航材院九九年科研工作总结

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个阶段的发展，正在跨入第五阶段。第一阶段（1903～1919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机型B707B727B737B747B747SPB757B767B777B787钛合金0.212.22.5462715复合材料1331150机型钛合金复合材料客机A3204.55.5客机A34068新推出客机A3801022研制中客机A350937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0246810121416195519651975198519952005推出年代钛用量，%707727737747747-SP757767777787A380A340A320C-5C-17A300C-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2.一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ARALL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23～35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β退火的Ti-6Al-4VELI。全钛合金挂架GERP后机身GERP外机翼机盒优化的机身设计(铝锂合金)采用激光焊接(7)新型高强高韧近β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/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Fe、Si含量很低（见下表）ZnMgCuZrFeSiAl7.0～8.01.2～1.81.3～2.00.08～0.15≤0.08≤0.06余量7085铝合金的化学成分7085铝合金的基本性能品种δ/mm取样方向σb/MPaσ0.2/MPaδ5/%KIC/mMPa锻件50～150L503462930.5(L-T)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20～25%，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，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