新一代大型飛機材料技術(shù)

飛機的"油耗"是航空公司特別關(guān)注的指標。最新的波音787承諾可降低油耗20％，其中通過大量使用復(fù)合材料（用量將為50％）可降低油耗8％；A350為了在競爭中取勝，在其改進方案A350XWB中使用復(fù)合材料可達52％；150座級的波音737和A320的后繼機也將大量使用復(fù)合材料。我國的大型飛機項目已經(jīng)上馬，在大飛機材料的應(yīng)用方面我國與歐美國家有哪些差距？在選材方面應(yīng)注意哪些問題？帶著以上問題，記者采訪了北京航空材料研究院的曹春曉院士。 　　
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記者：自從人類實現(xiàn)動力飛行一百多年來，飛機歷經(jīng)了五個時代的發(fā)展，請問飛機機體的材料結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了那幾個階段的發(fā)展？飛機的發(fā)展和材料的發(fā)展有著什么樣的聯(lián)系？
曹院士：飛機機體的材料結(jié)構(gòu)已經(jīng)經(jīng)歷了四個發(fā)展階段，正在跨入第五階段。這五個階段為：第一階段（1903～1919年），木、布結(jié)構(gòu)；第二階段（1920 ～ 1949年），鋁、鋼結(jié)構(gòu)；第三階段（1950 ～ 1969年），鋁、鈦、鋼結(jié)構(gòu)；第四階段（1970 ～ 21世紀初），鋁、鈦、鋼、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)（以鋁為主），第五階段（21世紀初～ ）：復(fù)合材料、鋁、鈦、鋼結(jié)構(gòu)（以復(fù)合材料為主）。 內(nèi)容來自123456
一百多年來，材料與飛機一直在相互推動下不斷發(fā)展，飛機的先進性在很大程度上又取決于材料的先進性，"一代材料，一代飛機"正是航空工業(yè)發(fā)展的生動寫照。 　

記者：國外新一代大型飛機上各類材料的用量有什么樣的變化趨勢？
曹院士：總的趨勢是復(fù)合材料和鈦合金的用量不斷增多，已創(chuàng)歷史新高。C-17軍用運輸機鈦用量占全機材料重量的10.3%（鈦零件總重6.8t），復(fù)合材料用量8.1%，鋁合金用量69.3%，鋼用量12.3%；歐洲軍用運輸機A400M復(fù)合材料用量35%～40%；空中"泰坦尼克"A380鋁合金用量61%，復(fù)合材料用量22%，鈦合金用量10%；波音787復(fù)合材料用量50%，鋁合金用量20%，鈦用量15%，鋼用量10%；空中客車 A350復(fù)合材料用量 52%，鋁鋰合金用量23%，鋁合金用量11%，鈦合金用量9%，鋼用量14%，其他材料用量6%。　　

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記者：國外新一代大型飛機在材料技術(shù)上有哪些突破呢？
曹院士：近來，一些具有新意的材料技術(shù)嶄露頭角。
(1)波音787使用復(fù)合材料整體機身段。 內(nèi)容來自123456
(2) A380率先在中央翼盒上大量采用復(fù)合材料（原為全金屬結(jié)構(gòu)）。波音787則進一步發(fā)展為全復(fù)合材料翼盒直至全復(fù)合材料機翼。A380中央翼盒重8.8t，其中復(fù)合材料5.3t，減重1.5t。
(3) 液態(tài)復(fù)合成形(LCM)已作為成熟的工程技術(shù)應(yīng)用于新一代大型飛機。LCM可分為樹脂轉(zhuǎn)移模塑（RTM）和樹脂薄膜浸滲（RFI）兩種制備技術(shù)。由于LCM技術(shù)具有成本低、周期短、質(zhì)量高、工作環(huán)境好和有利于結(jié)構(gòu)整體化等優(yōu)點，使原來在減重方面就占優(yōu)勢的樹脂基復(fù)合材料如虎添翼，顯著增強了與金屬材料的競爭力。比如A380中央翼盒的5個工字梁用RTM制成，并率先采用RFI技術(shù)制造復(fù)合材料襟翼滑軌梁；波音787機身的很多地板橫梁用RFI技術(shù)制造，其起落架撐桿則用RTM技術(shù)制造。
(4) 復(fù)合材料風(fēng)扇葉片在GE90發(fā)動機上使用近十年來未出現(xiàn)任何問題。GE90的成功使用，使GenX發(fā)動機放心地正式選用帶鈦前緣的復(fù)合材料風(fēng)扇葉片。 波音787、A350等大型客機用的GenX發(fā)動機采用了復(fù)合材料前風(fēng)扇機匣和帶鈦前緣的復(fù)合材料風(fēng)扇葉片。
(5) A380和波音787分別選用了層間混雜復(fù)合材料（纖維金屬層板）GLARE和鈦/石墨化合物復(fù)合材料TiGr。
與金屬基疊層板復(fù)合材料（ARALL）相比， GLARE的密度較高且模量較低，但其成本顯著降低，而且顯著提高了疲勞性能、拉伸強度、壓縮性能、沖擊性能和阻尼性能。因此GLARE層板一問世，就引起世界各大飛機制造公司的關(guān)注。"九五"期間北京航空材料研究院（BAIM）的疲勞試驗結(jié)果表明，3/2GLARE的疲勞壽命為膠接鋁板的23～35倍。這是由于纖維的橋接作用降低了鋁板裂紋尖端的應(yīng)力強度因子，經(jīng)過一定循環(huán)次數(shù)后裂紋以近似恒定的速率擴展。
在A380 上 GLARE機身壁板一共有27塊，最長的一塊為11m，總覆蓋面積達470m2。此外GLARE還用在垂直尾翼的前緣和水平穩(wěn)定面上。GLARE用量占A380總結(jié)構(gòu)重量的3%。成本與鋁材相近的GLARE不但使A380結(jié)構(gòu)重量減輕800kg，而且提高了其使用壽命和可維修性。
由于GLARE很難徹底解決碳纖維與鋁合金之間的接觸腐蝕問題，因此完全商品化尚需時日，而TiGr既無電化學(xué)腐蝕問題，又可進一步提高綜合性能（特別是高溫性能），因此應(yīng)運而生。據(jù)報導(dǎo)，波音公司將選用TiGr制造波音787的機翼和機身蒙皮。TiGr還可以用來作為蜂窩夾層的面板。實踐表明，自動鋪放的TiGr層板的性能高于手工鋪疊的TiGr層板。
(6)A380是首次推出全鈦掛架的飛機，A350也采用全鈦掛架，均選用β退火的Ti-6Al-4V ELI。 

(7)新型高強高韌近β型鈦合金Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr-1Zr首次在A380平臺上閃亮登場。這是空客公司與俄羅斯合作，在BT22(Ti-5Al-5V-5Mo-1Cr-1Fe)基礎(chǔ)上研發(fā)的一種新合金，已用于A380機翼與掛架的連接裝置。它的強度與韌性之間的優(yōu)良組合受到了設(shè)計師們和鈦合金工作者的青睞。 123456
(8)在F/A-22、V-22等軍用飛機上迅猛崛起的鈦合金精鑄技術(shù)正逐步進入大型飛機領(lǐng)域。1999年，波音777的發(fā)動機后安裝框架鈦合金精鑄件在零件靜力試驗成功后已用于波音777。這是首次在民機上獲得成功應(yīng)用，由于客機在安全可靠性方面的具有更高要求，故這一開端具有重要意義。
近期，A380客機的鈦合金剎車扭力管已由英國Doncasters公司采用離心熔模精鑄技術(shù)制成，這是歐洲首次采用鈦合金剎車扭力管精鑄件取代以往的鍛件。
最近，Howmet公司、波音公司與美國空軍研究實驗室聯(lián)合進行薄壁鈦鑄件的開發(fā)，選擇C-17軍用運輸機發(fā)動機掛架為對象，各用一個整體鑄件取代由17個Ti-6Al-4V鈑金件組成的鼻帽和由多個零件、不少緊固件組成的防火封嚴件。目前已達到1.27mm厚度的要求，并引入新生產(chǎn)的 C-17飛機。60個鼻帽鑄件在全壽命期可節(jié)約320萬美元，防火封嚴件改用薄壁鑄件后可降低成本70%以上。
(9)第三代鋁鋰合金在A350、A380上的大量應(yīng)用是空客新一代飛機的一大特色。A380已正式選用鋁鋰合金制造地板梁，正打算用作機身蒙皮和下翼面的桁條。A350已選用鋁鋰合金制造機身蒙皮和地板結(jié)構(gòu)等，其用量高達總結(jié)構(gòu)重量的23%。鋁鋰合金東山再起的主要原因是在不斷優(yōu)化成分的基礎(chǔ)上推出了2094、2195、2097、2197等第三代合金。這些合金的共同特點是降低了鋰含量和優(yōu)化了銅等合金元素的含量，從而控制了Al3Li相的析出，解決了第二代合金出現(xiàn)的上述問題。第三代鋁鋰合金取代2124、2024鋁合金制成的零部件在F-16戰(zhàn)斗機上的成功驗證也是東山再起的重要原因。 本文來自123
(10)新型高強鋁合金7085的問世為特大鍛件在A380上的應(yīng)用開辟了道路。已有高強鋁合金的鍛件或厚板的厚度均有一定限制，例如，7055 限于 38mm，7150雖較理想，其厚度也不允許大于 120mm。為了能獲得厚度更大的高強鋁合金鍛件或厚板，美國Alcoa公司開創(chuàng)了一個具有專利權(quán)的7085鋁合金，由于淬透性好，其最大厚度可達300mm。
7085鋁合金的成分特點是鋅鎂比大和鐵、硅含量很低。7085合金制成的A380飛機后翼梁是迄今為止最大的一個飛機模鍛件，尺寸為6.4m×1.9m，重約3900公斤。

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Alcoa公司與飛機制造商合作制造一支線飛機的緊急出口艙門用的7085鋁合金整體鍛件，將零件數(shù)由147個減至40個，緊固件由1400個減至450個，使裝配時間減少80%，生產(chǎn)占地面積減少60%，成本降低20%～25%，重量減輕20%。 

記者：我國的大型飛機研制項目包含大型客機和大型運輸機兩大部份，大運和大客在材料的選用方面有什么區(qū)別？ 內(nèi)容來自123456
曹院士：為了縮短研制周期、節(jié)省研制費用、降低銷售價格和提高成熟程度，建議設(shè)計者和材料工作者緊密結(jié)合，盡可能增加大型運輸機和大型客機上共用材料的比例。這樣做更有利于客機用國產(chǎn)材料通過適航條例。
對于大型運輸機，材料應(yīng)立足于國內(nèi)是顯而易見的。對于大型客機用的材料，可按市場競爭原則進行全球采購，但這個"全球"理應(yīng)包括國內(nèi)供應(yīng)商，特別對于關(guān)鍵材料，都應(yīng)盡早具備自主供應(yīng)的能力。既然要求我國大型客機要具有相當?shù)膰H競爭力，就必須在符合安全性要求的前提下盡可能選用一些先進的航空材料，特別是要充分重視具有中國特色的先進材料的選用，例如TC21鈦合金的性能不僅具有國際先進水平，而且在合金及其鍛造工藝上都具有自主知識產(chǎn)權(quán)。凡綜合評價優(yōu)良并對飛機設(shè)計制造水平起重要作用的先進材料，已成熟的理當優(yōu)先選用；即使當前不夠成熟，只要在較短時間內(nèi)（例如5年）能達到實用化程度的，應(yīng)盡早立項啟動和及時趕上飛機研制進度，以免出現(xiàn)受制于人的被動局面。  123,123
記者：要在市場的競爭中取勝，經(jīng)濟性是很重要的一個因素。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造的成本是否較高？我們怎樣看待其帶來的經(jīng)濟效益？

    曹院士：目前雖然復(fù)合材料比鋁合金成本高，但飛機結(jié)構(gòu)重量大幅度減輕所帶來的經(jīng)濟效益（使用、維護成本低，燃油消耗降低3%等）遠遠超過了它的負面效應(yīng)。另外，波音787的外場維護間隔時間從波音767的500小時提高到1000小時，維修費用比波音777低32%等也帶來了可觀的經(jīng)濟效益。同時，由于飛機結(jié)構(gòu)重量輕減少了燃油的排放，也有利于環(huán)保。 

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記者：我國在大型飛機材料的應(yīng)用方面與歐美國家有哪些差距？還應(yīng)從哪些方面努力？

曹院士：第一，原材料年產(chǎn)量低，價格貴。我國大量使用的碳纖維，其年產(chǎn)量還不能滿足國內(nèi)工程應(yīng)用的需求；同時，國內(nèi)產(chǎn)品的價格也高于國外。 123456
第二，缺少高強度的原材料。復(fù)合材料的強度大小主要取決于纖維的強度。美、歐等先進航空企業(yè)大量使用復(fù)合材料的基礎(chǔ)是強度高、價格相對較低的碳纖維。波音公司在B787上使用的T800碳纖維，強度較T300高50%~60%。而我國碳纖維正處于研制與工程化階段，尚未形成穩(wěn)定的自主保障能力。所以我國需要投入大量的人力物力，加快研制T800，并且提高材料的生產(chǎn)能力，滿足航空工業(yè)的需求。
第三，工藝技術(shù)在工程應(yīng)用方面還不成熟。制造成本的降低需要工藝方面的突破來實現(xiàn)。RTM與RFI這兩種制備技術(shù)具有成本低、周期短、質(zhì)量高和有利于結(jié)構(gòu)整體化等優(yōu)點，我國對其的研究取得了不少進展，但在工程應(yīng)用方面還不成熟。

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第四，由于自動鋪帶、自動鋪絲設(shè)備能降低成本、提高質(zhì)量，建議我國加強自主研制，并開展國際合作研制，或適量進口，以解決特殊工藝裝備問題。
據(jù)國內(nèi)材料的發(fā)展現(xiàn)狀，大型飛機的候選材料大致可按四種情況分別對待：
第一種，已能工程化生產(chǎn)和應(yīng)用，大型飛機可直接選用和定貨；

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第二種，預(yù)研階段已完成，并已立項開展工程化研究，本專項應(yīng)加強與之銜接，必要時根據(jù)大型飛機需要立項開展適應(yīng)性研究；
第三種，預(yù)研階段已經(jīng)或即將完成，但尚未立項開展工程化研究，本專項應(yīng)及早安排或落實該材料的工程化研究項目；
第四種，個別材料國內(nèi)尚屬空白，但確實是大型飛機十分重要的先進材料，則應(yīng)盡早立項和啟動，力爭趕上大型飛機研制進度。