圖 3 波音 787復(fù)合材料整體機(jī)身段 Fig1 3 Integrated composite fuselage section of Boeing 787
(2) A380率先在中央翼盒上大量采用復(fù)合
材料[2 ,4 ,728]
由于中央翼盒是關(guān)鍵的主承力件 ,因此以往均為全金屬結(jié)構(gòu)。 A380中央翼盒率先采用復(fù)合材料與金屬材料的混合結(jié)構(gòu) (以復(fù)合材料為主 ),為在飛機(jī)上擴(kuò)大復(fù)合材料應(yīng)用跨出了重要的一步。該翼盒質(zhì)量為 8 800 kg ,其中復(fù)合材料 5 300 kg ,取得了減重 1 500 kg的良好效果 ,見圖 4。
(4) A380和波音 787分別選用層間混雜復(fù)
合材料 GL ARE和 TiGr[2 ,728 ,13 ]纖維金屬層板的示意圖見圖 7。由于第 1代層間混雜復(fù)合材料 ARALL (芳
綸纖維鋁合金層板 )存在芳綸纖維容易在疲勞過程發(fā)生斷裂和成本較高的缺點(diǎn) ,因而影響了它的擴(kuò)大應(yīng)用。與 ARALL相比 ,第 2代層間混雜復(fù)合材料 GL ARE(玻璃纖維鋁合金層板 )雖然密度較高和模量較低 ,但其成本顯著降低 ,而且顯著提高了疲勞性能、拉伸強(qiáng)度、壓縮性能、沖擊性能和
(3)液態(tài)復(fù)合成形 (L CM)已作為成熟的工程技術(shù)應(yīng)用于新一代大型飛機(jī) [4 ,7212 ]
由于 L CM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(diǎn) ,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(qiáng)了與金屬材料的競爭力。
樹脂轉(zhuǎn)移模塑
( R TM)和樹脂薄膜浸滲 ( RFI)是 L CM中兩種主要的制備技術(shù)。
阻尼性能 ,因此 GL A RE一問世 ,就引起了世界各大飛機(jī)制造公司的關(guān)注。 A380的機(jī)身壁板、垂直尾翼前緣和水平穩(wěn)定面都選用了 GLARE ,其用量占 A380總結(jié)構(gòu)重量的 3%。
由于第 3代層間混雜復(fù)合材料 CARE(碳纖維鋁合金層板 )很難徹底解決碳纖維與鋁合金之間的電化學(xué)腐蝕問題 ,因而迄今無商品化產(chǎn)品。據(jù)報(bào)道 ,波音公司將選用第 4代層間混雜復(fù)合材料 Ti Gr (石墨纖維鈦合金層板 )制造波音 787的機(jī)翼和機(jī)身的一些蒙皮。 Ti Gr還可用來作為蜂窩夾層的面板。
(5) A380是首次采用全鈦掛架的飛機(jī)[728]
A380率先采用全鈦掛架 ,A350也采用全鈦掛架 ,并均選用 β退火的 Ti26Al24VELI ,以提高斷裂韌性和減慢疲勞裂紋擴(kuò)展速率而有利于損傷容限設(shè)計(jì)。這一全鈦掛架是空客公司作為超前的新技術(shù)之一高調(diào)推出的。
(6)新型高強(qiáng)高韌鈦合金 Ti25Al25V25Mo2 3Cr21Zr首次在 A380平臺上閃亮登場 [728]
這是空客公司與俄羅斯合作在 В Т22 ( Ti2 5Al25V25Mo21Cr21Fe)基礎(chǔ)上研發(fā)的一種新合金 (屬近 β型),已選用于 A380機(jī)翼與掛架的連接裝置 ,它那令人驚異的強(qiáng)度與韌性之間的優(yōu)良組合受到了設(shè)計(jì)師和鈦合金工作者的青睞。
(7)鈦合金精鑄技術(shù)正逐步進(jìn)入大型飛機(jī)領(lǐng)
域[ 2 ,14217 ]
近 20年來 ,由于在鈦合金精鑄工藝上采用了計(jì)算機(jī)模擬、熱等靜壓和 β熱處理等先進(jìn)技術(shù) ,顯著改善了鈦鑄件 (包括大型整體結(jié)構(gòu)件 )的組織性能并消除了各種鑄造缺陷 ,因而在 F/ A222 ,V222等軍用飛機(jī)上的應(yīng)用迅猛崛起。然而在客機(jī)和軍用運(yùn)輸機(jī)上的應(yīng)用卻起步較晚。
1999年 ,波音 777的發(fā)動機(jī)后安裝框架鈦合金精鑄件在零件靜力試驗(yàn)成功后已實(shí)際應(yīng)用。雖然鈦合金精鑄技術(shù)早些時(shí)候已在 F/ A222 ,V222等軍用飛機(jī)上迅猛發(fā)展 ,但這是首次在安全可靠性要求更高的民機(jī)上獲得成功應(yīng)用 ,故這一開端具有重要意義。
近期 ,A380
國 Doncasters公司采用離心熔模精鑄技術(shù)制成 ,
最近 , Howmet公司、波音公司與美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合進(jìn)行薄壁鈦鑄件的開發(fā) ,選擇 C217軍用運(yùn)輸機(jī)發(fā)動機(jī)掛架為對象 ,各用一個(gè)整體鑄件取代由 17個(gè) Ti26Al24V鈑金件組成的鼻帽和由多個(gè)零件、不少緊固件組成的防火封嚴(yán)件。目前已達(dá)到厚度 11 27 mm的要求 ,并引入新生產(chǎn)的 C217飛機(jī)。 60個(gè)鼻帽鑄件在全壽命期可節(jié)約 320萬美元 ,防火封嚴(yán)件改用薄壁鑄件后可降低成本 70 %以上。
圖 8顯示了一種大型軍用運(yùn)輸機(jī)用的鈦合金精鑄件 ,它取代了原 22個(gè)加工件 ,節(jié)省了大部分成本。
圖 8 一大型軍用運(yùn)輸機(jī)用的鈦合金鑄件
Fig1 8 Ti2alloy single piece casting for use in a large mili2 tary transport aircraft
(8)第 3代鋁鋰合金在 A350 ,A380上的大量應(yīng)用是空客新一代飛機(jī)的一大特色 [2 ,729]
由于每添加 1%鋰就可降低 3%的密度和提高 6%的彈性模量 ,因此 A380已正式選用鋁鋰合金制造地板梁 ,正打算用做機(jī)身蒙皮和下翼面的桁條。 A350已選用鋁鋰合金制造機(jī)身蒙皮和地板結(jié)構(gòu)等 ,其原設(shè)計(jì)的用量高達(dá)總結(jié)構(gòu)重量的 23 %。鋁鋰合金經(jīng)大起大落后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 3代合金。這些合金的共 同特點(diǎn)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 2代合金出現(xiàn)的各向異性顯著、抗應(yīng)力腐蝕能力差等問題。第 3代鋁鋰合金取代 2124 ,2024鋁合金制成的零部件在 F216戰(zhàn)斗機(jī)上的成功驗(yàn)證也是東山再起的重要原因。
(9)新型高強(qiáng)鋁合金 7085的問世為特大鍛件在 A380上的應(yīng)用開辟了道路 [728]
的安全性、經(jīng)濟(jì)性、舒適性的環(huán)保性
與戰(zhàn)斗機(jī)等較小型的飛機(jī)相比 ,大型飛機(jī)對選材的要求具有 4個(gè)“更高”的特點(diǎn) ,即更高安全性 ,更高經(jīng)濟(jì)性 ,更高舒適性和更高環(huán)保性。波音公司之所以把波音 787的復(fù)合材料用量增加至 50 %左右 ,就是認(rèn)為這在更高層次上符合了“四性”的要求。
其具體理由是 :復(fù)合材料經(jīng) 30多年的研究和
Zn Mg Cu Zr Fe Si Al
710～810112～118113～2100108～0115 ≤0108 ≤0106量余
7085鋁合金的主要性能見表 4。
表 4 7085鋁合金的主要性能 Table 4 Main properties of aluminum alloy 7085
取樣KIC
品種 δ/ mm方向 σb/ MPa σ012/ MPa δ5/ % /(MPa ·
m)
鍛件 > 50～150 L 503 462 9 301 5 (L2T)
7085鋁合金制成的 A380飛機(jī)后翼梁是迄今為止最大的一個(gè)飛機(jī)模鍛件 ,長 61 4 m,寬 11 9 m,質(zhì)量約 3 900 kg。
(10) A380和 A350采用激光焊接技術(shù) (LBW)制成 6000系鋁合金和鋁鋰合金整體結(jié)構(gòu)件[628]
A350采用激光焊接技術(shù)制造鋁鋰合金機(jī)身結(jié)構(gòu)件 ,而 A380則采用激光焊接技術(shù)制造 6000系鋁合金下機(jī)身壁板結(jié)構(gòu)件 ,以取代以往的鉚接結(jié)構(gòu)件 ,從而由過去的“裝配式結(jié)構(gòu)”概念改變?yōu)?/br>
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