国之大器C919装备了哪些先进高端材料?

2019-10-29 16:06:11 中国腐蚀与防护网         人气: 2519

北京时间10月24日,C919大型客机第五架原型机105号于上午10时从上海浦东国际机场起飞,经过1小时37分钟的飞行,在完成了多个试验点、对飞机各系统进行了初始操纵检查后,于11时37分返航并平稳降落,顺利完成其首次试验飞行任务。

 

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在此之前,C919已经制造了4架原型机,分别是101、102、103、104架机,先后在西安阎良、山东东营、江西南昌等地开展试飞工作,按照中国商飞的规划,C919首架客机将会在2021年交付,第五架原型机的首飞成功,意味着C919的研发工作正在顺利推进。

在航空业百年的发展进程中,材料与飞机相互依存,相互进步,关系十分密切。从木制飞机到金属飞机,再到如今复合材料民用飞机,每一次航空材料的变革都会推动飞机制造业技术水平的显著提升。“一代材料,一代飞机”这句话可以说是世界航空发展史的一个真实写照。

近年来,“材料研究”在航天航空领域的重要性被逐渐认可。然而新材料应用在飞机上却并不容易。材料的静力性能、各向异性、疲劳性能、断裂韧性、疲劳裂纹扩展性能等一系列性能指标都要通过试验后经统计分析产生,生产条件下零件制造的工艺参数也要通过工艺验证试验获得。

“要把材料各方面的性能研究得透透的,为结构设计、强度验证等提供设计输入,同时要形成配套的工艺规范,支撑零件稳定高效生产,而这所有的工作还得在局方的认可下进行。”上飞院标材部副部长袁宇慧说。

 

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而C919第五架原型机试飞成功不仅意味着我国航空航天领域有了进一步发展,同时也意味着我国新材料领域有了长足的发展。据C919大型客机总设计师吴光辉介绍,新材料的应用是C919的一大技术亮点。在C919飞机上,我国史无前例的大规模使用了第三代铝锂合金,复合材料的应用范围涵盖了方向舵等次承力结构和飞机平尾等主承力结构。新材料一直以来就是航空航天的重要基础,而铝锂合金是近十几年来航空金属材料中发展最为迅速的一个领域。

 

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铝锂合金有众多优点。首先锂是世界上最轻的金属元素,把锂作为合金元素加到金属铝中,就形成了铝锂合金。加入锂之后,可以大幅度降低合金的比重,增加材料刚度的同时仍然可以保持较高的强度、较好的抗腐蚀性和抗疲劳性以及适宜的延展性。正因为铝锂合金的这些特性,这种新型合金才受到了航空、航天以及航海业的青睐。由于这种合金的诸多优点,吸引着世界各国科学家的深入研究。

事实上,铝锂合金作为铝合金的一种,其在航空材料大家族中并不算新成员。1958年,美铝公司开发出第一代铝锂合金——2020铝锂合金,并使用在RA-5C预警机上。但是2020铝锂合金表现出的脆性和生产问题阻碍了其进一步应用。

 

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国内在批产型号上正式使用铝锂合金材料,可以追溯到本世纪初。随着苏27原型机上1420铝锂合金的国产化,国内材料和航空界开始对铝锂合金有了了解。以1420铝锂合金为代表的第二代铝锂合金含锂量一般在2%-3%,密度比普通铝合金降低约10%。

C919大型客机采用的是第三代铝锂合金,该材料解决了第一代和第二代铝锂合金存在显著各向异性的问题,屈服强度也提高了近40%。其机体结构重量占比达到7.4%,获得综合减重7%的收益,在国际上目前属于领先水平。

 

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除铝锂合金外,目前,民用飞机上使用的复合材料主要是碳纤维增强树脂基复合材料,它具有比强度高、比模量高、抗疲劳性优良、耐腐蚀等主要优点。这种材料比铝更轻,比钢更硬,其密度是铁的1/4,强度却是铁的10倍,其化学组成非常稳定,不仅有助于减轻飞机重量,还能提高飞机的总体性能。因此,在波音和空客近年来推出的一些新机型中,复合材料的用量占比逐渐增大。

 

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近年来,金属基复合材料又逐渐代替碳纤维增强树脂基复合材料走向了航空航天新材料研制的前沿。国际上金属基复合材料主要以铝基为主。具有高比强度、高比模量导电、导热性能、热膨胀系数小、尺寸稳定好、良好地高温性能、耐磨性好、疲劳性能和断裂韧度好、性能再现性及可加工性好不吸潮、不老化、气密性好等一系列优点。制备铝基复合材料的一般方法是将碳化硅颗粒或陶瓷颗粒等混入铝合金,为了提高材料的刚度和硬度,用搅拌铸造或粉末冶金的方法混合也可获得铝基复合材料。

但是由于我国在航空航天领域上的自主设计起步较晚,与国际先进水平还有着不小的差距,差距不仅体现在材料基础研究、工程化应用研究上,同时也体现在工业化批生产能力方面。但是随着C919客机项目的不断完善,这种差距正在快速缩小。

 

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除此之外,北京航空航天大学王华明教授带领的团队,在C919项目的推动下,成功的研发具有世界领先水平的“飞机钛合金大型复杂整体构件激光成形技术”,使我国成为目前世界上唯一突破飞机钛合金大型主承力结构件激光增材制造技术并实现装机工程应用的国家。该团队不仅打印出飞机钛合金起落架、主承力框等大型关键部件,还为C919样机制造出钛合金主风挡整体窗框,零件成本大幅度下降,甚至不足20万美元。真正实现了用科研带动技术,又用技术回馈科研的良性循环。