飞机材料结构的百年变化

1、飞机材料结构百年改变曹春晓中航工业北京航空材料研究院南昌航空大学飞机材料结构的百年变化第1页目 录1 序言2 一百多年来飞机机体材料结构经历了四个阶段发展,正在跨入第五阶段3 复合材料为主时代正大踏步地向我们走来4 为何飞机材料结构会出现以复合材料为主新格局5 钛合金在飞机机体结构中用量不停创造新统计6 为何飞机机体结构中钛用量会不停创造新统计7 铝合金和钢仍在飞机机体中占不可或缺主要地位8 结束语飞机材料结构的百年变化第2页1 序言航空材料通常处于材料领域最前沿，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一员。 年10月19日，当初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

2、强调 “一代材料，一代装备”，说明了材料在武器装备研制中主要地位。“一代材料，一代飞机”是航空发展史真实写照。一百多年来，材料与飞机一直在相互推进下不停发展。材料必须先行，没有先进材料，就没有先进飞机。飞机材料结构的百年变化第3页本文首先回顾了一百多年来飞机机体材料结构改变历程,从二十一世纪初开始已进入一个新发展阶段。这一新阶段特点是：飞机机体材料结构已以复合材料为主、钛合金用量不停创新高、铝合金和钢仍占不可或缺地位。本文进而详细分析了出现这一新格局原因，并在此分析过程中很自然地展现出复合材料、钛合金、铝合金和钢等四大结构材料近期发展众多亮点。飞机材料结构的百年变化第4页2 一百多年来，飞机机

3、体材料结构经历了四个阶段发展，正在跨入第五阶段。第一阶段（190320世纪代）：木、布结构第二阶段（ 20世纪代 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 二十一世纪初）：铝、钛、 钢、复合材料结构（以铝为主） 第五阶段（二十一世纪初 ）：复合材料、铝、钛、 钢结构（以复合材料为主） 飞机材料结构的百年变化第5页3 复合材料为主时代正大踏步地向我们走来飞机材料结构的百年变化第6页欧美客机上复合材料用量改变飞机材料结构的百年变化第7页材料结构以复合材料为主各类飞机代表性型号飞机型号F-35B-2A400M波音787V-22“虎”

4、式X-45B飞机类型第四代战斗机战略轰炸机军用运输机民用运输机倾转式旋翼机直升机无人作战机复合材料用量%3638354050508090飞机材料结构的百年变化第8页F-35 (JSF, 2010或年开始服役，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%飞机材料结构的百年变化第9页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 准确制导，每架可投掷16颗磅钻地弹 与F/A-22组成一支能快速布署全球隐身打击特遣部队

5、复合材料 38% 钛 26%铝 19% 钢 6%飞机材料结构的百年变化第10页欧洲军用运输机 A400M复合材料用量35%40%飞机材料结构的百年变化第11页波音787复合材料用量50%，铝合金用量20%，钛用量15%，钢用量10%飞机材料结构的百年变化第12页V-22 Osprey飞机复合材料用量约50%飞机材料结构的百年变化第13页注：战术运输直升机NH-90复合材料用量达95%复合材料用量80%以上“虎”式直升机飞机材料结构的百年变化第14页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 年5月22日 X-45A首次秘密试飞成功 隐身、无尾

6、复合材料用量X-45A 50%X-45B 90%飞机材料结构的百年变化第15页 4 为何机体材料结构会出现以复合材料为主新格局?C纤维和树脂更新换代深入提升了性能水平和降低了原材料成本。 比如已发展到以T800S/3900为代表第三代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120 190美元/千克. C纤维T800S 拉伸强度比波音777用T800H高300MPa 。复合材料不但比强度、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（比如波音787减重4500kg），对应地显著降低了燃油消耗（比如波音787减耗8%）飞机材料结构的百

7、年变化第16页波音787复合材料整体机身段是新一代大型飞机材料技术第一亮点波音787整个机身是由若干个整体机身段组成，从而降低了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、运行和维护成本。飞机材料结构的百年变化第17页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取复合材料（原为金属结构）是新一代大型飞机材料技术一个亮点。飞机材料结构的百年变化第18页激光检测技术出现，使F-35进气道能够改用复合材料整体件，与原钛合金焊接件相比，降低95%紧固件，降低成本20万美元，减重36千克。F-22也采取这

8、么复合材料进气道。飞机材料结构的百年变化第19页液态复合成型（LCM）和自动化铺层等新型制造技术发展和应用，如虎添翼地促进了复合材料扩大应用。 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。 上述技术既提升了质量和改进了工作环境，又缩短了制造周期和降低了制造成本（从90年代1100美元/千克左右降至当前300美元/千克左右），而且有利于构件大型化和结构整体化。飞机材料结构的百年变化第20页铺放效率自动铺带技术(ATL)kg/h10%100%自动铺丝技术（AFP)手工铺贴技术50%25%80% 低 中等

9、 复杂 非常复杂 模具复杂性程度 自动铺带技术(ATL)和自动铺丝技术（AFP)飞机材料结构的百年变化第21页 RTM技术应用实例：F-35垂尾是首次采取RTM成型技术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，使垂尾零件数从原来13个减至1个，紧固件取消了1000个，制造费用降低60%以上；F-22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技术应用实例：波音787地板横梁；A380襟翼轨梁；A380压力隔框。飞机材料结

10、构的百年变化第22页上舱门地板梁:CFRP, 拉挤成型压力框:CFRP, RFI /易变形织物水平尾翼:IM Fiber, ATL垂直尾翼:IM Fiber, 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 & IM Fiber, 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技术发展和应用飞机材料结构的百年变化第23页自动铺丝技术在军用飞机上应用 飞机 部件 每架飞机件数 制造商 材料 V-22 后机身 1 波音 IM6/3501-6 V-22 中机身侧蒙皮 2 波音 IM6/3501-6 V-22舷侧突

11、出部蒙皮 4 波音 IM7/8552蜂窝 V-22 机身侧边条 2 波音 IM6/3501-6 V-22 受油探管 1 波音 IM7/8552 V-22 旋翼桨叶柄 6 贝尔直升机 IM7/8552 F/A18-E/F水平安定面蒙皮 4 波音 IM7/8552 F/A18-E/F 进气道蒙皮 16 诺斯罗普 AS4/977-3 F/A18-E/F 机身蒙皮 12 诺斯罗普 AS4/977-3 T-45水平安定面蒙皮 4 波音 IM7/977-3 C-17 整流罩检验门 8 诺斯罗普 AS4/8552-1 C-17起落架舱整流片 4 波音AS4/3501-6蜂窝 F-22水平安定面枢轴 2All

12、iant技术系统 IM7/977-3A380非增压后机身也采取了自动铺丝技术飞机材料结构的百年变化第24页自动铺带技术飞机材料结构的百年变化第25页自动铺丝技术飞机材料结构的百年变化第26页与铝合金相比，复合材料损伤容限和抗蚀性要好得多，这显著有利于耐久性提升，同时也提升了安全性。安全性首先取决于材料技术成熟度。美国把成熟度分为10级，级别越高，成熟度越高。在波音企业看来，复合材料经过30多年研究和应用，技术上已十分成熟，当前在B787上把用量扩大至50%是安全。 复合材料飞机结构件设计、使用、维修 技术更趋成熟飞机材料结构的百年变化第27页空中客车 A350复合材料用量 37%(新53%)铝

13、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%)飞机材料结构的百年变化第28页层间混杂复合材料（纤维金属层板）出现深入扩大了复合材料应用范围金属金属纤维/树脂金属纤维/树脂第一代ARALL第二代GLARE第三代CARE第四代TiGr飞机材料结构的百年变化第29页 与ARALL相比，GLARE密度较高和模量较低，但其成本显著降低，而且显著提升了疲劳性能、拉伸强度、压缩性能、冲击性能和阻尼性能，所以GLARE层板一问世，就引发世界各大飞机制造企业关注。九五期间BAIM疲劳试验结果表明，3/2GLARE疲劳寿命为胶接铝板2335倍,这是因

14、为纤维桥接作用降低了铝板裂纹尖端应力强度因子，经过一定循环次数后裂纹以近似恒定速率扩展。 在A380 上 GLARE机身壁板一共有27块，最长一块为11米，总覆盖面积达470平方米（见下一页图）。飞机材料结构的百年变化第30页图中橄榄色给出了GLARE在A380机身上使用位置，另外GLARE还用在垂直尾翼前缘和水平稳定面上。GLARE用量占A380总结构重量3%，使A380结构重量减轻800Kg，还提升了使用寿命和可维修性，成本却与铝材相近。飞机材料结构的百年变化第31页因为CARE极难彻底处理碳纤维与铝合金之间接触腐蚀问题，所以迄今无商品化产品，而TiGr既无电化学腐蚀问题，又可深入提升综合

15、性能（尤其是高温性能），所以就应运而生。据报导，波音企业将选取TiGr制造B787机翼和机身蒙皮。TiGr还能够用来作为蜂窝夹层面板。实践表明，用自动铺放TiGr层板性能高于手工铺叠TiGr层板。飞机材料结构的百年变化第32页大型飞机钛用量随年代改变 5 钛合金在飞机机体结构中用量不停创新高飞机材料结构的百年变化第33页美国军用飞机上各种材料用量占机体结构总量百分比机型F-16F-17YF/A-18A/BF/A-18C/DF/A-18E/FF/A-22F-35B-1B-2复合材料389.5102324362938钛合金2712131541272126铝合金8373505029154119钢51

16、0151614596美国军用飞机上钛合金用量也不停增高，在F/A-22上到达了高峰，坐上了第一把交椅。飞机材料结构的百年变化第34页F/A-22（猛禽，年开始服役，四代机经典代表） 隐身 巡航M1.5，Mmax=2.0 非常规机动性好 先敌发觉，先敌开火，先敌摧毁。年4月29日开始使用试验证实，一次演练中用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%飞机材料结构的百年变化第35页F/A-22（猛禽，年开始服役，四代机经典代表） 隐身 巡航M1.5，Mmax=2.0 非常规机动性好 先敌发觉，

17、先敌开火，先敌摧毁。年4月29日开始使用试验证实，一次演练中用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%飞机材料结构的百年变化第36页6 为何飞机机体结构中钛用量会不停创造新统计？因为钛合金含有比强度高(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(-269 600)、性能可调性好等优点，所以在那些需要减重或耐蚀而又不适于选取复合材料部位，就往往不得不用钛合金取代铝合金或钢制成零部件。比如：飞机材料结

18、构的百年变化第37页 波音787即使已大量采取复合材料，但在研制过程中发觉仍存在结构重量超重问题，为了到达减重2500千克目标，波音企业不得不在期间再投入3亿美元经费，研究一些部位用钛合金取代铝合金以处理超重问题，不然将不能兑现降低燃油消耗20%关键性承诺。飞机材料结构的百年变化第38页 俄罗斯正在研制新一代150座级客机MS-21，计划在推出。可能是考虑到俄罗斯现有基础，MS-21客机复合材料用量为40%，低于波音78750%。为了到达减重等目标，俄罗斯采取了大幅度提升钛合金用量技术路径来填补。于是客机机体钛合金用量高达25%新世界纪录将由MS-21创造（当前世界最高纪录是波音78715%）

19、。飞机材料结构的百年变化第39页因为复合材料中C纤维与铝合金之间存在较大电位差，所以在选取材料时应防止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，很适适用来制造紧固件等与复合材料接触零部件。所以，在新一代客机大量选取复合材料之时，作为复合材料“最正确伴侣”钛合金，其用量猛增也含有一些“水涨船高”意味。飞机材料结构的百年变化第40页高强型钛合金和高损伤容限+ 型钛合金全方面推出是飞机机体钛用量不停创新高驱动力之一.广义型钛合金包含近型钛合金.美国先后推出Ti-1023、Ti-153、21S、Ti-55531和俄罗斯推出BT22不但均含有高强

20、度和工艺性能,而且含有较高断裂韧性或优良抗氧化、抗腐蚀性能，从而吸引了飞机设计师眼球。比如上世纪90年代推出波音777率先全方面应用Ti-1023、Ti-153和21S而将钛合金用量推至新高度（8%）。BT22广泛应用于俄罗斯军用和民用飞机上。Ti-55531则应用于A380机翼与挂架连接装置。飞机材料结构的百年变化第41页B777对推广应用高强型钛合金起到主要作用。见B777选材图。飞机材料结构的百年变化第42页Ti-10-2-3在B777主起落架上应用部位B777 Ti-10-2-3主起落架载重梁飞机材料结构的百年变化第43页Ti1023钛合金在A380飞机起落架上应用飞机材料结构的百年变

21、化第44页大型压机（65000 吨）及大型航空锻件飞机材料结构的百年变化第45页Ti1023钛合金在A380飞机起落架上应用飞机材料结构的百年变化第46页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，均采取低间隙型元素含量并均采取热处理或铸造方法以取得很高断裂韧性KIC和很慢疲劳裂纹扩展速率da/dN。高损伤容限钛合金推出，显著地增强了钛合金在损伤容限设计零部件中与钢、铝合金竞选实力。比如钛合金用量高达40%左右F/A-22主要就选取两种高损伤容限钛合金Ti-6Al-4V（中强）和Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr-0.2Si（高强）。飞机材料结构的百年变化第47页热

22、处理特大Ti-6Al-4V锻件（F-22后机身隔框）飞机材料结构的百年变化第48页Ti-6-22-22S钛合金在F-22飞机机翼构件中应用飞机材料结构的百年变化第49页 至于战斗机等军用飞机上钛合金用量之所以不停创历史新高，则除了与客机相同上述原因外，成本允许较高、使用条件（飞行速度、机动性、抗攻击性等）更恶劣等原因也是促使军用飞机钛合金用量显著高于民机缘故。比如F/A-22复合材料用量从初始设计47.7%降至后期24.2%，众多原因之一就是一些复合材料零部件抗实弹射击能力较差而不得不改用钛合金。F/A-22最终钛合金用量高达40%左右而创造了战斗机发展史最高世界纪录。飞机材料结构的百年变化第

23、50页铸造钛合金兴起为扩大钛合金在飞机上应用开辟了新道路近二十年来，经过计算机模拟、热等静压、热处理等关键技术应用，钛合金大型整体复杂构件精铸技术取得了突飞猛进，既准确控形而降低了成本，又准确控性而提升了安全可靠性（铸造系数从1.252.0降至1.0），从而促使F/A-22、V-22等军用飞机勇于率先应用。飞机材料结构的百年变化第51页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7.1%飞机材料结构的百年变化第52页F22选材图飞机材料结构的百年变化第53页V-22 Osprey飞机Ti-6Al-4V 转接座飞机材料结构的百年变化第54页为何要用？主要是为了大

24、幅度降低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%，加工和安装时间降低62%V-22转接座前后两种方案对比示意图飞机材料结构的百年变化第55页一大型军用运输机用钛合金铸件由一个整体结构精铸件取代了原22个加工件，节约了大部分成本飞机材料结构的百年变化第56页上述军用飞机成功应用促进了铸造钛合金在大型飞机上推广应用。1999年，B777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。这是首次在民机上取得成功应用，因为客机在安全可靠性方面更高要求，故这一开端含有主要意义。飞机材料结构的百年变化第57页近期，A380客机钛合金刹车扭力管已由英国

25、Doncasters企业采取离心熔模精铸技术制成，这是欧洲首次采取钛合金刹车扭力管精铸件取代以往锻件。飞机材料结构的百年变化第58页钛合金飞机构件材料选取和结构设计技术更趋完整成熟。 以A380率先采取全钛发动机挂架为例，全部零部件均由Ti-6Al-4V合金制成，但却分别选取了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。飞机材料结构的百年变化第59页A380全钛挂架飞机材料结构的百年变化第60页7 铝合金和钢仍在飞机机体中占不可或缺主要地位。在7075（40年代推出）、7050（70年代推出）基础上加以改进，先后在80年代、90年代和二十一世纪初推出71

26、50、7055和7085合金。在第一代蒙皮合金2024（30年代推出）等基础上加以改进，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“三大法宝”，而7085则是美国二十一世纪藉以扩大优势“最新法宝”。飞机材料结构的百年变化第61页机体桁条777上机翼下机翼机身拉伸屈服强度， MPa断裂韧性， MPam1/2202420247075-T6517178-T6517150-T7751与2024相比，2524K1C提升1720%，裂纹扩展速率降低60%，属于损伤容限型铝合金。飞机材料结构的百年变化第62页7055及7150合金腐蚀

27、抗力则是经过热处理工艺改进（T77）而显著提升。飞机材料结构的百年变化第63页7085问世为特大锻件在A380上应用开辟了道路。已经有高强铝合金锻件或厚板厚度都有一定限制，比如7055 限于 38mm，7150虽较理想，其厚度也不允许大于 120mm。为了能取得厚度更大高强铝合金锻件或厚板，美国Alcoa企业开创了一个含有专利权7085铝合金，因为淬透性和熔铸性好，其最大厚度可达250mm。7085铝合金成份特点是锌镁比大和控制Fe、Si含量适当。飞机材料结构的百年变化第64页 7085合金制成A380飞机后翼梁是迄今为止最大一个飞机模锻件，尺寸为6.4米长，1.9米宽，重约3900千克。 A

28、lcoa企业与飞机制造商合作制造一支线飞机紧急出口舱门用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，使装配时间降低80%，生产占地面积降低60%，成本降低2025%，减重20%。飞机材料结构的百年变化第65页 6056合金是法国研制成功一个Al-Mg-Si系合金，与系铝合金相比，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机身下部蒙皮，并采取先进激光焊技术，从而显著节约了结构重量和降低了成本，见图。飞机材料结构的百年变化第66页飞机材料结构的百年变化第67页 第三代铝锂合金正在崛起 铝锂合金在西方曾大起大落因为每添加1%锂

29、就可降低密度3%和提升弹性模量6%，再加上含有良好可焊性，所以，美国YF-22、YF-23、B-777、MD-11及欧洲EF等均曾计划大量采取铝锂合金（EF 高达40%用量）。然而，到1999年为止先后撤消了原计划，主要原因是当初应用第二代铝锂合金2090、2091、8090（Al-Li-Cu-X）锂含量均较高（约2%），所以展现不少技术问题: (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。飞机材料结构的百年变化第68页 当前又东山再起A380已正式选取铝锂合金制造地板梁，正打算用作机身蒙皮和下翼面桁条。A350已选取铝锂合金制造机身蒙皮和地板结构等，其原设计用量高