復(fù)合材料的應(yīng)用

1、A380飛機(jī)結(jié)構(gòu)的先進(jìn)材料和工藝中國航空工業(yè)開展研究中心航空技術(shù)所 任曉華A380的壽命要到達(dá)40-50年，因此必須選用先進(jìn)且新型材料和工藝技術(shù)，為未來飛機(jī)搭建技術(shù)平臺。這些技術(shù)不僅經(jīng)過了大量全尺寸試驗(yàn)驗(yàn)證而且經(jīng)過了航空公司維修專家的評審符合檢查和維修標(biāo)準(zhǔn)。A380結(jié)構(gòu)設(shè)計準(zhǔn)那么見圖1。重復(fù)的拉伸載荷加上載荷的變化將會在金屬結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生微小的疲勞裂紋。裂紋增長速度以及剩余強(qiáng)度當(dāng)裂紋產(chǎn)生時將指導(dǎo)選擇何種材料。為了防止結(jié)構(gòu)由外物損傷，需要考慮材料的損傷容限性能。 壓力載荷需要考慮采用屈服強(qiáng)度和剛度好的材料，以增加穩(wěn)定性。抗腐蝕能力是選擇材料和工藝的另一個重要準(zhǔn)那么，尤其是在機(jī)身下部。選擇材料和工藝目

2、標(biāo)的一局部是使結(jié)構(gòu)輕量化。因此，復(fù)合材料是很好的選擇，但必須了解設(shè)計準(zhǔn)那么和維修需要。材料的選擇不僅僅是考慮設(shè)計準(zhǔn)那么，同時還要考慮生產(chǎn)本錢和采購問題。 1新型且先進(jìn)的金屬材料從A380選材的分布來看見圖2，鋁合金占的比重最大，達(dá)機(jī)體結(jié)構(gòu)重量的61%，因此要實(shí)現(xiàn)性能改進(jìn)，必須開發(fā)創(chuàng)新的鋁合金材料和工藝技術(shù)，具體是提高強(qiáng)度和損傷容限，加強(qiáng)穩(wěn)定性并提高抗腐蝕能力。尤其是在A380機(jī)翼部位機(jī)翼的80%以上是鋁合金材料要提高性能。 A380-800飛機(jī)在鋁合金結(jié)構(gòu)上取得的主要成就包括：·在機(jī)身壁板上引用了很寬的鈑金材料，減少了連接件從而減輕了重量；·在主地板橫梁上采用了先進(jìn)的鋁鋰合

3、金擠壓件，在這一部位的應(yīng)用可與碳纖維增強(qiáng)塑料相媲美；·在機(jī)翼大梁和翼肋上選擇了新型7085合金，這種合金在很薄的板材和很大鍛件上性能優(yōu)于通常的高強(qiáng)度合金；鈦合金由于具有高強(qiáng)度、低密度，高損傷容限和抗腐蝕能力使其代替鋼而廣泛應(yīng)用，但是它的高價格使其應(yīng)用受到限制。在A380的結(jié)構(gòu)中，鈦合金用量較空中客車其它機(jī)型有所增加，到達(dá)10%。僅僅掛架和起落架的鈦合金用量就增加了2%。·A380掛架的主要結(jié)構(gòu)是空中客車公司第一次采用全鈦設(shè)計。在A380飛機(jī)上采用最廣泛的鈦合金是Ti-6Al-4V，在B退火狀態(tài)下最大的斷裂韌性和最小的裂紋增長速度。·在A380上第一次采用了新型鈦合

4、金VST55531，這種新的鈦合金是空中客車公司與俄羅斯制造商共同開發(fā)的，能夠?yàn)樵O(shè)計者提供良好的斷裂韌性和高強(qiáng)度綜合性能。這種合金目前用于A380飛機(jī)的機(jī)翼和掛架之間的連接件，進(jìn)一步的應(yīng)用還在研究當(dāng)中。 2 .A380復(fù)合材料的應(yīng)用A380復(fù)合材料的主要應(yīng)用見以下圖3。 A380是空中客車第一次大范圍在大型民用運(yùn)輸機(jī)上應(yīng)用復(fù)合材料的飛機(jī)。在空中客車公司，A310是第一次在襟翼盒上應(yīng)用復(fù)合材料的飛機(jī)；A320是投產(chǎn)的第一架全復(fù)合材料尾翼飛機(jī)；A340飛機(jī)的機(jī)翼的13%重量是復(fù)合材料；而A340/500-600那么采用了碳纖維增強(qiáng)塑料龍骨梁。而A380飛機(jī)是空中客車第一次將碳纖維增強(qiáng)塑料CFRP應(yīng)

5、用于中央翼盒的飛機(jī)，這種結(jié)構(gòu)與鋁合金相比減重1.5噸。A380上的中央翼盒重8.8噸，其中5.3噸是復(fù)合材料。面臨的主要問題是翼根的連接和零件的厚度，復(fù)合材料零件的厚度能夠到達(dá)45mm。但是有生產(chǎn)A340/500-600那么采用了碳纖維增強(qiáng)塑料龍骨梁16m長，23mm厚，每根梁承載450噸的經(jīng)驗(yàn)。另外在A340-600飛機(jī)上還有襟翼翼盒、方向舵以及水平安定面和升降舵的整體復(fù)合材料設(shè)計經(jīng)驗(yàn)。A380飛機(jī)的CFRP水平尾翼與A310飛機(jī)的懸壁式機(jī)翼相近，而在中央翼盒上采用了合理的自動鋪帶技術(shù)。此外，上地板梁和后壓力隔框也采用了CFRP材料。這些零件的第一個采用了擠壓成形工藝，第二個試用了樹脂模浸漬

6、工藝和自動纖維鋪放技術(shù)，最后由于形狀的原因，最后選擇了樹脂模浸漬工藝。在后機(jī)身非承壓部位由于是雙曲度壁板，所以采用了自動化纖維鋪放技術(shù)生產(chǎn)蒙皮壁板，高載荷承力框那么采用高強(qiáng)鋁合金加工，而承載較小的框那么采用RTM制造工藝。A380機(jī)翼固定前緣為熱塑性復(fù)合材料，能夠減重并節(jié)約本錢。這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在A340-600飛機(jī)上驗(yàn)證，改善了損傷容限和可檢測性，進(jìn)一步的應(yīng)用還在研究中，例如應(yīng)用于機(jī)身的次承力支架系統(tǒng)。機(jī)翼后緣移動面采用了CFRP，并在難以用一般技術(shù)獲得的成形零件上采用了RTM技術(shù)，如移動面的鉸鏈和翼肋零件。內(nèi)側(cè)襟翼與增升裝置容易受到外來物的損傷，但考慮到減重問題，金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計在這方面并不優(yōu)于復(fù)

7、合材料設(shè)計。因此，在A380飛機(jī)的襟翼跟蹤梁的設(shè)計中采用了金屬與復(fù)合材料的混合結(jié)構(gòu)，在橫向壁板和次承力翼肋處用CFRP代替了鋁合金。另外，空中客車公司還首次將CFRP翼肋用于翼盒中代替鋁合金。最終在襟翼的中外翼局部、襟翼的整流罩以及擾流板和副翼上也采用了CFRP材料。在夾層結(jié)構(gòu)方面，主要的創(chuàng)新是采用輕型蜂窩代替了原來使用的芳綸紙蜂窩。在A380上的典型應(yīng)用包括腹部整流罩超過300平方米及地面這類大尺寸結(jié)構(gòu)件。用整體設(shè)計概念代替夾層結(jié)構(gòu)的開展趨勢，有可能在A380的機(jī)身和機(jī)翼起落架艙門上得到應(yīng)用。但是復(fù)合材料技術(shù)的應(yīng)用必須在合理的本錢下提供高的性能。因此，在A380飛機(jī)上采用了自動絲束鋪放、自動

8、鋪帶、樹脂膜浸漬以及樹脂轉(zhuǎn)移成型這些低本錢生產(chǎn)技術(shù)，不僅能夠生產(chǎn)大型復(fù)合材料零件，而且降低了裝配本錢。 3 .GLARE 技術(shù)見圖4 GLARE蒙皮用于A380飛機(jī)的上機(jī)身蒙皮。采用GLARE工藝技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)局部增強(qiáng)，并且厚度變化可以通過一次固化實(shí)現(xiàn)。這種制造方法相對于鋁合金壁板來說可以增加機(jī)身寬度，從而減少了縱向壁板連接點(diǎn)。在機(jī)身上應(yīng)用GLARE材料主要是由于其斷裂機(jī)械性能好，能夠顯著提高抗裂紋增長能力。另一方面，玻璃纖維與鋁合金相比彈性模量低，同樣厚度下與普通鋁合金Al2024相比剛性小15%。這是為什么在穩(wěn)定性和抗彎能力要求高的結(jié)構(gòu)零件中不選用GLARE材料的原因。GLARE材料相比鋁合

9、金的另一個優(yōu)點(diǎn)是抗腐蝕及防火能力強(qiáng)，為此空中客車公司開展了許多局部及全尺寸樣件的試驗(yàn)，以驗(yàn)證這種新材料的性能。自從1999年10月以為，德國空軍就在A310多用途飛機(jī)的機(jī)身上采用了GLARE材料，該設(shè)計通過了驗(yàn)證并且發(fā)布了相關(guān)的結(jié)構(gòu)修理手冊。在A380-800飛機(jī)蒙皮上應(yīng)用了大約500平米的GLARE材料。GLARE材料的進(jìn)一步應(yīng)用還在研究中，有望替代尾翼前緣，從而改善鳥撞性能。 4 .激光焊見圖5 激光焊是空中客車公司在A318飛機(jī)上開發(fā)的用于機(jī)身下壁板制造工藝。該工藝在A380飛機(jī)上代替鉚接首先應(yīng)用于下機(jī)身壁板的桁條，從而使結(jié)構(gòu)概念從組裝結(jié)構(gòu)過渡到整體結(jié)構(gòu)，減少了裂紋增長。激光焊技術(shù)的開展

10、還促進(jìn)了可焊合金Al6056和Al6013的開展。用激光焊接的壁板已經(jīng)過了壓力試驗(yàn)并進(jìn)行了單雙曲度壁板的驗(yàn)證。結(jié)果證明該工藝不僅節(jié)約本錢，而且提高抗腐蝕能力并可減重。激光焊在A380上的進(jìn)一步應(yīng)用可能是蒙皮與卡箍的連接部位以及起落架艙處的壓力隔框。5 .結(jié)論A380飛機(jī)的大部件結(jié)構(gòu)零件采用了新一代CFRP復(fù)合材料和先進(jìn)的金屬材料，除了減重效果外，還能提供更具優(yōu)勢的使用可靠性，且維護(hù)和維修更簡便。主要創(chuàng)新包括：·上機(jī)翼蒙皮采用了GLARE材料；·在下機(jī)身蒙皮應(yīng)用了6000系列鋁合金和激光焊接技術(shù)；·中央翼盒為碳纖維增強(qiáng)塑料；·開發(fā)了一種先進(jìn)的鋁合金用于翼盒

11、；·采用了鋁鋰合金；·采用了一種新型鈦合金并且提高了鈦相當(dāng)于鋼的比例。(end)航空鈦合金結(jié)構(gòu)的幾種典型損傷形式及控制劉道新劉元鏞劉雙梅樊國福何家文Several Typical Damages of Ti-alloy in Aero-Components and Its Control討論了鈦合金在航空工程應(yīng)用中可能發(fā)生的幾種典型破壞形式，其中包括：微動磨損、微動疲勞、熱鹽應(yīng)力腐蝕、氫脆、低熔點(diǎn)金屬致脆及接觸腐蝕等，分析這些破壞類型產(chǎn)生的根本條件、特征，簡要介紹每種損傷的防護(hù)和控制技術(shù)措施以及在維修中應(yīng)注意的問題。鈦合金因其比強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性好、耐腐蝕性能優(yōu)異等特點(diǎn)，而成

12、為制造高性能航空發(fā)動機(jī)風(fēng)扇、壓氣機(jī)盤、葉片等重要結(jié)構(gòu)的主選材料。然而，鈦合金和其他材料相比，對下述幾種失效形式較為敏感：鈦合金耐磨性能低于鋼和鎳基合金等，對微動疲勞和微動磨損損傷十分敏感；在一定的溫度和應(yīng)力條件下鈦合金構(gòu)件易產(chǎn)生熱鹽應(yīng)力腐蝕和低熔點(diǎn)金屬致脆破壞；同時，鈦合金對氫脆損傷也十分敏感；另外，鈦合金是鈍化能力很強(qiáng)的金屬材料，因此在一般大氣環(huán)境和海洋氣候環(huán)境下具有優(yōu)異的抗腐蝕性能，但因其自由腐蝕電位很高，易導(dǎo)致與其他金屬構(gòu)件的嚴(yán)重接觸腐蝕。上述幾種破壞形式是航空鈦合金結(jié)構(gòu)易于發(fā)生或相關(guān)的典型損傷，是影響鈦合金在航空結(jié)構(gòu)中平安應(yīng)用的主要障礙，因此，深入認(rèn)識這些破壞形式產(chǎn)生的條件和根本特征，

13、并了解其防護(hù)和控制措施，對保障飛機(jī)平安運(yùn)行十分重要。鈦合金航空結(jié)構(gòu)件常見的損傷形式及防護(hù)1 氫脆與熱鹽應(yīng)力腐蝕鈦合金與高強(qiáng)度鋼類似，對氫脆損傷十分敏感，造成鈦合金結(jié)構(gòu)氫脆隱患的外表工藝技術(shù)主要是濕法鍍電鍍、化學(xué)鍍等。對于濕法鍍引起的鈦合金氫脆行為已進(jìn)行了較多的研究，一般認(rèn)為，鈦合金中氫含量超過125ppm，便會產(chǎn)生氫脆，而電鍍或化學(xué)鍍50m厚的鎳層，鈦合金中可吸入240ppm氫；電鍍100m鉻，鈦合金基體內(nèi)可吸入360ppm的氫，即使300除氫12小時，仍有180ppm的氫殘留，并且用加熱法難以把氫徹底除盡。由于鈦合金在高溫環(huán)境下吸氫能力強(qiáng)，因此熱處理工藝不當(dāng)也會導(dǎo)致鈦合金氫脆損傷。另外，由研

14、究結(jié)果說明，利用氨氣或氫氣為工作介質(zhì)進(jìn)行鈦合金外表氮化處理，也存在氫脆隱患。除純鈦外，幾乎所有鈦合金都對熱鹽應(yīng)力腐蝕HSSCC敏感，其最敏感的溫度范圍是280430，該溫度范圍正是航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)的工作溫度，故熱鹽應(yīng)力腐蝕破壞是影響鈦合金在發(fā)動機(jī)中平安應(yīng)用的重要損傷形式。掃描電鏡SEM分析也說明，熱鹽應(yīng)力腐蝕斷口微觀特征與氫脆相似，圖1為TC11 Ti65Al33Mo15Zr025Si鈦合金在500時與固態(tài)NaCl接觸，利用慢應(yīng)變速率拉伸加載實(shí)驗(yàn)SSRT所得斷口SEM形貌，其特征為解理與沿晶混合型，類似氫脆損傷，而試樣斷裂應(yīng)變只有不接觸NaCl試樣的37。在沿海服役的飛機(jī)其發(fā)動機(jī)鈦合金構(gòu)件外表

15、由于沉積鹽分而構(gòu)成HSSCC破壞隱患；另外，在飛機(jī)日常維護(hù)或定期檢修中，發(fā)動機(jī)鈦合金構(gòu)件外表上維修人員的汗水清理不徹底，也可能帶來HSSCC損傷隱患。影響鈦合金氫脆和HSSCC損傷的因數(shù)包括力學(xué)、冶金和環(huán)境3個方面，防止其損傷的技術(shù)措施應(yīng)從這3個方面入手。如在可能的情況下，盡量使用對氫脆和HSSCC破壞敏感性低的材料，防止局部應(yīng)力集中，采用低氫脆或無氫脆隱患的熱表工藝，定期嚴(yán)格徹底地清理鈦合金構(gòu)件外表的沉積鹽份，維修中防止汗水留在鈦合金構(gòu)件外表，在鈦合金構(gòu)件外表沉積氫擴(kuò)散阻擋層等。2微動疲勞和微動磨損損傷構(gòu)件在循環(huán)載荷作用下，由于外表某一部位與其他接觸外表間產(chǎn)生小振幅相對滑動即微動而導(dǎo)致構(gòu)件微

16、動疲勞fretting fatigue，F(xiàn)F損傷；當(dāng)無外加循環(huán)載荷作用時，微動作用可導(dǎo)致構(gòu)件外表磨損破壞，即微動磨損fretting wearFW。微動疲勞和微動磨損損傷是各種壓配合或收縮配合構(gòu)件如鉚接件，螺栓、榫槽、錐套、法蘭聯(lián)結(jié)件，鍵或銷固定件，彈簧密封或支承面，電插接件等在交變應(yīng)力或環(huán)境振動作用下的主要破壞形式，據(jù)估計在航空結(jié)構(gòu)破壞中涉及微動損傷的比例高達(dá)90。而鈦合金耐磨性能差，因而對微動損傷十分敏感，研究說明微動作用通常使鈦合金疲勞極限降低2050。因此提高鈦合金微動損傷抗力已成為開展高可靠性航空發(fā)動機(jī)的重要研究課題 。鈦合金的微動損傷抗力與鈦合金的化學(xué)成分、顯微組織結(jié)構(gòu)、機(jī)械性能密

17、切相關(guān)。如在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，微動使純鈦疲勞極限降低38，而使Ti6Al4V合金微動疲勞極限下降62。鈦合金優(yōu)異的耐蝕性能是依靠其外表形成致密的鈍化膜，然而，微動作用使鈦合金外表保護(hù)膜連續(xù)不斷地去除，同時造成缺口效應(yīng)，使鈦合金疲勞強(qiáng)度顯著降低。鈦合金微動損傷外表通常以疲勞脫層為特征，只有在接觸壓力較高或溫度較高，或在無氧存在的環(huán)境下，粘著磨損才較為顯著。同時微動作用也可造成構(gòu)件疲勞抗力的大幅度下降，其微動疲勞強(qiáng)度僅為常規(guī)疲勞強(qiáng)度的50。微動損傷過程涉及疲勞、磨損和腐蝕失效形式，因此是一個十分復(fù)雜的過程，與材料、結(jié)構(gòu)、環(huán)境、力學(xué)等多門學(xué)科相關(guān)，影響因素多達(dá)50余個。近年來研究結(jié)果說明，接觸壓力、

18、位移幅、接觸幾何和摩擦系數(shù)是最為重要的影響因素。利用外表涂層和改性技術(shù)是提高鈦合金微動損傷抗力的重要措施，目前提高鈦合金微動損傷抗力的外表處理技術(shù)不下數(shù)10種，如：噴丸強(qiáng)化、化學(xué)轉(zhuǎn)化層陽極氧化、激光氮化、電鍍層、干膜潤滑層、等離子噴涂或爆炸噴涂涂層、物理氣相沉積膜層、有機(jī)涂層、離子注入等，其中噴丸SP強(qiáng)化是公認(rèn)的最有效的方法，它可使Ti6Al4V合金常規(guī)疲勞PF極限提高15，而使微動疲勞極限提高50，即SP改善鈦合金FF抗力的作用較對PF顯著。另外，不恰當(dāng)?shù)膹?fù)合處理未必取得理想的結(jié)果，如鈦合金外表SP處理后，再進(jìn)行離子注入氮、碳或等離子噴涂CuNiIn合金層，其FF抗力尚不及單獨(dú)SP處理好。3

19、低熔點(diǎn)金屬致脆或接觸污染某些低熔點(diǎn)金屬材料在一定的溫度和應(yīng)力條件下，會造成鈦合金脆性開裂，即低熔點(diǎn)金屬致脆MIE現(xiàn)象，生產(chǎn)中通常稱為接觸污染。當(dāng)致脆金屬為液相時，稱之液態(tài)金屬致脆LMIE，當(dāng)致脆金屬處于固相時，那么稱為固態(tài)金屬致脆SMIE。對鈦合金與銀、銅、鎘、鋁等接觸時的高溫力學(xué)性能的研究說明，在一定的溫度和應(yīng)力條件下，鈦合金不僅有鎘脆、銀脆隱患，而且還存在銅脆和鋁脆問題。力學(xué)因數(shù)應(yīng)力、應(yīng)變速率、加載方式、冶金因數(shù)熱處理制度、組織結(jié)構(gòu)和織構(gòu)、接觸方式和環(huán)境溫度等對鈦合金MIE敏感性有重要影響，圖2示出附真空沉積銀層TC11鈦合金與裸件的斷裂應(yīng)變比值bbf及試樣斷裂形態(tài)。從圖中可看到，隨著溫度

20、升高，銀脆敏感性增大，400可近似看作TC11合金銀脆的下限溫度，這一下限溫度與高壓壓氣機(jī)工作溫度接近。圖1 TC11鈦合金熱鹽應(yīng)力腐蝕斷口SEM形貌圖2 溫度對TC11合金銀脆敏感性的影響(MS Ag)MIE的機(jī)理是低熔點(diǎn)金屬原子與鈦合金基體作用，使鈦原子鍵合強(qiáng)度降低，或形成脆性金屬間化合物相，使其塑性指標(biāo)降低，產(chǎn)生脆性開裂。MIE斷裂微觀特征與氫脆或HSSCC相似，為沿晶和解理混合型，如圖3所示。防止鈦合金MIE失效的技術(shù)途徑也應(yīng)從其影響因數(shù)入手，如盡量防止鈦合金構(gòu)件與有脆化隱患的金屬接觸，或在鈦合金構(gòu)件外表鍍阻擋層，對發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)構(gòu)件盡可能選擇MIE敏感性低的鈦合金材料。研究說明，鎳鍍層可較有效地控制鈦合金的銀脆開裂，抗蠕變能力好的TC11鈦合金較Ti6Al4V或Ti8Al1Mo1V鈦合金有更高的MIE抗力。4接觸腐蝕或電偶腐蝕鈦合金活性高，極易與氧結(jié)合而在其外表形成一層結(jié)合牢固、致密、自愈合能力強(qiáng)的氧化膜。因此，鈦合金在淡水、海水、硝酸、鉻酸、次氯酸、多種有機(jī)物、低于3的HCl、低于4的H2SO4等介質(zhì)中有良好的耐蝕性，其化學(xué)穩(wěn)定性顯著優(yōu)于不銹鋼。如在以硫酸為主的溶液中，鈦的鈍化電位