Alcoa公司开创了一个具有专利权的7085铝合金， 由于淬透性好，其最大厚度可达300mm。7085铝合金的成分特点是锌镁比大和控制的F

12、e、Si含量很 低（见下表）7085铝合金的化学成分7085铝合金的基本性能7085合金制成的A380飞机后翼梁是迄今为止最大的一个 飞机模锻件，尺寸为6.4米长，1.9米宽，重约3900公斤。Alcoa公司与飞机制造商合作制造一支线飞机的紧急出口舱 门用的7085铝合金整体锻件，将零件数由147个减至40个，紧 固件由1400个减至450个，使装配时间减少80%，生产占地面 积减少60%，成本降低2025%，减重20%。三、关于我国大型飞机选材原 则的建议 1. 必须在更高的层次上综合评估安全性 、经济性、舒适性和环保性 与战斗机等较小型的飞机相比，大型飞机对材料的要求具有四个“更高”的特点

13、更高安全性 更高经济性更高舒适性 更高环保性 以“梦想飞机”B787大量选用 复合材料为典例 安全性这首先取决于材料的 技术成熟度。美国把 成熟度分为10级，级 别越高，成熟度越高 。在波音公司看来， 复合材料经过30多年 的研究和应用，技术 上已十分成熟，当前 在B787上把用量扩大 至50%是安全的。 经济性与铝合金相比，复合材料的损伤容限和抗蚀 性要好得多，这显著有利于耐久性的提高， 同时也提高了安全性。虽然复合材料比铝合金贵得多，但飞机结构重 量大幅度减轻所带来的经济效益（包括燃油消 耗降低3%等）远远超过了它的负面效应。另 外，B787的外场维护间隔时间从B767的500小 时提高到

14、1000小时，维修费用比B777低32% 等也带来了可观的经济效益。由于采用了整体结构的复合材料机身，使 B787客舱的舷窗尺寸加大30%至 280mm 480mm，这意味着旅客可以在更大的视野下观看窗外的精彩世界。由于复合材料结构具有优于铝合金的抗疲劳和抗腐蚀特性，可将客舱湿度和气压有所提高， 气压从现有客机相当于外界2400米高度的气压改善至相当于外界1800米高度的气压，让旅客享受更舒适的空中旅行。 舒适性 环保性2007年7月8日，波音787在总装厂首次隆重 向全世界正式亮相。之前，已获677架订单 （中国订购60架），总价值高达1100亿美元。为什么能赢得如此多客户呢？非常重 要的一

15、个原因是由于机身轻和发动机好而 节省20%燃油，有利于经济性和环保性。 我国大型飞机的选材也必须 充分考虑这四个“性”我国的大型客机在将来推出之时，仍应具有 当时的国际竞争力。也就是说，在四个“性” 方面要具有与届时波音、空客同类客机竞争 的能力。这个要求非常高，难度很大。设计 人员肩上的压力不用说有多重，材料工作人 员的压力也重千斤啊！这是因为：一代飞机 ，一代材料；一代材料，一代飞机。2. 必须充分考虑大运与大客“材料 共用，成果共享”的原则我国的大型飞机研制项目包含大型客机和 大型运输机两大部份。为了缩短研制周期 、节省研制费用、降低销售价格和提高成 熟程度，建议设计和材料工作者紧密结合

16、 ，尽可能增加大型运输机和大型客机上共 用材料的比例。这样做更有利于客机用国 产材料通过适航条例。3. 必须尽早具备自主供应关键材 料的能力对于大型运输机，材料应立足于国内是显 而易见的。对于大型客机用的材料，可按 市场竞争原则进行全球采购，但这个“全球 ”理应包括国内供应商，特别对于关键材料，都应尽早具备自主供应的能力，即使有 些关键材料赶不上首批客机的进度，也应 大力安排研制任务和及早解决适航问题， 以免出现受制于人的被动局面。4. 必须重视先进材料特别是具有 中国特色的先进材料的选用既然要求我国大型客机要具有届时的国际 竞争力，就必须在符合安全性要求的前提 下尽可能选用一些先进的航空材料，特别 是要充分重视具有中国特色的先进材料的 选用，例如TC21钛合金不仅具有国际先进水平的性能，而且在合金及其锻造工艺上 都具有自主知识产权。四、 结束语中国要有自己设计制造的大飞机是我国人民，特 别是几代航空人的梦想