一代材料技术 一代大型飞机

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 B707 B727 B737 B747 B747SP B757 B767 B777 B787

钛合金 0.2 1 2.2 2.5 4 6 2 7 15

复合材料 1 3 3 11 50

机型 钛合金 复合材料

客机 A320 4.5 5.5

客机 A340 6 8

新推出客机 A380 10 22

研制中客机 A350 9 37

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

0

2

4

6

8

10

12

14

16

1955 1965 1975 1985 1995 2005 推 出 年 代

%钛

用量

，

707727

737 747747-SP

757

767

777

787

A380

A340

A320

C-5

C-17

A300

C-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。 GE

90 的成功使用，使 Ge

nX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 2

3 ～ 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 T

iGr 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-4V ELI 。

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-5M

o-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 B

777 。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 、 219

5 、 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）

Zn Mg Cu Zr Fe Si Al7.0～8.0

1.2～1.8

1. 3～2.0

0.08～0.15

≤ 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>50～150

L 503 462 9 30.5 (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 B78

7 客舱的舷窗尺寸加大 30% 至 280mm ×480m

m ，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 1

100亿美元。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和愿望。在大型飞机上用上更多自主研制生产的航空材料又是我国材料界，特别是航材人的梦想和愿望。今天，实现这个梦想和愿望的曙光已经拨云而出。只要我们所有参与大型飞机工程的中华儿女心怀祖国，情系航空，志在超越，脚踏实地，创新图强，团结和谐，那么中国自主设计制造的大型飞机就一定能在不久的将来展翅翱翔在万里晴空的蓝天！