文章編號 :100026893 (2008) 0320701206
特邀

一代材料技術(shù) ,一代大型飛機(jī)

曹春曉 1 ,2
(1.北京航空材料研究院 ,北京　 100095)
(2.南昌航空大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 ,江西南昌　 330063)

Cao Chunxiao1 ,2
(1.Beijing Institute of Aeronautical Materials , Beijing　100095 , China)
料技術(shù)的成功推出 ,其中包括復(fù)合材料整體機(jī)身段、全鈦發(fā)動機(jī)掛架、纖維金屬層板、第 3代鋁鋰合金、新型高強(qiáng)鋁合金 7085、新型高強(qiáng)高韌鈦合金 Ti255531等。最后 ,對中國剛立項研制的大型飛機(jī)的選材原則提出了建議。關(guān)鍵詞 :大型飛機(jī) ;客機(jī) ;運輸機(jī) ;材料 ;復(fù)合材料 ;鈦合金 ;鋁合金中圖分類號 : V25　　　文獻(xiàn)標(biāo)識碼 :A Abstract : The present development and tendency of new materials used in large aircraft are introduced. The primary structural materials used for current American and European large airframes are undergoing a transi2 tionfromaluminumalloysto advancedcomposites,and50%of compositesseemsto bea startingpointforfu2 ture aircraft. The material technology for new generation large aircraft will be characterized primarily by the record2high application of composite materials and titanium alloys , in order to reduce the structural weight and fuel consumption significantly. The new generation aircraft material technology is also featured by the success2 ful introduction of innovative materials , including integrated composite fuselage section , all2titanium engine py2 lon , fiber2reinforced metal laminate , third generation Al2Li alloy , new high2strength aluminum alloy 7085 and new high2strength and high2toughness titanium alloy Ti255531 , etc. In the end , suggestions are made to the principle of material selection for the newly launched National Large Aircraft Research Program.
Key words : largeaircraft;airliner;transportaircraft; material;composites;titaniumalloy;aluminumalloy
　　 2007年 2月 26日 ,溫家寶總理主持召開國則的建議。務(wù)院常務(wù)會議 ,原則批準(zhǔn)大型飛機(jī)研制重大科技表 1　飛機(jī)各發(fā)展階段機(jī)體材料的變化 專項正式立項 ,引起了國內(nèi)外的高度關(guān)注。Table 1　Change of airframe material application at diffe
一百多年來 ,材料與飛機(jī)一直在相互推動下rent aircraft development stages不斷發(fā)展。 “一代材料 ,一代飛機(jī)”正是世界航空發(fā)展階段年代機(jī)體材料發(fā)展史的一個真實寫照。飛機(jī)機(jī)體材料結(jié)構(gòu)在大第 1階段 1903～20世紀(jì) 10年代木、布體上經(jīng)歷了 4個階段的發(fā)展后 ,正跨入第 5階第 2階段 20世紀(jì) 20年代～ 40年代鋁、鋼第 3階段 20世紀(jì) 50年代～ 70年代鋁、鈦、鋼段[122] ,見表 1。鋁、鈦、鋼、復(fù)合材料
顯然 ,大型飛機(jī)在機(jī)體材料上的變化正反映第 4階段 20世紀(jì) 80年代～ 21世紀(jì)初(鋁為主 )
復(fù)合材料、鋁、鈦、鋼

了這一趨勢 ,并在選材等方面充分體現(xiàn)了 “一代材第 5階段 21世紀(jì)初～(復(fù)合材料為主 ) 料技術(shù) ,一代大型飛機(jī)”這一辯證的互動關(guān)系。
作為借鑒 ,本文首先歸納分析了歐美新一代大型飛機(jī)的材料技術(shù)特色 ,然后在此基礎(chǔ)上結(jié)合1　歐美新一代大型飛機(jī)的材料技術(shù)特色 中國具體情況提出一些關(guān)于中國大型飛機(jī)選材原11 1　復(fù)合材料和鈦合金的用量創(chuàng)歷史新高 [229]
收稿日期 :2007211215 ;修訂日期 :2007212220通訊作者 :曹春曉 E2mail :chunxiao. cao @biam. ac. cn由圖 1可知 ,從波音 787開始 ,50 %用量的復(fù)

合材料成為未來飛機(jī)的起點 ,也就是說 ,飛機(jī)機(jī)體以復(fù)合材料為主的時代從此起步。繼波音 787之后 ,空客 A350改進(jìn)型 (A350XWB)的復(fù)合材料用量從原來的 37 %提高至 52 %,波音 737后繼機(jī)和空客 A320后繼機(jī)的復(fù)合材料用量也將高達(dá) 50 %左右 ,甚至可能逼近 60 %。

圖 1　大型客機(jī)上復(fù)合材料用量隨年代的變化 Fig1 1　Change of composite application in large airliners as time goes on
從表 2可知 ,在 20世紀(jì) 90年代推出的 C217軍用運輸機(jī)和剛推出的 A380客機(jī)上 ,鋁合金的用量還是排第 1位 ,但在即將投入運營的波音 787、A350客機(jī)和歐洲 A400M軍用運輸機(jī)上 ,材料用量排第 1位的均為復(fù)合材料。
表 2　新一代客機(jī)和軍用運輸機(jī)的材料用量 Table 2　Material application in new generation airliners and military transports
機(jī)型 鋁合金 結(jié)構(gòu)重量比 / %復(fù)合材料鈦合金 鋼 其他 
A380  61  22  10  14  6 
A350  19 ①  53 ②  14 ②  6  8
波音 787  20  50  15  10  5 
C217 A400M  6913  81 1 35～40 1013  121 3  2 

　　注 :①原設(shè)計的用量為 34 %含鋁鋰合金 ;②原設(shè)計的復(fù)合材料和鈦合金的用量分別為 37 %和 9%。
圖 2表明 ,大型飛機(jī)上鈦合金用量與日俱增 ,波音 787上 15 %鈦用量則打破了客機(jī)歷史最高記錄。波音 787上大量用鈦的原因有兩個 :首先 ,為了減輕結(jié)構(gòu)重量 ;其次 ,由于大型飛機(jī)復(fù)合材料用量猛增 ,鋁合金與復(fù)合材料中的碳纖維之間存在顯著的電位差 ,因此與復(fù)合材料接觸的緊固件等零件通常采用鈦合金 ,以避免電化學(xué)腐蝕的發(fā)生。
圖 2　大型客機(jī)和軍用運輸機(jī)上鈦合金用量隨年代的變化 Fig1 2　Change of titanium application in large airliners and military transports as time goes on
直至 2006年 ,波音 787仍出現(xiàn)超重問題 ,波音公司為了實現(xiàn)減重 2 500 kg的目標(biāo) ,決定在 2006和 2007年度再投入 3億美元研究在飛機(jī)一些部位用鈦合金取代鋁合金制成零部件 ,并聲稱不會影響波音 787投入運營的進(jìn)度。
11 2　一些具有新意的材料技術(shù)嶄露頭角
(1)波音 787采用復(fù)合材料整體機(jī)身段新型
技術(shù) [4 ,10211 ]
復(fù)合材料與金屬材料相比 ,更適合于制備整體結(jié)構(gòu)件。波音 787機(jī)身由若干段復(fù)合材料大型整體結(jié)構(gòu)件組成 ,減少了 1 500個零件和 (4～5)萬個連接件 ,顯著地減輕結(jié)構(gòu)重量 ,提高安全可靠性和降低制造、裝配、油耗、維修等成本。然而 ,要制成這么大型和復(fù)雜的機(jī)身段整體件 (見圖 3)還是有很大難度的。比如在 2006年初 ,該機(jī)身段就出現(xiàn)孔隙率過高的關(guān)鍵問題 ,甚至有可能影響適航認(rèn)證 ,迫使公司投入更多人力財力進(jìn)行試驗研究。
　
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