文章编号 :100026893 (2008) 0320701206
特邀
一代材料技术 ,一代大型飞机
曹春晓 1 ,2
(1.北京航空材料研究院 ,北京 100095)
(2.南昌航空大学材料科学与工程学院 ,江西南昌 330063)
Cao Chunxiao1 ,2
(1.Beijing Institute of Aeronautical Materials , Beijing 100095 , China)
料技术的成功推出 ,其中包括复合材料整体机身段、全钛发动机挂架、纤维金属层板、第 3代铝锂合金、新型高强铝合金 7085、新型高强高韧钛合金 Ti255531等。最后 ,对中国刚立项研制的大型飞机的选材原则提出了建议。关键词 :大型飞机 ;客机 ;运输机 ;材料 ;复合材料 ;钛合金 ;铝合金中图分类号 : V25 文献标识码 :A Abstract : The present development and tendency of new materials used in large aircraft are introduced. The primary structural materials used for current American and European large airframes are undergoing a transi2 tionfromaluminumalloysto advancedcomposites,and50%of compositesseemsto bea startingpointforfu2 ture aircraft. The material technology for new generation large aircraft will be characterized primarily by the record2high application of composite materials and titanium alloys , in order to reduce the structural weight and fuel consumption significantly. The new generation aircraft material technology is also featured by the success2 ful introduction of innovative materials , including integrated composite fuselage section , all2titanium engine py2 lon , fiber2reinforced metal laminate , third generation Al2Li alloy , new high2strength aluminum alloy 7085 and new high2strength and high2toughness titanium alloy Ti255531 , etc. In the end , suggestions are made to the principle of material selection for the newly launched National Large Aircraft Research Program.
Key words : largeaircraft;airliner;transportaircraft; material;composites;titaniumalloy;aluminumalloy
2007年 2月 26日 ,温家宝总理主持召开国则的建议。务院常务会议 ,原则批准大型飞机研制重大科技表 1 飞机各发展阶段机体材料的变化 专项正式立项 ,引起了国内外的高度关注。Table 1 Change of airframe material application at diffe
一百多年来 ,材料与飞机一直在相互推动下rent aircraft development stages不断发展。 “一代材料 ,一代飞机”正是世界航空发展阶段年代机体材料发展史的一个真实写照。飞机机体材料结构在大第 1阶段 1903～20世纪 10年代木、布体上经历了 4个阶段的发展后 ,正跨入第 5阶第 2阶段 20世纪 20年代～ 40年代铝、钢第 3阶段 20世纪 50年代～ 70年代铝、钛、钢段[122] ,见表 1。铝、钛、钢、复合材料
显然 ,大型飞机在机体材料上的变化正反映第 4阶段 20世纪 80年代～ 21世纪初(铝为主 )
复合材料、铝、钛、钢
了这一趋势 ,并在选材等方面充分体现了 “一代材第 5阶段 21世纪初～(复合材料为主 ) 料技术 ,一代大型飞机”这一辩证的互动关系。
作为借鉴 ,本文首先归纳分析了欧美新一代大型飞机的材料技术特色 ,然后在此基础上结合1 欧美新一代大型飞机的材料技术特色 中国具体情况提出一些关于中国大型飞机选材原11 1 复合材料和钛合金的用量创历史新高 [229]
收稿日期 :2007211215 ;修订日期 :2007212220通讯作者 :曹春晓 E2mail :chunxiao. cao @biam. ac. cn由图 1可知 ,从波音 787开始 ,50 %用量的复
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 %。
图 1 大型客机上复合材料用量随年代的变化 Fig1 1 Change of composite application in large airliners as time goes on
从表 2可知 ,在 20世纪 90年代推出的 C217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 Table 2 Material application in new generation airliners and military transports
机型 铝合金 结构重量比 / %复合材料钛合金 钢 其他
A380 61 22 10 14 6
A350 19 ① 53 ② 14 ② 6 8
波音 787 20 50 15 10 5
C217 A400M 6913 81 1 35～40 1013 121 3 2
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。
图 2 大型客机和军用运输机上钛合金用量随年代的变化 Fig1 2 Change of titanium application in large airliners and military transports as time goes on
直至 2006年 ,波音 787仍出现超重问题 ,波音公司为了实现减重 2 500 kg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。
11 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 [4 ,10211 ]
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 1 500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。
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本文链接地址：航空学报08大飞机专刊(112)
