A380复合材料的应用.doc

A380飞机结构的先进材料和工艺中国航空工业发展研究中心航空技术所任晓华A380的寿命要达到40-50年，因此必须选用先进且新型材料和工艺技术，为未来飞机搭建技术平台这些技术不仅经过了大量全尺寸试验验证而且经过了航空公司维修专家的评审（符合检查和维修标准）A380结构设计准则（见图1）重复的拉伸载荷加上载荷的变化将会在金属结构内产生微小的疲劳裂纹裂纹增长速度以及残余强度（当裂纹产生时）将指导选择何种材料为了防止结构由外物损伤，需要考虑材料的损伤容限性能压力载荷需要考虑采用屈服强度和刚度好的材料，以增加稳定性抗腐蚀能力是选择材料和工艺的另一个重要准则，尤其是在机身下部选择材料和工艺目标的一部分是使结构轻量化因此，复合材料是很好的选择，但必须了解设计准则和维修需要材料的选择不仅仅是考虑设计准则，同时还要考虑生产成本和采购问题1新型且先进的金属材料从A380选材的分布来看（见图2），铝合金占的比重最大，达机体结构重量的61%，因此要实现性能改进，必须开发创新的铝合金材料和工艺技术，具体是提高强度和损伤容限，加强稳定性并提高抗腐蚀能力尤其是在A380机翼部位（机翼的80%以上是铝合金材料）要提高性能。

A3呦结构的材料分配图2A380-800飞机在铝合金结构上取得的主要成就包括：•在机身壁板上引用了很宽的钣金材料，减少了连接件从而减轻了重量;•在主地板横梁上采用了先进的铝锂合金挤压件，在这一部位的应用可与碳纤维增强塑料相媲美；•在机翼大梁和翼肋上选择了新型7085合金，这种合金在很薄的板材和很大锻件上性能优于通常的高强度合金；钛合金由于具有高强度、低密度，高损伤容限和抗腐蚀能力使其代替钢而广泛应用，但是它的高价格使其应用受到限制在A380的结构中，钛合金用量较空中客车其它机型有所增加，达到10%仅仅挂架和起落架的钛合金用量就增加了2%•A380挂架的主要结构是空中客车公司第一次采用全钛设计在A380飞机上采用最广泛的钛合金是Ti-6AI-4V,在B退火状态下最大的断裂韧性和最小的裂纹增长速度•在A380上第一次采用了新型钛合金VST55531，这种新的钛合金是空中客车公司与俄罗斯制造商共同开发的，能够为设计者提供良好的断裂韧性和高强度综合性能这种合金目前用于A380飞机的机翼和挂架之间的连接件，进一步的应用还在研究当中2.A380复合材料的应用A380复合材料的主要应用见下图3上地扳梁p眦・H4垂庫DFRP.JUiIgJ^IlaminilidCfSI3UP非承崔机島MidtuiuiiMCFfiP.Afp*G1Mbdw«D|ili^itaJrai中夬翼耀Cl砒TIL啊耳MLMJtticfMun平嵐G4WAELIcr&nimbiattNaiiiririHn按翼舊动板CfRP.RTHCFSP.RFIn电ilipidUtaklA380是空中客车第一次大范围在大型民用运输机上应用复合材料的飞机。

在空中客车公司，A310是第一次在襟翼盒上应用复合材料的飞机；A320是投产的第一架全复合材料尾翼飞机；A340飞机的机翼的13%重量是复合材料；而A340/500-600则采用了碳纤维增强塑料龙骨梁而A380飞机是空中客车第一次将碳纤维增强塑料（CFRP）应用于中央翼盒的飞机，这种结构与铝合金相比减重1.5吨A380上的中央翼盒重8.8吨，其中5.3吨是复合材料面临的主要问题是翼根的连接和零件的厚度，复合材料零件的厚度能够达到45mm但是有生产A340/500-600则采用了碳纤维增强塑料龙骨梁（16m长，23mm厚,每根梁承载450吨）的经验另外在A340-600飞机上还有襟翼翼盒、方向舵以及水平安定面和升降舵的整体复合材料设计经验A380飞机的CFRP水平尾翼与A310飞机的悬壁式机翼相近，而在中央翼盒上采用了合理的自动铺带技术此外，上地板梁和后压力隔框也采用了CFRP材料这些零件的第一个采用了挤压成形工艺，第二个试用了树脂模浸渍工艺和自动纤维铺放技术，最后由于形状的原因，最后选择了树脂模浸渍工艺在后机身非承压部位由于是双曲度壁板，所以采用了自动化纤维铺放技术生产蒙皮壁板，高载荷承力框则采用高强铝合金加工，而承载较小的框则采用RTM制造工艺。

A380机翼固定前缘为热塑性复合材料，能够减重并节约成本这项技术已经在A340-600飞机上验证，改善了损伤容限和可检测性,进一步的应用还在研究中,例如应用于机身的次承力支架系统机翼后缘移动面采用了CFRP,并在难以用一般技术获得的成形零件上采用了RTM技术，如移动面的铰链和翼肋零件内侧襟翼与增升装置容易受到外来物的损伤，但考虑到减重问题，金属结构设计在这方面并不优于复合材料设计因此，在A380飞机的襟翼跟踪梁的设计中采用了金属与复合材料的混合结构，在横向壁板和次承力翼肋处用CFRP代替了铝合金另外，空中客车公司还首次将CFRP翼肋用于翼盒中代替铝合金最终在襟翼的中外翼部分、襟翼的整流罩以及扰流板和副翼上也采用了CFRP材料在夹层结构方面，主要的创新是采用轻型蜂窝代替了原来使用的芳纶纸蜂窝在A380上的典型应用包括腹部整流罩（超过300平方米）及地面这类大尺寸结构件用整体设计概念代替夹层结构的发展趋势，有可能在A380的机身和机翼起落架舱门上得到应用但是复合材料技术的应用必须在合理的成本下提供高的性能因此，在A380飞机上采用了自动丝束铺放、自动铺带、树脂膜浸渍以及树脂转移成型这些低成本生产技术，不仅能够生产大型复合材料零件，而且降低了装配成本。

3.GLARE技术（见图4）铝来层图4胶粘剂玻璃纤维层机身外表面铝合金层GLARE蒙皮用于A380飞机的上机身蒙皮采用GLARE工艺技术可以实现局部增强，并且厚度变化可以通过一次固化实现这种制造方法相对于铝合金壁板来说可以增加机身宽度，从而减少了纵向壁板连接点在机身上应用GLARE材料主要是由于其断裂机械性能好，能够显著提高抗裂纹增长能力另一方面，玻璃纤维与铝合金相比弹性模量低，同样厚度下与普通铝合金AI2024相比刚性小15%这是为什么在稳定性和抗弯能力要求高的结构零件中不选用GLARE材料的原因GLARE材料相比铝合金的另一个优点是抗腐蚀及防火能力强，为此空中客车公司开展了许多局部及全尺寸样件的试验，以验证这种新材料的性能自从1999年10月以为，德国空军就在A310多用途飞机的机身上采用了GLARE材料，该设计通过了验证并且发布了相关的结构修理手册在A380-800飞机蒙皮上应用了大约500平米的GLARE材料GLARE材料的进一步应用还在研究中，有望替代尾翼前缘，从而改善鸟撞性能4.激光焊（见图5）图5激光焊是空中客车公司在A318飞机上开发的用于机身下壁板制造工艺该工艺在A380飞机上代替铆接首先应用于下机身壁板的桁条，从而使结构概念从组装结构过渡到整体结构，减少了裂纹增长。

激光焊技术的发展还促进了可焊合金AI6056和A16013的发展用激光焊接的壁板已经过了压力试验并进行了单双曲度壁板的验证结果证明该工艺不仅节约成本，而且提高抗腐蚀能力并可减重激光焊在A380上的进一步应用可能是蒙皮与卡箍的连接部位以及起落架舱处的压力隔框5.结论A380飞机的大部件结构零件采用了新一代CFRP复合材料和先进的金属材料，除了减重效果外，还能提供更具优势的使用可靠性，且维护和维修更简便主要创新包括：•上机翼蒙皮采用了GLARE材料；•在下机身蒙皮应用了6000系列铝合金和激光焊接技术；•中央翼盒为碳纤维增强塑料；•开发了一种先进的铝合金用于翼盒；•采用了铝锂合金；•采用了一种新型钛合金并且提高了钛相当于钢的比例end）航空钛合金结构的几种典型损伤形式及控制刘道新刘元镛刘双梅樊国福何家文讨论了钛合金在航空工程应用中可能发生的几种典型破坏形式，其中包括：微动磨损、微动疲劳、热盐应力腐蚀、氢脆、低熔点金属致脆及接触腐蚀等，分析这些破坏类型产生的基本条件、特征，简要介绍每种损伤的防护和控制技术措施以及在维修中应注意的问题钛合金因其比强度高、热稳定性好、耐腐蚀性能优异等特点，而成为制造高性能航空发动机风扇、压气机盘、叶片等重要结构的主选材料。

然而，钛合金和其他材料相比，对下述几种失效形式较为敏感：钛合金耐磨性能低于钢和镍基合金等，对微动疲劳和微动磨损损伤十分敏感；在一定的温度和应力条件下钛合金构件易产生热盐应力腐蚀和低熔点金属致脆破坏；同时，钛合金对氢脆损伤也十分敏感；另外，钛合金是钝化能力很强的金属材料，因此在一般大气环境和海洋气候环境下具有优异的抗腐蚀性能，但因其自由腐蚀电位很高，易导致与其他金属构件的严重接触腐蚀上述几种破坏形式是航空钛合金结构易于发生或相关的典型损伤，是影响钛合金在航空结构中安全应用的主要障碍，因此，深入认识这些破坏形式产生的条件和基本特征，并了解其防护和控制措施，对保障飞机安全运行十分重要钛合金航空结构件常见的损伤形式及防护1．氢脆与热盐应力腐蚀钛合金与高强度钢类似，对氢脆损伤十分敏感，造成钛合金结构氢脆隐患的表面工艺技术主要是湿法镀（电镀、化学镀等）对于湿法镀引起的钛合金氢脆行为已进行了较多的研究，一般认为，钛合金中氢含量超过，便会产生氢脆，而电镀或化学镀p厚的镍层，钛合金中可吸入40氢；电镀Op铬，钛合金基体内可吸入30的氢，即使300°C除氢小时，仍有0的氢残留，并且用加热法难以把氢彻底除尽。

由于钛合金在高温环境下吸氢能力强，因此热处理工艺不当也会导致钛合金氢脆损伤另外，由研究结果表明，利用氨气或氢气为工作介质进行钛合金表面氮化处理，也存在氢脆隐患除纯钛外，几乎所有钛合金都对热盐应力腐蚀口敏感，其最敏感的€1温度范围是弋430C，该温度范围正是航空发动机压气机的工作温度，故热盐应力腐蚀破坏是影响钛合金在发动机中安全应用的重要损伤形式扫描电镜（）分析也表明，热盐应力腐蚀断口微观特征与氢脆相似，图为.5..5.05钛合金在500°C时与固态接触，利用慢应变速率拉伸加载实验（）所得断口形貌，其特征为解理与沿晶混合型，类似氢脆损伤，而试样断裂应变只有不接触试样的％在沿海服役的飞机其发动机钛合金构件表面由于沉积盐分而构成破坏隐患；另外，在飞机日常维护或定期检修中，发动机钛合金构件表面上维修人员的汗水清理不彻底，也可能带来损伤隐患影响钛合金氢脆和损伤的因数包括力学、冶金和环境个方面，防止其损伤的技术措施应从这3个方面入手如在可能的情况下，尽量使用对氢脆和破坏敏感性低的材料，避免局部应力集中，采用低氢脆或无氢脆隐患的热表工艺，定期严格彻底地清理钛合金构件表面的沉积盐份，维修中避免汗水留在钛合金构件表面，在钛合金构件表面沉积氢扩散阻挡层等。

2.微动疲劳和微动磨损损伤构件在循环载荷作用下，由于表面某一部位与其他接触表面间产生小振幅相对滑动（即微动）而导致构件微动疲劳口，损伤；当无外加循环载荷作用时，微动作用可导致构件表面磨损破坏，即微动磨损（wea€.F）W微动疲劳和微动磨损损伤是各种压配合或收缩配合构件（如铆接件，螺栓、榫槽、锥套、法兰联结件，键或销固定件，弹簧密封或支承面，电插接件等）在交变应力或环境振动作用下的主要破坏形式，据估计在航空结构破坏中涉及微动损伤的比例高达90％而钛合金耐磨性能差，因而对微动损伤十分敏感，研究表明微动作用通常使钛合金疲劳极限降低％〜50%因此提高钛合金微动损伤抗力已成为发展高可靠性航空发动机的重要研究课题钛合金的微动损伤抗力与钛合金的化学成分、显微组织结构、机械性能密切相关如在相同的实验条件下，微动使纯钛疲劳极限降低％，而使合。