钛合金材料及其新技术在C919飞机上的应用.ppt

中国商飞上海飞机设计研究院ShanghaiAircraftDesignandResearchInstituteCOAMC 钛合金材料及其新技术在C919飞机上的应用ApplicationofTitaniumAlloyandrelatednewtechnologyonC919Aircraft 主要内容 1中国商飞简介2C919飞机概述及其机体结构选材原则 特点3C919飞机钛合金材料应用方案3 1低强高塑性纯钛3 2中强中韧钛合金3 3中强高韧钛合金3 4高强高韧钛合金3 5其他钛合金4钛合金近净成型技术及其在C919飞机上的应用前景分析5主要工作内容6结语 MainContent 1IntroductionofCOMAC2MaterialselectionprincipleandfeaturesforC919Aircraft3ApplicationsolutionsofTitaniumAlloyforC919Aircraft3 1Lowstrength highductilitytitanium3 2Moderatestrength toughnessTitaniumAlloy3 3Moderatestrength hightoughnessTitaniumAlloy3 4Highstrength toughnessTitaniumAlloy3 5OtherTitaniumAlloy4NearnetshapetechnologyofTitaniumAlloyandanalysisofitsapplicationprospectonC919Aircraft5Majorworktasks6Peroration 中国商用飞机有限责任公司成立 2008 5 11 EstablishmentofCommercialAircraftCorporationofChina Ltd ChineseVicePremierZhangDejiang L andShanghaiPartyChiefYuZhengsheng R unveiltheplaque张德江副总理和俞正声书记为公司成立揭牌 新成立的中国商飞公司承担着中国民用飞机研发的历史使命 1中国商飞简介 注册资金190亿人民币 总部上海Capitalizedat19billionRMBheadquarteredinShanghai 中国商飞公司投资方 ShareholdersofCOMAC 1中国商飞简介 组织结构OrganizationChart 1中国商飞简介 目标 打造国际一流民用飞机公司 发展两种系列飞机Target World classCommercialAircraftCorporationTwoSeriesofProduct Trunkliner RegionalJet 1中国商飞简介 满足申请之日有效的中国民用航空局 CAAC 相关适航要求 同时满足美国联邦航空局 FAA 欧洲航空安全局 EASA 适航要求以确保安全性 通过采用先进的结构形式 先进材料体系和制造工艺 减轻飞机结构重量 每座结构空重应较目前运营中的同级别飞机低1 2 经济服务寿命不低于90000飞行小时 60000飞行循环 30日历年 结构设计采用先进的隔声 吸声材料及结构形式降低舱内噪声 客舱内噪声值在巡航状态下平均不高于75dBA 结构设计应满足强度与刚度要求 耐久性与损伤容限 可靠性 维修性 工艺性和低成本等要求 机体结构具有良好的抗腐蚀品质 确保安全性 提高经济性 改善舒适性 注重环保性 2C919飞机概述及其机体结构选材原则 特点 C919飞机概述 主要技术指标 Specifications 9 中国商用飞机有限责任公司专有信息ProprietaryInformationofCOMAC 2C919飞机概述及其机体结构选材原则 特点 C919飞机概述 总体布局 GeneralConfiguration 10 翼吊涡扇发动机Wing mountedturbofanengines 常规型尾翼Conventionalempennage 前三点可收放起落架Retractabletricyclegear 超临界后掠下单翼Super criticallowsweptwing 中国商用飞机有限责任公司专有信息ProprietaryInformationofCOMAC 2C919飞机概述及其机体结构选材原则 特点 C919飞机概述 三面图 3 ViewDiagram 11 36 08 38 58 12 23 中国商用飞机有限责任公司专有信息ProprietaryInformationofCOMAC 2C919飞机概述及其机体结构选材原则 特点 C919飞机概述 2 1满足飞机不同部位的设计准则要求 主干材料体系基于当前先进客机使用的主流产品 兼顾成熟性和先进性 2 2疲劳 损伤容限 耐蚀性 可接受的成本 涵盖制造和使用维护阶段 以及实现结构整体化和轻量化的潜力 是材料选用的重要指标 2 3注重形成核心供应商队伍 有利于提高管理效率 保证供货周期 降低采购成本 2C919飞机概述及其机体结构选材原则 特点 机体选材原则 先进铝合金与铝锂合金的应用实现铝锂合金在地板梁 机身蒙皮 长桁上的应用 使用量约占结构重量的15 预期实现减重5 10 实现高淬透型7085铝合金在主起落架支撑梁 机身加强框和机翼后梁内段上的应用 先进复合材料的扩大应用新部件 尾翼 平尾 垂尾 升降舵 中央翼 机翼活动面 后压力框 尾锥 后机身 用量将达到14 以上 大量使用T800级碳纤维复合材料 用量占10 以上 2C919飞机概述及其机体结构选材原则 特点 机体选材特点 2C919飞机概述及其机体结构选材原则 特点 机体选材特点 复合材料用量增加 C919飞机中央翼 后机身以及机翼活动面等 约占机体结构重量15 钛合金用量大增 与复合材料相容性好 重要连接接头 复材零件之间 复材零件与其他零件的连接 钛金属的特点 C919飞机选用钛合金的主要特点FeaturesofTitaniumAlloyforC919aircraft 3C919飞机钛合金材料应用方案 关键承力件主要使用钛合金CriticalbearingpartsaremainlymadeofTitaniumAlloy 钛合金用量达到10 超过同级别B737 A320的水平 见表1 UsageamountofTitaniumAlloyreaches10 whichisfarbeyondthelevelofB737 A320 SeeTable1 广泛使用新型钛合金及新型热处理工艺NewTitaniumAlloyandheattreatmentprocessarewidelyused 表1钛合金在民机型号上用量一览 从表1可以看出 钛合金占民机结构重量的百分比越来越大 3C919飞机钛合金材料应用方案 成功商业化应用的传统钛合金 20 30种钛金属新材料 钛 铝金属间化合物 钛基复材等 综合考虑钛合金的成熟性 成本 交付周期等C919飞机选择了6个钛合金牌号包括低强高塑性 中强中韧 中强高韧 高强高韧及系统用材产品形式涵盖了锻件 投影面积 1 1 要求的棒材直径 450mm 厚板 4 76 80mm 薄板 型材 管材 丝材等 C919飞机钛合金选材方案见表2主要应用部位见图1 3C919飞机钛合金材料应用方案 表2钛及钛合金在C919飞机上应用一览 3C919飞机钛合金材料应用方案 Table2ApplicationofTitaniumandTitaniumAlloyonC919Aircraft 3ApplicationsolutionsofTitaniumAlloyforC919Aircraft 图 飞机钛合金主要应用部位及制品形式 3C919飞机钛合金材料应用方案 3C919飞机钛合金材料应用方案 3 1 低强高塑性纯钛 选用 牌号 CP 3规范 AMS4902普通退火制品形式 板材应用部位 机身蒙皮等 氧元素固溶于纯钛晶格 可提高纯钛强度塑性好 焊接性能优良 特点 3ApplicationsolutionsofTitaniumAlloyforC919Aircraft 3 1lowstrength highductilityTitanium Selected Alloy CP 3Specification AMS4902AnnealedProduct PlateApplication Skin etc Oxygendissolvedinthetitaniumlatticewhichusedtoenhancethestrengthofpuretitanium hightoughnessandexcellentweldingperformance Characteristic 3C919飞机钛合金材料应用方案 3 2 中强中韧钛合金 综合力学性能优异研究最充分航空航天领域用量最大 特点 选用 牌号 Ti 6Al 4V规范 AMS4911 CMS Ti 203 AMS4935普通退火制品形式 板材 锻件 型材应用部位 机身 机翼 吊挂接头 中国商飞材料规范对棒材 锻件有效以AMS4928为基础对大规格棒材 508mm 力学性能 超声波探伤 低倍组织提出了具体的指标 主要应用 尾翼接头 机翼滑轨 3ApplicationsolutionsofTitaniumAlloyforC919Aircraft 3 2 Moderatestrength toughnessTitaniumAlloy ExcellentcomprehensivepropertiesMostdeeplyresearchedThemaximumusageamountinaerospacefield Characteristic Selected Alloy Ti 6Al 4VSpecification AMS4911 CMS Ti 203 AMS4935AnnealedProduct Plate forging extrusionApplication Fuselage wing pylon joint MaterialspecificationofCOMACforTi 6Al 4Vbarsandforgings basedonAMS4928 addedspecificrequirementformechanicalproperties ultrasonicflawdetectionaswellasmacrostructure 3C919飞机钛合金材料应用方案 3 3 中强高韧钛合金 ELI ExtraLowInterstitial低间隙元素 可提高低温性能 退火 获得层片状显微组织 可提高断裂韧性 降低裂纹扩展速率即提高材料损伤容限性能 特点 选用 牌号 Ti 6Al 4VELI规范 AMS4905 CMS Ti 202 退火制品形式 厚板 锻件应用部位 机头 中央翼接头 中国商飞材料规范对锻件有效对锻件力学性能 超声波探伤 高 低倍组织提出了具体的指标 主要应用 中央翼缘条 3 3 Moderatestrength hightoughnessTitaniumAlloy ELI ExtraLowInterstitial canenhancethelowtemperatureperformanceofTitaniumAlloy annealed GetlamellarmicrostructureEnhancefracturetoughnessReducecrackpropagationImprovedamagetoleranceproperties Characteristic Selected Alloy Ti 6Al 4VELISpecification AMS4905 CMS Ti 202 annealedProduct Plate forgingApplication Nose jointofcentralwing MaterialspecificationofCOMACforTitaniumELIbarsandforgings addedspecificrequirementformechanicalproperties ultrasonicflawdetectionaswellasmacrostructureandmicrostructure 3ApplicationsolutionsofTitaniumAlloyforC919Aircraft 3C919飞机钛合金材料应用方案 3 4 高强高韧钛合金 固溶时效 强度高 抗拉强度达到1240MPa 退火 抗拉强度可达到1080MPa断裂韧性好 达到65MPa m1 2 特点 选用 牌号 Ti 55531规范 CMS Ti 301固溶时效和 退火态制品形式 锻件应用部位 吊挂 机翼接头 中国商飞材料规范对棒材 锻件有效对力学性能 超声波探伤 高 低倍组织提出了具体的指标 3C919飞机钛合金材料应用方案 3 4 Highstrength toughnessTitaniumAlloy STA Highstrengthcomeupto1240MPa UTS annealed UTSreachedto1080MPaExcellentfracturetoughnessashighas65MPa m1 2 Characteristic Selected Alloy Ti 55531Specification CMS Ti 301STAand annealedProduct ForgingApplication Pylon jointofwing MaterialspecificationofCOMACforTi 55531barsandforgings addedspecificrequirementformechanicalproperties ultrasonicflawdetectionaswellasmacrostructureandmicrostructure 3ApplicationsolutionsofTitaniumAlloyforC919Aircraft 3C919飞机钛合金材料应用方案 3 5 其他钛合金 控制轧制过程中的道次变形量对管材的CSR有严格要求可提高管材疲劳性能 特点 选用 牌号 Ti 3Al 2 5V规范 AMS4945去应力退火制品形式 无缝管材应用部位 液压 燃油系统 弹性模量较低 该合金为102GPa Ti 6Al 4V为112GPa 适合制造弹性元件 特点 牌号 Ti 38644规范 AMS4957固溶制品形式 丝材应用部位 弹簧 3C919飞机钛合金材料应用方案 3 5 OtherTitaniumAlloy OperatethepassdeformationofrollingprocessStrictrequirementonCSRoftubeImprovethefatigueproperties Characteristic Selected Alloy Ti 3Al 2 5VSpecification AMS4945StressreliefannealedProduct SeamlesstubeApplication Hydraulic fuelsystem Lowelasticmodulus 102GPacomparedwith112GPaofTi 6Al 4V Suitableforproducingflexibleparts Characteristic Alloy Ti 38644Specification AMS4957SolutiontreatedProduct WireApplication Spring 3ApplicationsolutionsofTitaniumAlloyforC919Aircraft 4钛合金近净成型技术在C919飞机上的应用前景分析 钛合金热导率低 15 24W m K 机加工产生的热量 不易散失 引起 刀具温度升高 粘刀 刀具磨损严重 导致 零件加工效率低 交付周期较长 成本较高 要求 减少零件机加量 出现了近净成型技术 近净成型工艺包括 等温锻造 固态成型 熔模精密铸造 液态成型 粉末激光成型 如图 所示 近净成型技术为什么会出现 传统模锻工艺流程及特点如图 所示 传统成型技术 模锻成型及其不足 4钛合金近净成型技术在C919飞机上的应用前景分析 周期较长成本较高 图 模锻成型流程 4钛合金近净成型技术在C919飞机上的应用前景分析 钛合金粉末激光成型技术原理 是一种基于 高功率激光熔覆 快速原型制造 技术采用高能激光束熔化钛合金粉末 熔化的钛合金粉末以微小液滴的形式在基材上凝固 通过计算机控制的激光头往复运动 逐层堆积 获得所需零件外形 加工过程如图 所示 据文献报道 钛合金粉末激光成型工艺制备的产品 其力学性能达到或超过锻件水平 图 钛合金粉末激光成型工艺图示 4钛合金近净成型技术在C919飞机上的应用前景分析 钛合金粉末激光成型技术特点 1 毛坯成型过程不需要模具 将材料制备与零件成型结合2 不受限于原材料 棒材 规格 灵活性大3 无需大型锻造设备 前期投入少4 毛坯的后续加工量小 提高材料利用率 粉末激光成型产品单边加工余量1 3mm 模锻件通常为8 10mm 5 零件机加工过程变形较小 比较