飞机材料结构的百年变化.ppt

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飞机材料结构的百年变化,曹春晓中航工业北京航空材料研究院南昌航空大学,目录,1前言2一百多年来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3复合材料为主的时代正大踏步地向我们走来4为什么飞机材料结构会出现以复合材料为主的新格局5钛合金在飞机机体结构中的用量不断创造新记录6为什么飞机机体结构中的钛用量会不断创造新记录7铝合金和钢仍在飞机机体中占不可或缺的重要地位8结束语,1前言,航空材料通常处于材料领域的最前沿，其技术含量之高和技术难度之大表明它无愧于高技术领域的一员。

2006年10月19日，当时的军委副主席兼国防部长曹刚川在视察北京航空材料研究院时强调“一代材料，一代装备”，阐明了材料在武器装备研制中的重要地位。

“一代材料，一代飞机”是航空发展史的真实写照。

一百多年来，材料与飞机一直在相互推动下不断发展。

材料必须先行，没有先进的材料，就没有先进的飞机。

本文首先回顾了一百多年来飞机机体材料结构变化的历程,从二十一世纪初开始已进入一个新的发展阶段。

这一新阶段的特点是：

飞机机体材料结构已以复合材料为主、钛合金用量不断创新高、铝合金和钢仍占不可或缺的地位。

本文进而详细分析了出现这一新格局的原因，并在此分析过程中很自然地呈现出复合材料、钛合金、铝合金和钢等四大结构材料近期发展的众多亮点。

2一百多年来，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（190320世纪10年代）：

木、布结构第二阶段（20世纪20年代40年代）：

铝、钢结构第三阶段（20世纪50年代70年代）：

铝、钛、钢结构第四阶段（20世纪80年代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）,3复合材料为主的时代正大踏步地向我们走来,欧美客机上复合材料用量的变化,材料结构以复合材料为主的各类飞机代表性型号,F-35（JSF,2010或2011年开始服役，空中霸主）,轻型多用途Mmax=2.5隐身价廉,美三军和英皇家海军共订购3002架，以色列、新加坡、希腊、波兰、韩国、澳大利亚都要加盟,复合材料36%钛27%,B-2（幽灵，已服役，隐形轰炸机）,隐形，雷达截面积0.1m2远程，航程（空中加油一次）18530km精确制导，每架可投掷16颗2000磅钻地弹与F/A-22组成一支能快速部署的全球隐身打击特遣部队,复合材料38%钛26%铝19%钢6%,欧洲军用运输机A400M,复合材料用量35%40%,波音787,复合材料用量50%，铝合金用量20%，钛用量15%，钢用量10%,V-22Osprey飞机,复合材料用量约50%,注：

战术运输直升机NH-90的复合材料用量达95%,复合材料用量80%以上,“虎”式直升机,X-45（无人作战飞机）,飞行高度最终目标为1.2万米让无人作战机与人工驾驶机混合战斗训练,2002年5月22日X-45A首次秘密试飞成功隐身、无尾,复合材料用量X-45A50%X-45B90%,4为什么机体的材料结构会出现以复合材料为主的新格局?

C纤维和树脂的更新换代进一步提高了性能水平和降低了原材料成本。

例如已发展到以T800S/3900为代表的第三代C纤维/环氧树脂复合材料已用于波音787,其CAI高达315345MPa,原材料成本已降低至120190美元/千克.C纤维T800S的拉伸强度比波音777用的T800H高300MPa。

复合材料不仅比强度、比刚度高，而且便于整体结构化，因而显著减轻了飞机结构重量（例如波音787减重4500kg），相应地显著减少了燃油消耗（例如波音787减耗8%）,波音787复合材料整体机身段是新一代大型飞机材料技术的第一亮点,波音787的整个机身是由若干个整体机身段组成的，从而减少了1500个零件和45万个连接件，显著减轻了结构重量，大幅度地降低了制造、装配、运营和维护成本。

A380飞机复合材料中央翼盒（总重8.8吨，其中复合材料5.3吨，减重1.5吨）,A380率先在中央翼盒上大量采用复合材料（原为金属结构）是新一代大型飞机材料技术的一个亮点。

激光检测技术的出现，使F-35进气道可以改用复合材料整体件，与原钛合金焊接件相比，减少95%紧固件，降低成本20万美元，减重36千克。

F-22也采用这样的复合材料进气道。

液态复合成型（LCM）和自动化铺层等新型制造技术的发展和应用，如虎添翼地促进了复合材料的扩大应用。

LCM主要有RTM（树脂转移模塑）和RFI（树脂膜浸渗）两种制备技术。

自动化铺层则分为ATL（自动铺带）和AFP（自动铺丝）两种制备技术。

上述技术既提高了质量和改善了工作环境，又缩短了制造周期和降低了制造成本（从90年代的1100美元/千克左右降至当前的300美元/千克左右），而且有利于构件的大型化和结构的整体化。

铺放效率,自动铺带技术（ATL）,kg/h,10%,100%,自动铺丝技术（AFP）,手工铺贴技术,50%,25%,80%,低,中等,复杂,非常复杂,模具的复杂性程度,自动铺带技术（ATL）和自动铺丝技术（AFP）,RTM技术应用实例：

F-35垂尾是首次采用RTM成型技术的全复合材料整体尾翼构件，其规格很大（长3.6m，重90kg），结构复杂，使垂尾的零件数从原来13个减至1个，紧固件取消了1000个，制造费用减少60%以上；F-22的进气唇口、前机身部分隔框、正弦波梁和驾驶舱地板加强件等400多个构件；F119发动机进口风扇机匣；A380中央翼盒的5个工字梁、襟翼滑轨面板、后机身框、尾翼翼盒框；波音787起落架撑杆。

RFI技术的应用实例：

波音787地板横梁；A380襟翼轨梁；A380压力隔框。

上舱门地板梁:

CFRP,拉挤成型,压力框:

CFRP,RFI/易变形织物,水平尾翼:

IMFiber,ATL,垂直尾翼:

IMFiber,ATL,机翼前缘:

玻璃纤维增强热塑性复合材料,外侧襟翼:

CFRP,ATL,中央翼盒:

HT&IMFiber,ATL,非增压后机身，CFRP,AFP,襟翼导轨面板:

CFRP,RTM,复合材料自动化和LCM技术的发展和应用,自动铺丝技术在军用飞机上的应用,A380的非增压后机身也采用了自动铺丝技术,自动铺带技术,自动铺丝技术,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。

安全性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。

复合材料飞机结构件的设计、使用、维修技术更趋成熟,空中客车A350,复合材料用量37%（新53%）铝合金（含铝锂合金）用量34%（新19%）,钛合金用量9%（新14%）钢用量14%（新6%）其它用量6%（新8%）,层间混杂复合材料（纤维金属层板）的出现进一步扩大了复合材料的应用范围,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2335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。

大型飞机钛用量随年代的变化,5钛合金在飞机机体结构中的用量不断创新高,美国军用飞机上各种材料用量占机体结构总量的百分比,美国军用飞机上钛合金用量也不断增高，在F/A-22上达到了高峰，坐上了第一把交椅。

F/A-22（猛禽，2005年开始服役，四代机典型代表）,隐身巡航M1.5，Mmax=2.0非常规机动性好,先敌发现，先敌开火，先敌摧毁。

2004年4月29日开始的使用试验证实，一次演习中用5架F-15对付一架F/A-22，F/A-22在3分钟内完成了攻击，F-15甚至还未看见F/A-22。

钛41%复合材料24%铝15%钢5%,F/A-22（猛禽，2005年开始服役，四代机典型代表）,隐身巡航M1.5，Mmax=2.0非常规机动性好,先敌发现，先敌开火，先敌摧毁。

2004年4月29日开始的使用试验证实，一次演习中用5架F-15对付一架F/A-22，F/A-22在3分钟内完成了攻击，F-15甚至还未看见F/A-22。

钛41%复合材料24%铝15%钢5%,6为什么飞机机体结构中的钛用量会不断创造新记录？

由于钛合金具有比强度高（Titan，大力神）、耐腐蚀性好（在0.9m/s流动海水中腐蚀速度趋近于零，而铝合金5mm/年，不锈钢3.6mm/年）、使用温度范围大（-269600）、性能可调性好等优点，因此在那些需要减重或耐蚀而又不适于选用复合材料的部位，就往往不得不用钛合金取代铝合金或钢制成零部件。

例如：

波音787虽然已大量采用复合材料，但在研制过程中发现仍存在结构重量超重问题，为了达到减重2500千克的目标，波音公司不得不在20062007年期间再投入3亿美元的经费，研究某些部位用钛合金取代铝合金以解决超重问题，否则将不能兑现减少燃油消耗20%的关键性承诺。

俄罗斯正在研制新一代的150座级的客机MS-21，计划在2015年推出。

可能是考虑到俄罗斯的现有基础，MS-21客机的复合材料用量为40%，低于波音787的50%。

为了达到减重等目标，俄罗斯采取了大幅度提高钛合金用量的技术途径来弥补。

于是客机机体钛合金用量高达25%的新世界纪录将由MS-21创造（当前的世界最高纪录是波音787的15%）。

由于复合材料中的C纤维与铝合金之间存在较大的电位差，因此在选用材料时应避免C纤维复合材料与铝合金零部件直接接触而产生电化学腐蚀。

然而，钛合金与复合材料之间却不会产生接触腐蚀，很适合用来制造紧固件等与复合材料接触的零部件。

因此，在新一代客机大量选用复合材料之时，作为复合材料“最佳伴侣”的钛合金，其用量的猛增也含有一些“水涨船高”的意味。

高强型钛合金和高损伤容限+型钛合金的全面推出是飞机机体钛用量不断创新高的驱动力之一.,广义的型钛合金包含近型钛合金.美国先后推出的Ti-1023、Ti-153、21S、Ti-55531和俄罗斯推出的BT22不仅均具有高的强度和工艺性能,而且具有较高的断裂韧性或优良的抗氧化、抗腐蚀性能，从而吸引了飞机设计师的眼球。

例如上世纪90年代推出的波音777率先全面应用Ti-1023、Ti-153和21S而将钛合金用量推至新的高度（8%）。

BT22广泛应用于俄罗斯的军用和民用飞机上。

Ti-55531则应用于A380机翼与挂架的连接装置。

B777对推广应用高强型钛合金起到重要作用。

见B777选材图。

Ti-10-2-3在B777主起落架上应用的部位,B777的Ti-10-2-3主起落架载重梁,Ti1023钛合金在A380飞机起落架上应用,大型压机（65000吨）及大型航空锻件,Ti1023钛合金在A380飞机起落架上应用,高损伤容限钛合金也称损伤容限型钛合金，迄今为止均属+型钛合金，均采用低间隙型元素含量并均采用热处理或锻造的方法以获得很高的断裂韧性KIC和很慢的疲劳裂纹扩展速率da/dN。

高损伤容限钛合金的推出，显著地增强了钛合金在损伤容限设计的零部件中与钢、铝合金竞选的实力。

例如钛合金用量高达40%左右的F/A-22主要就选用两种高损伤容限的钛合金Ti-6Al-4V（中强）和Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr-0.2Si（高强）。

热处理的特大Ti-6Al-4V锻件（F-22后机身隔框）,Ti-6-22-22S钛合金在F-22飞机机翼构件中的应用,至于战斗机等军用飞机上钛合金用量之所以不断创历史新高，则除了与客机相同的上述原因外，成本允许较高、使用条件（飞行速度、机动性、抗攻击性等）更恶劣等因素也是促使军用飞机的钛合金用量显著高于民机的缘故。

例如F/A-22的复合材料用量从初始设计的47.7%降至后期的24.2%，众多原因之一就是一些复合材料零部件的抗实弹射击能力较差而不得不改用钛合金。

F/A-22最终的钛合金用量高达40%左右而创造了战斗机发展史的最高世界纪录。

铸造钛合金的兴起为扩大钛合金在飞机上的应用开辟了新的道路,近二十年来，通过计算机模拟、热等静压、热处理等关键技术的应用，钛合金大型整体复杂构件的精铸技术取得了突飞猛进，既精确控形而降低了成本，又精确控性而提高了安全可靠性（铸造系数从1.252.0降至1.0），从而促使F/A-22、V-22等军用飞机敢于率先应用。

F/A-22战斗机,垂尾方向舵作动筒支座,共用了54个钛合金铸件，占飞机总结构重量的7.1%,F22选材图,V-22Osprey飞机,Ti-6Al-4V转接座,为什么要用？

主要是为了大幅度减少零件数而显著降低成本、缩短周期和减轻结构重量。

以V-22转接座为例，降低成本30%，加工和安装时间减少62%,V-22转接座前后两种方案的对比示意图,一大型军用运输机用的钛合金铸件,由一个整体结构精铸件取代了原22个加工件，节省了大部分成本,上述军用飞机的成功应用促进了铸造钛合金在大型飞机上的推广应用。

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。

钛合金飞机构件的材料选用和结构设计技术更趋完整成熟。

以A380率先采用的全钛发动机挂架为例，所有零部件均由Ti-6Al-4V合金制成，但却分别选用了ELI型和普通型，热处理和热处理，变形工艺和铸造工艺。

其中学问何在？

值得深入研究。

A380全钛挂架,7铝合金和钢仍在飞机机体中占不可或缺的重要地位。

在7075（40年代推出）、7050（70年代推出）的基础上加以改进，先后在80年代、90年代和21世纪初推出7150、7055和7085合金。

在第一代蒙皮合金2024（30年代推出）等的基础上加以改进，在90年代推出了第二代蒙皮合金2524。

其中7150、7055和2524被称为美国二十世纪后期藉以建立航空铝合金优势的“三大法宝”，而7085则是美国二十一世纪藉以扩大优势的“最新法宝”。

与2024相比，2524的K1C提高1720%，裂纹扩展速率降低60%，属于损伤容限型铝合金。

7055及7150合金的腐蚀抗力则是通过热处理工艺的改进（T77）而显著提高的。

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，由于淬透性和熔铸性好，其最大厚度可达250mm。

7085铝合金的成分特点是锌镁比大和控制的Fe、Si含量适当。

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2025%，减重20%。

6056合金是法国研制成功的一种Al-Mg-Si系合金，与2000系铝合金相比，其主要特点是成形性和可焊性好，而且耐蚀性好。

6056合金已大量用于A380的机身下部蒙皮，并采用先进的激光焊技术，从而显著节省了结构重量和降低了成本，见图。

第三代铝锂合金正在崛起,铝锂合金在西方曾大起大落,由于每添加1%锂就可降低密度3%和提高弹性模量6%，再加上具有良好的可焊性，因此，美国YF-22、YF-23、B-777、MD-11及欧洲的EF2000等均曾计划大量采用铝锂合金（EF2000高达40%用量）。

然而，到1999年为止先后撤消了原计划，主要原因是当时应用的第二代铝锂合金2090、2091、8090（Al-Li-Cu-X）的锂含量均较高（约2%），因此呈现不少技术问题:

（1）各向异性显著，横、高向性能差；

（2）抗应力腐蚀能力差；（3）热稳定性差，85/1000h后和KIC下降30%50%；（4）裂纹偏离；（5）塑性和断裂韧度低于期望值。

当前又东山再起,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，其原设计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。

超高强度钢300M和Aermet100美国B737-300型及其后推出的波音系列客机的钢制起落架基本上都选用300M钢。

美国的第三代战斗机也通常选用300M钢制造起落架，但第四代战斗机F/A-22和F35的起落架开始选用新推出的Aermet100（A100）。

与300M钢相比，A100不仅强度更高一些（b1930MPa，而300M钢b1860MPa），而且抗腐蚀能力和损伤容限要好得多，疲劳性能也更好。

然而，迄今为止，美国的民用客机仍未选用A100，价格太贵可能是一个重要原因。

高强不锈钢PH13-8Mo,在现有不锈钢中PH13-8Mo是强度最高的，而且塑性好（可冷镦紧固件头）和各向同性，使用温度较高，可用于紧固件、起落架零件、轴、摇臂、操纵机构、内门武器仓弹射机构等。

MD90客机的挂架也选用了PH13-8Mo锻件。

我国的某歼击机选用PH13-8Mo锻件制成框的下段（上段为铝合金）。

损伤容限型超高强度钢AF1410,这是目前唯一可用于损伤容限设计的钢种。

它综合力学性能优良，既有相当高的强度（b1620MPa），又有很高的韧性（KC143MPam1/2）和相当慢的疲劳裂纹扩展速率，因此从研制成功伊始就受到航空航天界的重视。

美国已成功地用它制造F-15的可变机翼枢轴接头、平尾大轴以及F-18舰载机着陆钩和起落架构件。

8结束语,航空材料百年发展的历史雄辩地证明：

没有先进的航空材料，就没有先进的飞机及其发动机。

反过来，没有飞机及其发动机发展的特殊需求，也不会有航空材料的今日辉煌。

高科技领域五彩缤纷，而航空技术则是高科技领域的佼佼者；材料世界琳琅满目，而航空材料则是材料世界的“天之骄子”。

航空材料不仅走过了百年光辉历程，而且必将在未来的百年前程中再铸辉煌！