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作者: 中国腐蚀与防护网
来源: 中国腐蚀与防护网
发布时间: 2017-08-30
关键词: 大飞机, 铝合金, 现状, 发展趋势
领域: 腐蚀领域
摘要: 学术干货│大飞机上的铝合金简介
正文: 1 前言 “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。 2 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。 2.1 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。表1 波音777主要部位用材一览表 2.2 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。表2 A380飞机主要部位选用材料 3 大飞机用铝合金发展趋势 3.1 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。表3 国际各大铝厂推出的新型铝合金 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。 4 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。 4.1 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。 4.2 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。 4.3 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。 5 结语尽管国内已初步形成了航空铝合金体系，但离国际先进水平还有很大的差距，此差距是多方面的，包括技术的、设备能力的、管理体制的等，大飞机项目的研制是我国综合经济实力的表现，是中华民族昌盛的标志。为了进一步发展大飞机，适应国际化、市场化的需求，一方面应进一步开展关键技术的攻关工作，为大飞机的发展奠定基础；另一方面，全国各相关行业都要为大飞机工程项目努力，保证国产大飞机迅速发展。更多关于材料方面、材料腐蚀控制、材料科普等方面的国内外最新动态，我们网站会不断更新。希望大家一直关注中国腐蚀与防护网http://www.ecorr.org 责任编辑：殷鹏飞《中国腐蚀与防护网电子期刊》征订启事投稿联系：编辑部电话：010-62313558-806 邮箱：fsfhzy666@163.com 中国腐蚀与防护网官方 QQ群：140808414

学术干货│大飞机上的铝合金简介

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