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国内外大飞机用铝合金的现状及发展

嘉峪检测网        2017-08-30 10:21

“大飞机”一般是指起飞总质量超过100 t的运输飞机,包括军用、民用大型运输机,也包括150座以上的干线客机。目前,世界上美国、欧盟和俄罗斯制造大型飞机的能力最强,占领国际市场的是美国的波音飞机和欧洲的空客飞机。2006年2月9日,国务院颁布《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006年—2020年)》,大型飞机被确定为“未来15年力争取得突破的16个重大科技专项”之一。2017年5月,国产大飞机C919成功试飞,这为大飞机加速实现国产化奠定了基础。

 

国外大型民机采用铝合金的现状

 

铝合金由于具有密度低、比强度高、耐腐蚀强、易导热导电、塑性和加工性能良好、成本低等一系列优点,在航空方面一直是大飞机机体结构的主要用材。从波音707飞机发展到以波音777和空客A380飞机为代表的新一代飞机,国外大型民机的主体结构材料发生了很大变化,但在目前正在使用的民用客机中,还在大量使用铝合金,甚至还占着主体地位。

 

1、波音777

 

波音777是美国波音公司九十年代推出的大型民用客机,采用的材料多是80年代末90年代初比较成熟的材料,或90年代商品化的材料。因此,它的选材具有一定的代表性。其主要部位的材料选用见表1。

 

2、A380飞机

 

A380飞机机体结构材料,优质铝合金用量最大,占重量的61%,复合材料占25%(22%为CFRP,用量达到32t,3%为首次用于民机的GLARE),铁和钢占10%,其他4%,A380飞机主要部位的材料选择见表2。

 

大飞机用铝合金发展趋势

 

1、国外大飞机用铝合金发展趋势

 

传统的大飞机结构用铝合金主要是高强度的2×××系(2024、2224、2324、2424、2524等)和超高强度的7×××系(7075、7475、7050、7150、7055、7085等)。20世纪80年代后,虽然出现了铝理合金、快速凝固铝合金、复合材料等新材料的竞争,但是传统的2×××系和7×××系铝合金仍显示出了强大的生命力。首先是7150-T77热处理工艺的成功,第一次在铝合金中实现了既满足腐蚀性能的要求,又同时不牺牲合金的强度。后来又通过调整合金成分、降低Fe、Si等杂质元素含量、改进生产工艺等手段,Alcoa公司发展出了7055-T77超高强度板材和2524-T3超高疲劳强度板材。7055-T77合金的强度比7075-T651高25%,比7150-T77高8~12%,而断裂韧性和抗应力腐蚀性能与7050-T61相当。

 

2524-T3包铝板的断裂韧性、抗疲劳性能均高于2024-T3包铝板30%以上,被认为是目前最理想的飞机蒙皮用材料。

 

进入21世纪,世界各大铝厂为了具备航空铝材市场的竞争力,分别推出了适用于相同部位,具备相当的性能但不同牌号的铝合金,有的甚至申请了专利,使铝合金的发展变得无序化和垄断化。目前各铝厂推荐的新型铝合金航空材料见表3。

 

2、国内大飞机用铝合金发展趋势

 

我国在飞机用铝合金的研究和应用基本上属跟踪型。在1980年以前,主要跟踪苏联的研究。在跟踪基础上,通过预研和型号的国产化工作,初步形成了我国的飞机用铝合金系列,主要有硬铝合金、超硬铝合金和锻铝合金。进入20世纪90年代后,我国开展了对美、俄等国一些高性能铝合金的跟踪研究工作,并进行了相应的应用研究,先后开展的项目有2224-T3510(型材),2324-T39(厚板),7175-T74(锻件),7055-T77(锻件)等合金。但都没有形成在民机上工程化应用的地步。

 

2010年,新材料作为七大新兴战略性产业之一,在未来拉动经济发展上被寄予厚望2011年发布的《新材料产业“十二五”发展规划》中更是强调要在关键新合金品种开发上取得重大突破,基本满足大飞机、轨道交通、节能与新能源汽车等需求。2012年1月,西南铝宣布成功试制了用于大飞机项目专用的第三代新型铝锂合金,该项目不仅填补了国内生产空白,还为大飞机加速实现国产化奠定了坚实的材料基础。

 

国产C919的供应商虽然来自全球,但是需要什么样的零部件,对其有怎样的技术要求,是由中国商飞决定的。机体中铝合金材料约占材料总重量的70%,复合材料的使用量约占C919飞机结构重量的12%。C919比B737、A320等同类机型轻5%~10%,主要得益于铝合金中锂元素的加入。

 

从以上发展经历上可以看出,航空铝合金的发展可以概括为以下几点:

 

1)对国有合金的改进:即对2024和7075两个典型合金,通过a)提高合金的纯度,降低杂质含量;b)加入微量元素,缩小合金成分范围;c)开发新的热处理状态等渠道。保存原有的优点,改进存在的问题,并使合金更专业化,从而具备不同性能水平、不同耐蚀能力,适用于不同用途的铝合金。

 

2) 开发新型高性能合金:即为某些特定要求(如温度、工艺性、环境)而研制开发的铝合金,如耐高温铝合金2219、耐蚀可焊铝合金6013、低密度高模量的铝锂合金。

 

国产大飞机用铝合金展望

 

从我国目前复合材料的研发水平、生产设备和生产能力考虑,其在大飞机上用量达到很高的水平非常困难,且无法靠进口解决。因此,铝合金还应是大飞机的主体结构材料。

 

1、大飞机用材料的要求

 

与其他行业用铝材料不同,大飞机项目所需要的铝材料的主要特点是“超长、超宽、超厚”,尤其是大飞机的机身,需要长达近20 m的拉伸板,厚度也要达到200 mm。

 

大飞机对机体材料的要求包括:

 

1) 实现结构减重;

2) 结构承载和功能一体化;

3) 提高机体使用寿命;

4) 高可靠性和可维修性;

5) 低制造成本和低使用维修成本。

 

这就对铝合金的比强度、比刚度、断裂韧性、疲劳性能、疲劳裂纹扩展速率和耐蚀性能等提出了更高的要求,需要采用综合性能更好的新型铝合金。

 

2、国内大飞机用铝合金存在问题

 

近几十年来,我国铝加工行业无论从装备能力还是从加工能力,都已达到世界20世纪80年代后期、90年代初期的水平。但是,新型铝合金,特别是大飞机用铝合金的开发和研究,尚处于仿制和试验阶段,某些性能差距较大,需进一步研究开发。另外,我国的热处理工艺与国外相比也有较大差距,以致在仿美合金试验中,因热处理工艺差距,达不到相同的典型性能,这方面也需要重点突破。总之,国内的铝合金研究与国外相比还比较落后。以下是现阶段我们急需解决的问题:

 

1) 品种规格不全,质量不稳定

 

除2024和7075合金外,7050只研究过板材和丝材,7150只研究了小型锻件,7150只研究了板材,7055只研究了锻件。且因工程化生产的标准体系不完善、工艺规程执行不严格导致质量不稳定。

 

2) 新型铝合金的研究储备严重不足

 

尚未系统开展高温用铝合金、新一代铝理合金等新型铝合金的研究。7085高强高碎透性材料及抗拉强度在700Mpa以上的超高强度铝合金还缺乏研究。

 

3) 不够重视工程化研究,对生产中的问题研究不足。

 

当前我国对国外先进铝合金的研究工作大多还处在实验室阶段,而对于合金生产中的许多问题研究不足。此外,一些新材料的性能数据积累较少,材质也不稳定,这些都给应用带来很大困难。

 

4) 原材料适航符合性控制

 

国产材料通过国际权威机构的适航审查还存在很大的差距。国内也曾编制过有关原材料供应厂商控制标准,但没有贯彻实施。

 

3、解决方案

 

中国大飞机的研究开发迫切需要很多具有优良性能材料的开发应用,这也对铝合金材料提出更新更高的要求。铝合金今后的研究重点主要集中在以下几个方面:铝锂合金、铝基复合材料和超塑性成形铝合金。

 

铝锂合金质轻、高强、抗疲劳和低温韧性好的优良性能使其有着广泛的应用。但是金属锂的储量少、提取难,生产工艺较复杂,铝锂合金的前景可能不如预期的那么乐观。必须进一步寻求技术和工艺方法,降低铝锂合金的成本,进一步提高其性能,力求使铝锂合金得到更广泛的应用。

 

铝基复合材料已成为铝合金,甚至是铝锂合金的重要竞争对手。目前开发的铝基复合材料主要有SiC/Al、B/Al、BC/Al、Al2O3/Al等。这些材料用于航空器上,可使质量大大减轻。但长期以来,由于铝基复合材料还存在着制备工艺复杂、对环境和设备要求严格、成本很高等缺点,因此,其应用还不普遍。

 

超塑性成型作为材料研究一个较新的方向,近年来发展很快。铝合金的超塑性成型是通过形变热处理得到的小于10 μm的超细晶粒,这些超细晶粒合金在高于半熔点和低应变速率条件下能获得超塑性,可以成形出传统方法难以获得的质量轻、成本低、形状复杂的构件,并且具有成形压力小、模具寿命高、可一次精密成形等许多优点。超塑性成型技术的应用,不仅为铝合金的开发利用提供了新途径,而且也是节约能源、降低成本的有效措施。

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来源:AnyTesting