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蘇州倍徠斯金屬材料制品有限公司

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航空

航空用材

鋁合金

在航空運(yùn)輸日益發(fā)達(dá)的今天,人們對(duì)飛行已經(jīng)相當(dāng)熟悉:伴隨著發(fā)動(dòng)機(jī)有力的轟鳴聲,飛機(jī)騰空而起,起落架隨之緩緩收入艙內(nèi),飛機(jī)經(jīng)過短暫的爬升后迅速消失在地平線上。所有這些,依賴的是高效的機(jī)體結(jié)構(gòu)、強(qiáng)勁的發(fā)動(dòng)機(jī)、強(qiáng)壯的起落架、先進(jìn)的系統(tǒng)等,而構(gòu)成這一切零部件基礎(chǔ)的主要是航空金屬材料。
 合金家族之一:鋁合金

  1903年,美國(guó)萊特兄弟發(fā)明了世界上第一架飛機(jī),所選用的材料是木材和帆布,飛行速度只有每小時(shí)16公里,和騎自行車的速度相差無幾。

  1911年,鋁合金研制成功,并很快取代了木材和帆布,成為制造飛機(jī)的主要材料。第一次世界大戰(zhàn)期間,全金屬結(jié)構(gòu)的飛機(jī)已經(jīng)很普遍了。

  從木布結(jié)構(gòu)過渡到金屬結(jié)構(gòu),飛機(jī)的速度和其他性能實(shí)現(xiàn)了一次飛躍。例如,到1939年,螺旋槳飛機(jī)創(chuàng)造的最高時(shí)速已達(dá)755公里,僅36年的時(shí)間,飛機(jī)的飛行速度提高了47倍。如今,在飛機(jī)所使用的金屬材料中,鋁合金仍占有重要地位。

  航空用鋁合金密度低、耐腐蝕性能好,且具有較高的比強(qiáng)度、比剛度,容易加工成型,有足夠的使用經(jīng)驗(yàn),這些優(yōu)點(diǎn)使其成為飛機(jī)結(jié)構(gòu)的理想材料。

  從誕生以來,鋁合金隨著飛機(jī)設(shè)計(jì)的要求而不斷發(fā)展,其性能也日益強(qiáng)大。例如,1954年,英國(guó)的3架“彗星”飛機(jī)先后墜毀,事故分析表明,墜機(jī)的主要原因是材料疲勞以及部分7075-T6鋁合金構(gòu)件被嚴(yán)重腐蝕。經(jīng)過探索,研究人員突破了過時(shí)效熱處理問題,研制出第二代耐腐蝕鋁合金,有效提升了飛機(jī)的安全水平。

  如今,航空鋁合金的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入第六階段。2005年4月27日,世界上最大的寬體客機(jī)空客A380在圖盧茲?rùn)C(jī)場(chǎng)成功首飛。A380能夠取得成功,先進(jìn)材料的應(yīng)用立下了汗馬功勞。其中,加拿大鋁業(yè)公司和美國(guó)鋁業(yè)公司就為A380開發(fā)了新型鋁合金材料。

  早在1998年,加拿大鋁業(yè)公司就與空客公司達(dá)成協(xié)議,共同組建為A380飛機(jī)攻關(guān)的集成項(xiàng)目團(tuán)隊(duì),一起開發(fā)新型鋁合金材料。根據(jù)A380各部件的特點(diǎn),加拿大鋁業(yè)公司開發(fā)出了7040-T7651、7449、2027-T3511等一系列鋁合金。每種合金都具有不同的性能和特點(diǎn)。

  以7040-T7651合金為例,A380外翼的前梁和中央翼梁對(duì)材料的靜強(qiáng)度以及斷裂韌性提出了很高的要求。同時(shí),材料還必須具有良好的延展性和機(jī)械加工性。為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo),加拿大鋁業(yè)公司對(duì)原有合金AA7010/7050-T7651進(jìn)行了改進(jìn),開發(fā)出新型合金7040-T7651。這種合金具有高靜強(qiáng)度、高韌性、低殘余應(yīng)力和良好的延展性等特點(diǎn)。

  美國(guó)鋁業(yè)公司成立于1888年。一百多年來,該公司研發(fā)了一系列鋁合金材料,為航空工業(yè)的發(fā)展作出了重要貢獻(xiàn)。

  美國(guó)鋁業(yè)公司也參與了空客A380的研發(fā)。為了實(shí)現(xiàn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的整體化、大型化,該公司開發(fā)出可用于整體結(jié)構(gòu)的新型鋁合金7085大型鍛件,其截面厚度可達(dá)300毫米。在A380項(xiàng)目中,用7085鍛件制造的應(yīng)急艙門,零件數(shù)量從個(gè)減至40個(gè),緊固件由1400個(gè)減至450個(gè),重量減輕了20%,成本降低了20%?25%,承載能力和疲勞壽命也得到了顯著提高。

  合金家族之二:鈦合金

  鈦及鈦合金材料密度低、比強(qiáng)度高(目前金屬材料中最高)、耐腐蝕、耐高溫、無磁、組織性能和穩(wěn)定性好,可以與復(fù)合材料結(jié)構(gòu)直接連接,而且兩者之間的熱膨脹系數(shù)相近,不易產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕,具有優(yōu)良的綜合性能。因此,鈦合金在航空領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。

  1949年,美國(guó)道格拉斯公司在DC-7運(yùn)輸機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)艙和隔熱板上,第一次使用了鈦合金。洛克希德公司的“黑鳥”高空高速戰(zhàn)略偵察機(jī)SR-71,飛行速度超過3馬赫,在高速飛行時(shí),機(jī)體表面溫度將超過常規(guī)鋁合金蒙皮的極限,如果用鋼制造,飛機(jī)重量會(huì)大大增加,影響飛行速度和升限等性能。因此,SR-71的機(jī)身大量采用了鈦合金,總重達(dá)30多噸,占飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量的93%。

  隨著人們對(duì)飛機(jī)性能要求的不斷提高,民用飛機(jī)的鈦合金用量也在逐漸增加。早期波音707上的鈦合金部件用量?jī)H占結(jié)構(gòu)總重量的0.2%,到最新的波音787,占比高達(dá)15%。

  此外,鈦合金也是制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)的主要材料。早期美國(guó)F-4戰(zhàn)斗機(jī)使用的J79發(fā)動(dòng)機(jī),鈦合金的用量只有50千克,不到總重量的2%。而現(xiàn)在大多數(shù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的鈦用量已經(jīng)達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)總重量的25%?30%。如波音747、767的發(fā)動(dòng)機(jī)JT9D,其用鈦量為總重量的25%;空客A320的V2500發(fā)動(dòng)機(jī),其用鈦量為總重量的31%。

  鈦合金的另一大用途是作為螺栓、鉚釘?shù)染o固件材料。這些緊固件雖小,但用量卻很大,使用鈦合金緊固件可以大大減輕重量。據(jù)估算,C-5大型運(yùn)輸機(jī)有70%的緊固件為鈦合金緊固件,飛機(jī)因此而減重1噸左右。

  現(xiàn)在鈦合金3D打印技術(shù)已用于飛機(jī)制造。鈦合金3D打印技術(shù)由于擺脫了傳統(tǒng)的模具制造這一顯著延長(zhǎng)研發(fā)時(shí)間的環(huán)節(jié),可以制造高精度、高性能、高柔性和快速制造結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜的金屬零件,因而為先進(jìn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)的快速研發(fā)提供了有力的技術(shù)手段。

  合金家族之三:超高強(qiáng)度鋼

  超高強(qiáng)度鋼在強(qiáng)度、剛性、韌性以及價(jià)格等方面具有很多優(yōu)勢(shì),且擁有在承受極高載荷條件下保持高壽命和高可靠性的特點(diǎn),在航空領(lǐng)域得到廣泛使用。

  例如,飛機(jī)的起落架要承受沖擊等復(fù)雜載荷,而且載荷巨大,同時(shí)還要求起落架艙容積盡可能小,超高強(qiáng)度鋼絕對(duì)強(qiáng)度大、穩(wěn)定性好,因此成為起落架的首選材料。

  20世紀(jì)60年代,美國(guó)成功開發(fā)了300M超高強(qiáng)度鋼。300M鋼的抗拉強(qiáng)度高,達(dá)到1860MPa以上。它的橫向塑性高,斷裂韌性好,與同強(qiáng)度低合金超高強(qiáng)度鋼相比,300M鋼的抗疲勞性能更好,在介質(zhì)中的裂紋擴(kuò)展速率低。這些特點(diǎn)使得300M鋼成為大型飛機(jī)起落架的主要材料。

  1992年,美國(guó)又開發(fā)了AreMet100。AreMet100與300M的強(qiáng)度級(jí)別相同,但耐腐蝕性能和耐應(yīng)力腐蝕性能較300M鋼有較大提高,是目前綜合性能最好的超高強(qiáng)度鋼。F-22、F/A-18E/F就使用了AreMet100作為飛機(jī)起落架的主要材料。

  超高強(qiáng)度鋼的另一應(yīng)用是作為一些特殊傳動(dòng)部件的基體材料,如航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的軸承和傳動(dòng)齒輪。航空發(fā)動(dòng)機(jī)的軸承和齒輪的工作環(huán)境完全可以用“煉獄”來形容,它們不僅要承受各種應(yīng)力的擠壓和摩擦,而且絕不允許在使用過程中出現(xiàn)裂紋等損傷,只有超高強(qiáng)度鋼才可擔(dān)此重任。目前,世界上只有極少數(shù)國(guó)家掌握航空發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)部件超高強(qiáng)度鋼的制造技術(shù)。

  合金家族之四:未來之星—鎂合金

  鎂合金是最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料,具有密度小、比強(qiáng)度高、抗震能力強(qiáng)、可承受較大沖擊載荷等特點(diǎn)。

  國(guó)外最早針對(duì)鎂合金的研究主要是在航天器的應(yīng)用領(lǐng)域,后來逐漸發(fā)展到航空領(lǐng)域。1934年,德國(guó)開始將鎂合金制造的飛機(jī)零部件應(yīng)用到福克Fw-200飛機(jī)上,主要用在飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)罩、機(jī)翼蒙皮及座位框架上,每架飛機(jī)共用鎂合金材料大約650kg。

  目前,鎂合金材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括:飛機(jī)框架、座椅、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣、齒輪箱等。2010年,美國(guó)聯(lián)邦航空管理局針對(duì)用AZ31、WE43等制造的鎂合金飛機(jī)座椅,開展了大量的整機(jī)可燃性試驗(yàn),比較了這兩種鎂合金的可燃性、燃燒持續(xù)時(shí)間等性能。

  埃塞克斯飛機(jī)公司用鎂合金板材及型材制造的190-8327L飛機(jī)油箱,與用鋁合金制造的油箱相比,每升容積可減重0.144?0.168kg,整架飛機(jī)的最大減重可達(dá)454kg。

  目前,一些高溫鎂合金如WE43、WE54等已被廣泛應(yīng)用于新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪箱和直升機(jī)的變速系統(tǒng)中,如西科斯基的S-92直升機(jī)。這些鎂合金材料能較好地適應(yīng)高溫、腐蝕、震動(dòng)和沙塵等比較惡劣的環(huán)境。



  伴隨著航空金屬材料的不斷發(fā)展,飛機(jī)金屬加工工藝也在迅速發(fā)展,如大型壁板時(shí)效成型技術(shù)、大型模鍛件制造、3D打印技術(shù)、先進(jìn)膠結(jié)技術(shù)、先進(jìn)焊接技術(shù)等。

  在飛機(jī)設(shè)計(jì)時(shí),一定要綜合材料優(yōu)勢(shì),揚(yáng)長(zhǎng)避短,物盡其用,這樣才能最大限度地發(fā)揮材料的性能,真正實(shí)現(xiàn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)的安全、高效,達(dá)到減少重量、降低制造和運(yùn)營(yíng)成本的目的。

 

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