新一代大型飞机材料技术

飞机的"油耗"是航空公司特别关注的指标。最新的波音787承诺可降低油耗20％，其中通过大量使用复合材料（用量将为50％）可降低油耗8％；A350为了在竞争中取胜，在其改进方案A350XWB中使用复合材料可达52％；150座级的波音737和A320的后继机也将大量使用复合材料。我国的大型飞机项目已经上马，在大飞机材料的应用方面我国与欧美国家有哪些差距？在选材方面应注意哪些问题？带着以上问题，记者采访了北京航空材料研究院的曹春晓院士。 　　
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记者：自从人类实现动力飞行一百多年来，飞机历经了五个时代的发展，请问飞机机体的材料结构经历了那几个阶段的发展？飞机的发展和材料的发展有着什么样的联系？
曹院士：飞机机体的材料结构已经经历了四个发展阶段，正在跨入第五阶段。这五个阶段为：第一阶段（1903～1919年），木、布结构；第二阶段（1920 ～ 1949年），铝、钢结构；第三阶段（1950 ～ 1969年），铝、钛、钢结构；第四阶段（1970 ～ 21世纪初），铝、钛、钢、复合材料结构（以铝为主），第五阶段（21世纪初～ ）：复合材料、铝、钛、钢结构（以复合材料为主）。 内容来自123456
一百多年来，材料与飞机一直在相互推动下不断发展，飞机的先进性在很大程度上又取决于材料的先进性，"一代材料，一代飞机"正是航空工业发展的生动写照。 　

记者：国外新一代大型飞机上各类材料的用量有什么样的变化趋势？
曹院士：总的趋势是复合材料和钛合金的用量不断增多，已创历史新高。C-17军用运输机钛用量占全机材料重量的10.3%（钛零件总重6.8t），复合材料用量8.1%，铝合金用量69.3%，钢用量12.3%；欧洲军用运输机A400M复合材料用量35%～40%；空中"泰坦尼克"A380铝合金用量61%，复合材料用量22%，钛合金用量10%；波音787复合材料用量50%，铝合金用量20%，钛用量15%，钢用量10%；空中客车 A350复合材料用量 52%，铝锂合金用量23%，铝合金用量11%，钛合金用量9%，钢用量14%，其他材料用量6%。　　

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记者：国外新一代大型飞机在材料技术上有哪些突破呢？
曹院士：近来，一些具有新意的材料技术崭露头角。
(1)波音787使用复合材料整体机身段。 内容来自123456
(2) A380率先在中央翼盒上大量采用复合材料（原为全金属结构）。波音787则进一步发展为全复合材料翼盒直至全复合材料机翼。A380中央翼盒重8.8t，其中复合材料5.3t，减重1.5t。
(3) 液态复合成形(LCM)已作为成熟的工程技术应用于新一代大型飞机。LCM可分为树脂转移模塑（RTM）和树脂薄膜浸渗（RFI）两种制备技术。由于LCM技术具有成本低、周期短、质量高、工作环境好和有利于结构整体化等优点，使原来在减重方面就占优势的树脂基复合材料如虎添翼，显著增强了与金属材料的竞争力。比如A380中央翼盒的5个工字梁用RTM制成，并率先采用RFI技术制造复合材料襟翼滑轨梁；波音787机身的很多地板横梁用RFI技术制造，其起落架撑杆则用RTM技术制造。
(4) 复合材料风扇叶片在GE90发动机上使用近十年来未出现任何问题。GE90的成功使用，使GenX发动机放心地正式选用带钛前缘的复合材料风扇叶片。 波音787、A350等大型客机用的GenX发动机采用了复合材料前风扇机匣和带钛前缘的复合材料风扇叶片。
(5) A380和波音787分别选用了层间混杂复合材料（纤维金属层板）GLARE和钛/石墨化合物复合材料TiGr。
与金属基叠层板复合材料（ARALL）相比， GLARE的密度较高且模量较低，但其成本显著降低，而且显著提高了疲劳性能、拉伸强度、压缩性能、冲击性能和阻尼性能。因此GLARE层板一问世，就引起世界各大飞机制造公司的关注。"九五"期间北京航空材料研究院（BAIM）的疲劳试验结果表明，3/2GLARE的疲劳寿命为胶接铝板的23～35倍。这是由于纤维的桥接作用降低了铝板裂纹尖端的应力强度因子，经过一定循环次数后裂纹以近似恒定的速率扩展。
在A380 上 GLARE机身壁板一共有27块，最长的一块为11m，总覆盖面积达470m2。此外GLARE还用在垂直尾翼的前缘和水平稳定面上。GLARE用量占A380总结构重量的3%。成本与铝材相近的GLARE不但使A380结构重量减轻800kg，而且提高了其使用寿命和可维修性。
由于GLARE很难彻底解决碳纤维与铝合金之间的接触腐蚀问题，因此完全商品化尚需时日，而TiGr既无电化学腐蚀问题，又可进一步提高综合性能（特别是高温性能），因此应运而生。据报导，波音公司将选用TiGr制造波音787的机翼和机身蒙皮。TiGr还可以用来作为蜂窝夹层的面板。实践表明，自动铺放的TiGr层板的性能高于手工铺叠的TiGr层板。
(6)A380是首次推出全钛挂架的飞机，A350也采用全钛挂架，均选用β退火的Ti-6Al-4V ELI。 

(7)新型高强高韧近β型钛合金Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr-1Zr首次在A380平台上闪亮登场。这是空客公司与俄罗斯合作，在BT22(Ti-5Al-5V-5Mo-1Cr-1Fe)基础上研发的一种新合金，已用于A380机翼与挂架的连接装置。它的强度与韧性之间的优良组合受到了设计师们和钛合金工作者的青睐。 123456
(8)在F/A-22、V-22等军用飞机上迅猛崛起的钛合金精铸技术正逐步进入大型飞机领域。1999年，波音777的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波音777。这是首次在民机上获得成功应用，由于客机在安全可靠性方面的具有更高要求，故这一开端具有重要意义。
近期，A380客机的钛合金刹车扭力管已由英国Doncasters公司采用离心熔模精铸技术制成，这是欧洲首次采用钛合金刹车扭力管精铸件取代以往的锻件。
最近，Howmet公司、波音公司与美国空军研究实验室联合进行薄壁钛铸件的开发，选择C-17军用运输机发动机挂架为对象，各用一个整体铸件取代由17个Ti-6Al-4V钣金件组成的鼻帽和由多个零件、不少紧固件组成的防火封严件。目前已达到1.27mm厚度的要求，并引入新生产的 C-17飞机。60个鼻帽铸件在全寿命期可节约320万美元，防火封严件改用薄壁铸件后可降低成本70%以上。
(9)第三代铝锂合金在A350、A380上的大量应用是空客新一代飞机的一大特色。A380已正式选用铝锂合金制造地板梁，正打算用作机身蒙皮和下翼面的桁条。A350已选用铝锂合金制造机身蒙皮和地板结构等，其用量高达总结构重量的23%。铝锂合金东山再起的主要原因是在不断优化成分的基础上推出了2094、2195、2097、2197等第三代合金。这些合金的共同特点是降低了锂含量和优化了铜等合金元素的含量，从而控制了Al3Li相的析出，解决了第二代合金出现的上述问题。第三代铝锂合金取代2124、2024铝合金制成的零部件在F-16战斗机上的成功验证也是东山再起的重要原因。 本文来自123
(10)新型高强铝合金7085的问世为特大锻件在A380上的应用开辟了道路。已有高强铝合金的锻件或厚板的厚度均有一定限制，例如，7055 限于 38mm，7150虽较理想，其厚度也不允许大于 120mm。为了能获得厚度更大的高强铝合金锻件或厚板，美国Alcoa公司开创了一个具有专利权的7085铝合金，由于淬透性好，其最大厚度可达300mm。
7085铝合金的成分特点是锌镁比大和铁、硅含量很低。7085合金制成的A380飞机后翼梁是迄今为止最大的一个飞机模锻件，尺寸为6.4m×1.9m，重约3900公斤。

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Alcoa公司与飞机制造商合作制造一支线飞机的紧急出口舱门用的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，使装配时间减少80%，生产占地面积减少60%，成本降低20%～25%，重量减轻20%。 

记者：我国的大型飞机研制项目包含大型客机和大型运输机两大部份，大运和大客在材料的选用方面有什么区别？ 内容来自123456
曹院士：为了缩短研制周期、节省研制费用、降低销售价格和提高成熟程度，建议设计者和材料工作者紧密结合，尽可能增加大型运输机和大型客机上共用材料的比例。这样做更有利于客机用国产材料通过适航条例。
对于大型运输机，材料应立足于国内是显而易见的。对于大型客机用的材料，可按市场竞争原则进行全球采购，但这个"全球"理应包括国内供应商，特别对于关键材料，都应尽早具备自主供应的能力。既然要求我国大型客机要具有相当的国际竞争力，就必须在符合安全性要求的前提下尽可能选用一些先进的航空材料，特别是要充分重视具有中国特色的先进材料的选用，例如TC21钛合金的性能不仅具有国际先进水平，而且在合金及其锻造工艺上都具有自主知识产权。凡综合评价优良并对飞机设计制造水平起重要作用的先进材料，已成熟的理当优先选用；即使当前不够成熟，只要在较短时间内（例如5年）能达到实用化程度的，应尽早立项启动和及时赶上飞机研制进度，以免出现受制于人的被动局面。  123,123
记者：要在市场的竞争中取胜，经济性是很重要的一个因素。复合材料结构制造的成本是否较高？我们怎样看待其带来的经济效益？

    曹院士：目前虽然复合材料比铝合金成本高，但飞机结构重量大幅度减轻所带来的经济效益（使用、维护成本低，燃油消耗降低3%等）远远超过了它的负面效应。另外，波音787的外场维护间隔时间从波音767的500小时提高到1000小时，维修费用比波音777低32%等也带来了可观的经济效益。同时，由于飞机结构重量轻减少了燃油的排放，也有利于环保。 

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记者：我国在大型飞机材料的应用方面与欧美国家有哪些差距？还应从哪些方面努力？

曹院士：第一，原材料年产量低，价格贵。我国大量使用的碳纤维，其年产量还不能满足国内工程应用的需求；同时，国内产品的价格也高于国外。 123456
第二，缺少高强度的原材料。复合材料的强度大小主要取决于纤维的强度。美、欧等先进航空企业大量使用复合材料的基础是强度高、价格相对较低的碳纤维。波音公司在B787上使用的T800碳纤维，强度较T300高50%~60%。而我国碳纤维正处于研制与工程化阶段，尚未形成稳定的自主保障能力。所以我国需要投入大量的人力物力，加快研制T800，并且提高材料的生产能力，满足航空工业的需求。
第三，工艺技术在工程应用方面还不成熟。制造成本的降低需要工艺方面的突破来实现。RTM与RFI这两种制备技术具有成本低、周期短、质量高和有利于结构整体化等优点，我国对其的研究取得了不少进展，但在工程应用方面还不成熟。

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第四，由于自动铺带、自动铺丝设备能降低成本、提高质量，建议我国加强自主研制，并开展国际合作研制，或适量进口，以解决特殊工艺装备问题。
据国内材料的发展现状，大型飞机的候选材料大致可按四种情况分别对待：
第一种，已能工程化生产和应用，大型飞机可直接选用和定货；

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第二种，预研阶段已完成，并已立项开展工程化研究，本专项应加强与之衔接，必要时根据大型飞机需要立项开展适应性研究；
第三种，预研阶段已经或即将完成，但尚未立项开展工程化研究，本专项应及早安排或落实该材料的工程化研究项目；
第四种，个别材料国内尚属空白，但确实是大型飞机十分重要的先进材料，则应尽早立项和启动，力争赶上大型飞机研制进度。