一代材料技术,一代大型飞机

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航空学报第２９卷

合材料成为未来飞机的起点，也就是说，飞机机体

以复合材料为主的时代从此起步。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％，波音７３７后继机和空客Ａ３２０后继机的复合材料用量也将高达５０％左右，甚至可能逼近６０％。

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图１大型客机上复合材料用量随年代的变化Ｆｉｇ．１Ｃｈａｎｇｅｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎｌａｒｇｅａｉｒｌｉｎ—

ｔｉｍｅｇｏｅｓ

从表２可知，在２０世纪９０年代推出的Ｃ一１７军用运输机和刚推出的Ａ３８０客机上，铝合金的用量还是排第１位，但在即将投入运营的波音７８７、Ａ３５０客机和欧洲Ａ４００Ｍ军用运输机上，材料用量排第１位的均为复合材料。

表２新一代客机和军用运输机的材料用量

Ｔａｂｌｅ２Ｍａｔｅｒｉａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎｎｅｗｇｅｎｅｒａｔｉｏｎａｉｒｌｉｎｅｒｓａｎｄｍｉｌｉｔａｒｙｔｒａｎｓｐｏｒｔｓ

注：①原设计的用量为３４％含铝锂合金；②原设计的复合材料和钛合金的用量分别为３７％和９％。

图２表明，大型飞机上钛合金用量与日俱增，波音７８７上１５％钛用量则打破了客机历史最高记录。波音７８７上大量用钛的原因有两个：首先，为了减轻结构重量；其次，由于大型飞机复合材料用量猛增，铝合金与复合材料中的碳纤维之间存在显著的电位差，因此与复合材料接触的紧固件等零件通常采用钛合金，以避免电化学腐蚀的发生。

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图２大型客机和军用运输机上钛合金用量随年代的

变化

Ｆｉｇ．２Ｃｈａｎｇｅｏｆｔｉｔａｎｉｕｍａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎｌａｒｇｅａｉｒｌｉｎｅｒｓ

ａｎｄｍｉｌｉｔａｒｙｔｒａｎｓｐｏｒｔｓｔｉｍｅ

ｇｏｅｓ

直至２００６年，波音７８７仍出现超重问题，波音公司为了实现减重２５００ｋｇ的目标，决定在２００６和２００７年度再投入３亿美元研究在飞机一些部位用钛合金取代铝合金制成零部件，并声称不会影响波音７８７投入运营的进度。

１．２一些具有新意的材料技术崭露头角

（１）波音７８７采用复合材料整体机身段新型技术‘¨ｏ川］

复合材料与金属材料相比，更适合于制备整体结构件。波音７８７机身由若干段复合材料大型整体结构件组成，减少了１５００个零件和（４～５）万个连接件，显著地减轻结构重量，提高安全可靠性和降低制造、装配、油耗、维修等成本。然而，要制成这么大型和复杂的机身段整体件（见图３）还是有很大难度的。比如在２００６年初，该机身段就出现孔隙率过高的关键问题，甚至有可能影响适航认证，迫使公司投入更多人力财力进行试验研究。

图３波音７８７复合材料整体机身段

Ｆｉｇ．３ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｆｕｓｅｌａｇｅｓｅｃｔｉｏｎｏｆＢｏｅｉｎｇ

７８７

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第３期曹春晓：一代材料技术。一代大型飞机

（２）Ａ３８０率先在中央翼盒上大量采用复合材料‘２’４’７。８１

由于中央翼盒是关键的主承力件，因此以往均为全金属结构。Ａ３８０中央翼盒率先采用复合材料与金属材料的混合结构（以复合材料为主），为在飞机上扩大复合材料应用跨出了重要的一步。该翼盒质量为８８００ｋｇ，其中复合材料５３００ｋｇ，取得了减重１５００ｋｇ的良好效果，见图４。

图４Ａ３８０中央翼盒

Ｆｉｇ．４ＣｅｎｔｒｅｗｉｎｇｂｏｘｏｆＡ３８０

（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ｎ’７１２］

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。

树脂转移模塑（ＲＴＭ）和树脂薄膜浸渗（ＲＦＩ）是ＬＣＭ中两种主要的制备技术。

比如Ａ３８０中央翼盒的５个工字梁和襟翼导轨面板（见图５）用ＲＴＭ技术制成，并率先采用ＲＦＩ技术制造复合材料襟翼导轨梁和后压力框（见图５和图６）。该后压力框是迄今为止最大的一个用ＲＦＩ工艺制成的结构件。由于它形状均一、厚度较薄，很适于采用ＲＦＩ技术。空客公司宣称这一技术已很成熟。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。

图５复合材料在Ａ３８０上的应用Ｆｉｇ．５ＣｏｍｐｏｓｉｔｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎＡ３８０

（４）Ａ３８０和波音７８７分别选用层间混杂复合材料ＧＬＡＲＥ和ＴｉＧｒ［２’７喝’１３］

纤维金属层板的示意图见图７。

由于第１代层间混杂复合材料ＡＲＡＬＬ（芳纶纤维铝合金层板）存在芳纶纤维容易在疲劳过程发生断裂和成本较高的缺点，因而影响了它的扩大应用。与ＡＲＡＬＬ相比，第２代层间混杂复合材料ＧＬＡＲＥ（玻璃纤维铝合金层板）虽然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一问世，就引起了世界各大飞机制造公司的关注。Ａ３８０的机身壁板、垂直尾翼前缘和水平稳定面都选用了ＧＬＡＲＥ，其用量占Ａ３８０总结构重量的３％。

由于第３代层间混杂复合材料Ｃ√Ｕ冱（碳纤维铝合金层板）很难彻底解决碳纤维与铝合金之间的电化学腐蚀问题，因而迄今无商品化产品。据报道，波音公司将选用第４代层间混杂复合材料ＴｉＧｒ（石墨纤维钛合金层板）制造波音７８７的机翼和机身的

一些蒙皮。ＴｉＧｒ还可用来作为蜂窝夹层的面板。　万方数据

航空学报第２９卷

图６

Ａ３８０后压力框（ＲＦＩ）

Ｆｉｇ．６

Ｒｅａｒ

ｐｒｅｓｓｕｒｅ

ｂｕｌｋｈｅａｄ（ＲＦＩ）ｏｆＡ３８０

图７纤维金属层板示意图

Ｆｉｇ．７

Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｒａｗｉｎｇｏｆｆｉｂｅｒｍｅｔａｌｌａｍｉｎａｔｅ

用运输机上的应用却起步较晚。

１９９９年，波音７７７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实际应用。虽然钛合金精铸技术早些时候已在Ｆ／Ａ一２２，Ｖ一２２等军用飞机上迅猛发展，但这是首次在安全可靠性要求更高的民机上获得成功应用，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一１７

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一６Ａ１—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。目前已达到厚度１．２７ｍｍ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。

图８显示了一种大型军用运输机用的钛合金精铸件，它取代了原２２个加工件，节省了大部分

成本。

（５）Ａ３８０是首次采用全钛挂架的飞机［７

８］

Ａ３８０率先采用全钛挂架，Ａ３５０也采用全钛挂架，并均选用８退火的Ｔｉ一６Ａ１—４ＶＥＬｌ，以提高断裂韧性和减慢疲劳裂纹扩展速率而有利于损伤容限设计。这一全钛挂架是空客公司作为超前的新技术之一高调推出的。

（６）新型高强高韧钛合金Ｔｉ一５Ａｌ一５Ｖ一５Ｍｏ一３Ｃｒ－ｌＺｒ首次在Ａ３８０平台上闪亮登场睁８］

图８一大型军用运输机用的钛合金铸件

这是空客公司与俄罗斯合作在ＢＴ２２（Ｔｉ—ｈｇ·８

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Ｐ１ｅｃｅ

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ａ１酊９８

５Ａ１—５Ｖ一５Ｍｏ一１Ｃｒ一１Ｆｅ）基础上研发的一种新合金ｍｉｌｉｔａｒｙ

ｔｒａｎｓｐｏｒｔ

ａｌｒｃｒａｎ

（属近ｐ型），已选用于Ａ３８０机翼与挂架的连接（８）第３代铝锂合金在Ａ３５０，Ａ３８０上的大装置，它那令人惊异的强度与韧性之间的优良组量应用是空客新一代飞机的一大特色［２．７－９３

合受到了设计师和钛合金工作者的青睐。

由于每添加１％锂就可降低３％的密度和提（７）钛合金精铸技术正逐步进入大型飞机领高６％的弹性模量，因此Ａ３８０已正式选用铝锂合域［２Ｊ４。１７］

金制造地板梁，正打算用做机身蒙皮和下翼面的近２０年来，由于在钛合金精铸工艺上采用了桁条。Ａ３５０已选用铝锂合金制造机身蒙皮和地计算机模拟、热等静压和口热处理等先进技术，显板结构等，其原设计的用量高达总结构重量的著改善了钛铸件（包括大型整体结构件）的组织性２３％。铝锂合金经大起大落后东山再起的主要原能并消除了各种铸造缺陷，因而在Ｆ／Ａ一２２，Ｖ一２２因是在不断优化成分的基础上推出了２０９４，等军用飞机上的应用迅猛崛起。然而在客机和军

２１９５，２０９７，２１９７等第３代合金。这些合金的共

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