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揭秘C919飞机用的新材料:第三代铝锂合金减重并提高刚度

原标题:揭秘C919飞机用的新材料:第三代铝锂合金减重并提高刚度

    “大飞机”微信公号9月14日消息,从木制飞机到金属飞机,再到如今的复合材料,航空材料的变革都会推动飞机制造业技术水平的提升。“一代材料,一代飞机”,对于中国民机产业来说也同样如此,作为一款全新研制的飞机,新材料的应用也是C919的一大技术亮点,今天就跟大家聊聊C919飞机运用到的新材料!

本文图均来自微信公众号“大飞机”

  碳纤维复合材料

  目前,民用飞机上使用的复合材料主要是碳纤维增强树脂基复合材料,它具有比强度高、比模量高、抗疲劳性优良、耐腐蚀等优点。这种材料比铝更轻,比钢更硬,其密度是铁的1/4,强度却是铁的10倍,化学组成非常稳定,不仅有助于减轻飞机重量,还能提高飞机的总体性能。因此,在波音和空客近年来推出的一些新机型中,复合材料的用量逐渐增大。

  考虑到在90000次起降的设计寿命周期里,C919要经受许多由温差带来的对飞机机体结构“冷冻热蒸的考验”,其机体结构材料的抗腐蚀、抗疲劳性能显得格外重要。鉴于复合材料的上述优点,中国商飞在C919的设计中也选用了复合材料。其应用范围涵盖方向舵等次承力结构和飞机平尾等主承力结构,主要包括雷达罩、机翼前后缘、活动翼面、翼梢小翼、翼身整流罩、后机身、尾翼等部件,用量达到机体结构重量的11.5%。其中,尾翼主盒段和后机身前段使用了先进的第三代中模高强碳纤维复合材料,主承力结构、高温区、增压区使用复合材料在国内民用飞机研制中也属首次。更重要的是,通过大量的验证试验,中国商飞初步建立了具有自主知识产权的先进材料和特种材料规范体系、设计许用值体系和制造工艺规范体系,实现了高标准的生产过程控制。

  此外,在复合材料使用上,中国商飞公司通过与高校开展合作,开辟了一条产学研相结合的道路。例如,大连理工大学运载工程与力学学部承担了C919飞机尾翼、中央复合材料壁板等多个部位的试验项目。针对C919飞机对于大型复合材料构件试验需求,大连理工大学进行了大吨位大尺寸加载系统、承力系统和电测系统建设,开展材料级、结构级、部件级三级的大飞机复合材料结构破坏机理研究,开发数值分析模型和软件,指导、校正实际试验,形成飞机典型复合材料结构破坏行为数据库。为保证从复合材料壁板各环节处获得准确的试验数据,及时处理意外情况,研发团队对飞机壁板上使用复合材料后特别需要注意的部位贴上了大量应变片,实时采集相关数据。通常情况下,一块大型壁板就需要300~400个通道数据。在C919项目中,大连理工大学研制团队共测试了60多块壁板,大量的试验数据保证了C919飞机所用材料的可靠性。

  第三代铝锂合金

  铝锂合金具有密度低、强度高且损伤容限性优良等特点,用它替代常规铝合金材料,能够使飞机构件的密度降低3%,重量减少10%~15%,刚度提高 15%~20%,因此被认为是新一代飞机较为理想的结构材料。

  C919大型客机采用的是第三代铝锂合金,该材料解决了第二代铝锂合金的各向异性问题,材料的屈服强度也提高了40%。C919飞机的机身蒙皮、长桁、地板梁、座椅滑轨、边界梁、客舱地板支撑立柱等部件都使用了第三代铝锂合金,其机体结构重量占比达到7.4%,获得综合减重7%的收益。

  C919大型客机前机身大部段首次采用第三代铝锂合金材料,作为前机身供应商的中航工业洪都为此专门建设了一个面积近20万平方米的大部件装配厂房,引进了全球第二台蒙皮镜像铣设备。为了能够更好地了解新材料的性能,洪都用了近3年时间开展材料性能测试工作,先后完成2500多件试验件测试。新材料需要新的加工工艺与之匹配,洪都在C919大型客机前机身段研制过程中,先后攻克铝锂合金蒙皮喷丸强化、铝锂合金型材滚弯成形制造、蒙皮镜像铣切加工、铝锂合金型材热压下陷制造、铝锂合金蒙皮喷丸校形等关键技术。

  2014年5月,C919大型客机前机身大部段顺利下线,该部段包括前段客舱、前货舱和再循环风扇舱,包含1600多项零件,涉及近2000项工装。

  钛合金

  除了复合材料之外,钛合金作为一种轻金属材料在民用飞机上的使用率正不断提高。由于密度比钢小得多,而强度又和钢很接近,钛合金可以大大减轻飞机及发动机的重量,提高飞机的燃油效率。

  鉴于钛合金优异的性能,早在787的研制中,波音就曾耗资3亿美元用于研究使用钛合金替代铝合金,以解决飞机超重的问题。最终787飞机的机体钛合金用量达到15%,创下了当时民用飞机机体钛合金使用量的最高纪录。如今,这一纪录已经被俄罗斯新一代干线飞机MC-21所取代,资料显示MC-21飞机机身的钛合金用量达到25%。

  在C919大型客机中,中国商飞的设计团队也选用这种新型轻金属材料,并且钛合金的应用比例达到9.3%,主要用于机身蒙皮、机身机翼、机翼滑轨、液压燃油高压管路系统等部位。这是我国第一次在一款民用飞机上大量使用钛合金,此前ARJ21飞机钛合金的应用比例为4.8%。

  借助C919项目,国内钛材龙头企业宝钛集团有限公司的材料研制和生产能力得到了极大的提升。公司先后承担了国家Ti-3Al-2.5V(TA18)管材、β热处理的Ti-6Al-4VEIL厚板、β处理的Ti-6Al-4V合金型材、TB5板材工程化研制四个DK型号用材料研制任务。公司充分发挥自身产品质量、交货期、价格等优势,通过国际招标采购,达到了C919大飞机对材料质量的严格条件,成为中国商飞公司国内钛材料的合格供应商,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。同时,宝钛集团还就材料的适航认证等问题,与中国商飞公司保持密切合作,力争为后续C919飞机继续扩大钛合金使用比例提供技术支撑和材料保障。

(原题为《C919用了什么新材料?》)返回搜狐,查看更多

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