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科技前沿

C919飞机的新材料之战
来源:翱翔  2017-06-16 16:26:27
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原文:http://chinacompositesexpo.com/cn/news.php?show=detail&c_id=288&news_id=4972        从莱特兄弟第一架飞机由木头和布作为主要材料,到金属材料成为飞机机体结构材料主流,再到复合材料成为航空材料领域争夺的技术高地,每一次航空材料的变革都带来航空技术的巨大进步。业内都说,“一代材料,一代飞机”,航空材料的重要性不容小觑。

飞行者一号

       C919大型客机作为国内第一个干线飞机型号,其新材料的研发和应用不断引领国内航空材料研制水平迈上新的台阶。

       第三代铝锂合金改善各向异性

       铝锂合金材料由于重量轻、比刚度比强度高,被认为是新一代飞机研制较为理想的结构材料。美国、俄罗斯、欧洲和日本在航空航天领域均有使用铝锂合金的应用实例。如空客公司的A330、A340和A380等机型的座椅滑轨、地板梁等部件均使用了铝锂合金。

       事实上,铝锂合金作为铝合金的一种,其在航空材料大家族中并不算新成员。1958年,美铝公司开发出第一代铝锂合金——2020铝锂合金,并使用在RA-5C预警机上。但是2020铝锂合金表现出的脆性和生产问题阻碍了其进一步应用。

RA-5C

        国内在批产型号上正式使用铝锂合金材料,可以追溯到本世纪初。随着苏27原型机上1420铝锂合金的国产化,国内材料和航空界开始对铝锂合金有了了解。以1420铝锂合金为代表的第二代铝锂合金含锂量一般在2%-3%,密度比普通铝合金降低约10%。

       然而,第二代铝锂合金存在一个重要的性能缺陷,即存在显著的各向异性。正因为此,铝锂合金材料在国内航空领域始终没有得到大范围的推广应用。

       随着C919大型客机启动立项研制,国内第三代铝锂合金的应用开始摆上议事日程。在材料供应商美国铝业的配合下,开发出适用于飞机蒙皮的2060铝锂合金,消除了第二代铝锂合金的各向异性问题,同时材料的屈服强度提高了40%,其性能提升可以说是跨时代的。

C919飞机首架机机体对接

       目前,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%的型号收益。

       抗腐蚀、抗疲劳的复合材料

       从零下55度到零上70度,飞机的运营环境跨度很大,由于地表温度和高空温度的差异,飞机每次起降都要经过一次冷热循环,尤其是当航线范围覆盖炎热的热带或者寒冷的寒带时,冷热循环就会更加明显。


       在约9万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。

       提到抗腐蚀、抗疲劳,还有什么材料比复合材料更有优势呢?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,最简单最通俗地类比,有点像日常生活中的塑料。高中物理都学过,装腐蚀性最强的王水只能用塑料瓶,塑料的耐腐蚀性可见一斑。

       复材的抗疲劳性能也是十分强大,用行内的话说,复材的“静力覆盖疲劳”,其破坏一般由静强度造成,如拉坏、压坏、剪坏等,不会因为疲劳而破坏,因此只要静力满足设计要求,自然满足疲劳要求。


       目前,C919飞机的后机身后段、平尾、垂尾、升降舵、方向舵、襟翼、副翼、小翼、扰流板等部位均使用了碳纤维复合材料。“复合材料具有密度小重量轻、比刚度比强度高、抗腐蚀抗疲劳、可设计、整体成型等许多好处,但要实现复合材料的成功应用,无论是装备体系、零件制造方法,还是适航审定方法,都需要不断总结和积累。”设计人员说。

       建立民机材料研究鉴定和应用体系

       相较于成熟材料,C919飞机上使用的铝锂合金和复合材料都是首次运用于民机行业,其设计许用值和工艺规范等方面可以说是一片空白。如何实现新材料在民机上的应用?事实上,通过C919项目,上飞院正逐步建立起符合适航规章要求的民机材料合格鉴定程序,探索出一条新材料研制与应用“路线图”。

       “材料合格鉴定程序的建立,系统性地解决了装机材料的选用、鉴定、成本控制等问题,为型号研制提供生产保障;而新材料研制与应用‘路线图’为新材料通过适航审定认证、实现装机应用提供了可操作的具体技术方案”,负责C919材料的副总设计师章骏说,“这一整套材料研究鉴定和应用体系的建立,比C919飞机实现铝锂合金等新材料装机应用本身,具有更加长远和重大的意义。”

       
       C919首架机部段对接


       在早几十年,飞机研制是没有“材料研究”这个概念的,只有“材料选择”。国外有什么材料就选什么材料,那时候的问题主要是实现选材后的国产化,不至于在批产时被进口材料“卡脖子”。

       近年来,“材料研究”的重要性被逐渐认可。然而新材料在飞机上的应用却并不容易。材料的静力性能、各向异性、疲劳性能、断裂韧性、疲劳裂纹扩展性能等一系列性能指标都要通过试验后经统计分析产生,生产条件下零件制造的工艺参数也要通过工艺验证试验获得。

       “要把材料各方面的性能研究得透透的,为结构设计、强度验证等提供设计输入,同时要形成配套的工艺规范,支撑零件稳定高效生产,而这所有的工作还得在局方的认可下进行。”上飞院标材部副部长袁宇慧说。


        目前C919所有材料和标准件均满足适航审定要求,获得大量有效数据,建立了复合材料规范体系和设计许用值、第三代铝锂合金材料规范体系和制造工艺规范体系,为将来先进材料在国内民机产业的广泛使用奠定了坚实基础。

        “希望通过我们的努力,带动国内材料供应商按照民机材料研制与生产要求,建立起生产过程控制理念,提升国产材料生产的一致性和稳定性,逐步建立可以支撑中国民机发展的材料产业基础。”

       金属基复合材料有望成为“新宠”

       提到复合材料,大部分人首先想到增强树脂基复合材料,殊不知近年来,金属基复合材料又逐渐走向了新材料研制的前沿。

       国际上金属基复合材料以铝基为主。制备铝基复合材料的一般方法是将碳化硅颗粒或陶瓷颗粒等混入铝合金,用搅拌铸造或粉末冶金的方法混合获得铝基复合材料,以提高材料刚度和硬度。铝基复合材料已在美军战机如F16战隼战斗机的燃油检查口盖和腹鳍以及F18大黄蜂战斗机的液压制动器缸体等部位获得应用。

F-18大黄蜂战斗机

       目前,章骏带领的材料团队正在加紧与上海交大合作开发铝基复合材料。不同于一般的外加颗粒法,交大提出使用原位自生技术,研制一款崭新的纳米陶瓷铝基复合材料。

       在原位自生技术中,以铝熔体为溶液,引入组成陶瓷的基本元素,合成陶瓷颗粒。通过熔体控制自生技术,能够有效控制合成陶瓷颗粒的尺寸、形貌和分布,陶瓷颗粒的尺寸由外加颗粒法的几到几十微米降低到50-500纳米,突破外加颗粒法生产的铝基复合材料塑性低、加工难等应用瓶颈,同时复合材料具有高刚度、高强度、高抗疲劳、低膨胀、高阻尼、耐高温等等合金不具备的优越性能。

       “纳米陶瓷铝基复合材料在提高复合材料综合性能的同时,既保持了铝合金易成形、易加工的特性,又具备了复合材料高刚度、高强度、高抗疲劳、低膨胀、高阻尼、耐高温等特性。纳米陶瓷颗粒引入到铸造系铝合金,能够实现大型、复杂、薄壁构件的铸造成形;引入到变形系铝合金,能够进行挤压、锻造、轧制、拉拔等处理。因此具备较高的工业推广价值。”交大方面表示。

       材料是工业的基础。大力推动新材料的研发应用,对于高端装备制造业而言是必争的战略高地。日前,国家发布《新材料产业“十三五”发展规划》,提出要加快培育和发展新材料产业,引领材料工业升级换代,保障国家重大工程建设。通过与美铝、交大等专业研究机构的合作,C919飞机正在不断提高对国产材料产业转型升级的引领作用。

文章来源:http://chinacompositesexpo.com/cn/news.php?show=detail&c_id=288&news_id=4972