鋁鋰合金新材料應(yīng)用研究淺析

王勇

摘 要：大型民用飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計中，鋁鋰合金結(jié)構(gòu)設(shè)計既要重量輕，又要滿足靜強度和耐久性/疲勞損傷容限要求；既要滿足適航條例25部及相關(guān)咨詢通告的要求，又要考慮結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性、高出勤率和低維護成本的要求。本論文在參與C項目工作的基礎(chǔ)上，對鋁鋰合金材料機身工程結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)用中所開展的一些材料性能工藝試驗、組部件典型結(jié)構(gòu)試驗方法等進行了分析和總結(jié)，對國內(nèi)探索大型民用飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計新材料的應(yīng)用做有益的嘗試。

關(guān)鍵詞：鋁鋰合金 工藝試驗 疲勞損傷容限試驗

中圖分類號：V25 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）06（b）-0002-02

現(xiàn)代民用飛機設(shè)計面臨的主要任務(wù)是以最小結(jié)構(gòu)重量保證飛機的完整性、經(jīng)濟性、安全性與可靠性。對飛機性能、安全性和經(jīng)濟性等日益增長的要求，促進了很多新型材料的研究發(fā)展及應(yīng)用。航空工業(yè)對產(chǎn)品性能和重量指標(biāo)的要求，使得材料的發(fā)展也異常迅猛，確保與航空產(chǎn)品研制相互促進，相互依賴。飛機在運營中暴露在各種不同環(huán)境。為確保飛機在運行過程中不遭受破壞，設(shè)計出滿足性能要求的高效結(jié)構(gòu)，必須深入了解所用材料在不同載荷及環(huán)境下的行為，在材料選取和結(jié)構(gòu)設(shè)計、強度驗證中使用具有統(tǒng)計有效的材料性能數(shù)據(jù)。

在競爭日益激烈的民用飛機市場里，客戶要求飛機具有較高的出勤率和較低的維護成本，同時又要保證飛機的經(jīng)濟性，降低燃油消耗。隨著人們對出行安全的越來越高的要求，適航部門要求飛機在整個服役期內(nèi)能有應(yīng)對各種可能發(fā)生的情況，保證乘客及飛機安全。

1 新型鋁鋰合金技術(shù)優(yōu)勢

鋁鋰合金是近十年來航空金屬材料中發(fā)展最為迅速的一個領(lǐng)域，90年代后，進入了三代鋁鋰合金的研究時代。在合金設(shè)計成分上，第三代鋁鋰合金降低了Li含量，而增加了Cu含量，并且添加一些新的合金元素Ag、Mn、Zn等；在性能水平上較以往鋁鋰合金有了較大幅度提高。新型鋁鋰合金主要產(chǎn)品形式為中厚板、薄板、擠壓型材等，規(guī)格種類相對較為單一，已經(jīng)獲得適航認(rèn)證在飛機上使用的牌號主要有美鋁2099、2199、2397和加鋁的2196、2198等，新型鋁鋰合金在機身的主要的應(yīng)用部位為機身蒙皮、長桁、框、地板梁、座椅滑軌、梁、腹板等。

根據(jù)資料顯示，美國、俄羅斯、法國和日本在航空航天領(lǐng)域均有使用鋁鋰合金的實例。法國Rafele軍用戰(zhàn)斗機，以及空客公司的A330、340和380等機型的機翼前后緣、座椅滑軌、地板梁、機身與機身蒙皮等結(jié)構(gòu)部件均使用了鋁鋰合金材料。A380-800飛機座艙橫梁采用了2196鋁合金鍛壓件。第三代鋁鋰合金相對于傳統(tǒng)鋁合金有著顯著的優(yōu)越性能，具體表現(xiàn)如下。

（1）鋁鋰合金在比剛度及比強度方面優(yōu)于傳統(tǒng)常規(guī)鋁合金結(jié)構(gòu)。

（2）鋁鋰合金的疲勞性優(yōu)越傳統(tǒng)鋁合金，提高疲勞許用應(yīng)力超過40%，可大面積減重。

（3）裂紋擴展速率與傳統(tǒng)鋁合金相比降低25%以上，低的裂紋擴展速率能有效降低重復(fù)檢查周期，降低維護成本。

（4）鋁鋰合金對疲勞裂紋的不敏感性能極大改善了結(jié)構(gòu)的廣布疲勞損傷能力，增強了設(shè)計的使用安全性，并能夠滿足適航規(guī)章中近乎苛刻的關(guān)于廣布疲勞損傷的相關(guān)要求。

在減重效果上，復(fù)合材料和鋁鋰合金相對于常規(guī)鋁合金都表現(xiàn)出較大的優(yōu)勢；在制造工藝性方面，鋁鋰合金可以大量繼承常規(guī)鋁合金工藝技術(shù)，鋁鋰合金具有和復(fù)合材料相似的高維護間隔和高抗腐蝕性能，能較好的降低維護成本，在雷擊，電磁兼容方面應(yīng)用比較成熟，基于目前技術(shù)現(xiàn)狀，金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計具有較高的技術(shù)成熟度，以鋁鋰合金為基礎(chǔ)進行飛機設(shè)計可以極大的降低飛機項目的實施風(fēng)險。

2 龐巴迪C系列飛機新型鋁鋰合金的應(yīng)用

加拿大龐巴迪公司C系列飛機是專門針對90-149座級市場研發(fā)的110-130座的新型飛機，每種又分為標(biāo)準(zhǔn)型和增程型。

C系列飛機采用了民用飛機適用的與B787和A380同等級的先進技術(shù)、設(shè)備和新材料，材料的使用與B78對比。龐巴迪C系列飛機采用新材料帶來的高服役壽命及低維護成本已成為吸引市場的一大賣點，得到廣大運營公司的青睞。

在大型民用飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計中，鋁鋰合金結(jié)構(gòu)設(shè)計既要重量輕，又要滿足靜強度和耐久性/疲勞損傷容限要求；既要滿足適航條例25部及相關(guān)咨詢通告的要求；又要考慮結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性、高出勤率和低維護成本的要求.根據(jù)25.571適航條例規(guī)定，C系列鋁鋰合金機身結(jié)構(gòu)設(shè)計有如下要求。

（1）新設(shè)計的鋁鋰合金結(jié)構(gòu)在重量、靜強度等方面優(yōu)于傳統(tǒng)常規(guī)鋁合金結(jié)構(gòu)。

（2）裂紋形成壽命高于常規(guī)鋁合金機身結(jié)構(gòu)形式。

（3）建立滿足兩跨裂紋剩余強度設(shè)計準(zhǔn)則。

（4）鋁鋰合金機身結(jié)構(gòu)廣布損傷設(shè)計準(zhǔn)則：確定延緩廣布疲勞損傷出現(xiàn)的構(gòu)形方案，要保證滿足剩余強度要求。

2.1 鋁鋰合金材料性能及工藝試驗

Al-Li合金具有低密度、高比強度、高比剛度、高模量、優(yōu)良的低溫性能、良好的耐腐蝕性能和卓越的超塑性成形性能，是當(dāng)今民用航空金屬材料應(yīng)用的一個重要發(fā)展方向，為了給工程設(shè)計可行性提供依據(jù)，同時也為制造部門提供合適的加工工藝參數(shù)，在鋁鋰合金新材料的應(yīng)用上進行了大量的材料性能試驗以及工藝試驗。

拉彎成形需要借助塑性力學(xué)分析手段，對非對稱型材彎曲過程中拉彎失穩(wěn)問題進行研究，分析非對稱型材彎曲時出現(xiàn)分散性失穩(wěn)和集中性失穩(wěn)時的應(yīng)變強度?！癈”型2196型材拉彎成形工藝試驗?zāi)康氖窃诘湫蜔崽幚頎顟B(tài)下，評估鋁鋰合金型材的拉彎成形性能，確定拉彎參數(shù)。

軋壓成形工藝是板材在彎曲模具中經(jīng)多個軋輥的共同作用而成型。在軋制工藝過程中，軋制后材料的晶粒塑形流變使型材中幾乎沒有成形加工中的內(nèi)應(yīng)力存在，因此也避免了型材的彈性回彈。傳統(tǒng)鋁合金，彎曲軸與晶粒方向垂直時，成形性較好，而對于鋁鋰合金，當(dāng)彎曲軸與晶粒方向平行時，成形性較好。板材2198在T3狀態(tài)下無裂紋時在室溫條件下能承受180度的彎曲。endprint

2198板材在T3或T3S狀態(tài)下成形性能最好，因此，通常情況下拉彎成形在此狀態(tài)下進行。試驗?zāi)康氖菫榱嗽u估相應(yīng)材料厚度和熱處理狀態(tài)下可成形性。對于傳統(tǒng)鋁合金，拉彎方向與晶粒方向平行時可成型性最好，而鋁鋰合金是拉彎方向與晶粒方向垂直時可成型性最好。

2.2 鋁鋰合金機身結(jié)構(gòu)試驗

民用飛機機身是典型的薄壁結(jié)構(gòu)，主要由蒙皮、框、長桁、地板梁與支撐件組成，通過緊固件、連接角片連接在一起。機身蒙皮在內(nèi)部增壓作用下呈現(xiàn)雙向受拉載荷狀態(tài)，內(nèi)部增壓載荷與機身總體彎曲、扭轉(zhuǎn)、剪切載荷疊加后，在機身壁板上形成拉彎-剪切或壓縮-剪切的復(fù)合載荷狀態(tài)，受力形式相對復(fù)雜。為了保證飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計在新材料應(yīng)用及新構(gòu)型設(shè)計上可靠性及安全性，對C系列飛機機身結(jié)構(gòu)開展了系列完整性綜合試驗驗證。SACC全程參與了其中的機身典型桶段試驗、蒙皮縱環(huán)向連接試驗、地板梁試驗、蒙皮壁板剪切試驗、座椅滑軌試驗等。

機身桶段結(jié)構(gòu)試驗件結(jié)構(gòu)形式取自C系列前機身為參考樣本，幾何尺寸及曲率均相同，各結(jié)構(gòu)通過鉚接裝配成桶段，絕大部分機體結(jié)構(gòu)由鋁鋰合金及新一代鋁合金組成，常規(guī)鋁合金只占很少一部分。桶段試驗作為C系列項目研發(fā)性試驗，主要用來研究機身桶段的結(jié)構(gòu)設(shè)計概念，典型結(jié)構(gòu)的分析方法，維修方案以及應(yīng)用新一代鋁鋰合金材料后其性能的改進。驗證如下細節(jié)設(shè)計特點及承載能力：

（1）浮框、機加框及其框?qū)臃桨浮?/p>

（2）框與地板連接方案。

（3）地板橫縱梁的連接及立柱與框的連接。

（4）蒙皮縱向及環(huán)向連接。

通過靜力載荷測量、疲勞試驗、裂紋擴展試驗及剩余強度試驗等，確定機身壁板設(shè)計參數(shù)，考核典型部位疲勞和裂紋擴展特性，并對耐久性及損傷容限設(shè)計分析方法進行驗證。

通過試驗數(shù)據(jù)表明鋁鋰合金裂紋擴展壽命為常規(guī)鋁合金的2倍以上，同時失穩(wěn)點位置也大大高于常規(guī)鋁合金。通過對比分析表明鋁鋰合金材料性能有較好的穩(wěn)定性，采用鋁鋰合金可以大大提高結(jié)構(gòu)的裂紋擴展壽命，增長飛機服役中的維修檢查時間間隔，提高結(jié)構(gòu)安全性，降低維護成本。

蒙皮壁板環(huán)向連接試驗作為桶段試驗件的補充試驗，連接參考位置選擇在機身載荷比較嚴(yán)重的后機身頂部長桁蒙皮連接位置，分別進行疲勞試驗和損傷容限試驗，試驗件所用材料與上機材料基本保持一致，蒙皮、長桁、框及帶板等主要結(jié)構(gòu)均為鋁鋰合金。疲勞耐久性試驗在進行中，按照試驗要求進行了一系列的檢查，并未發(fā)現(xiàn)任何裂紋，滿足兩倍經(jīng)濟壽命要求。在對接區(qū)域拆毀檢查未發(fā)現(xiàn)其他裂紋，滿足剩余強度要求。

蒙皮縱向連接試驗件采用上搭下的搭接方式進行連接，縱向連接試驗件材料信息與環(huán)向連接試驗件基本一致，蒙皮、長桁、框等主要結(jié)構(gòu)均為鋁鋰合金。試驗包含兩個構(gòu)型相同的試驗件，分別用于耐久性試驗和損傷容限試驗。

通過一系列靜力、疲勞和損傷容限試驗數(shù)據(jù)和分析結(jié)果的對比分析，可以看出鋁鋰合金相對于傳統(tǒng)鋁合金具有高的彈性模量，靜強度性能，低的疲勞敏感性，低的裂紋擴展速率和較好的剩余強度性能；同時材料方又確認(rèn)鋁鋰合金材料具有低密度和高的抗腐蝕性能。因此，鋁鋰合金替代傳統(tǒng)鋁合金在民用飛機機體上有著廣泛的應(yīng)用空間，可以同時達到減重，降低維修成本，高的性能的效果。

3 鋁鋰合金應(yīng)用展望

鋁鋰合金作為一種新型低密度、高強度、高模量鋁合金材料，將是21世紀(jì)航空航天領(lǐng)域與復(fù)合材料競爭的首選。隨著合金技術(shù)的不斷發(fā)展，低各向異性、高強可焊性等性能，將是新一代鋁理合金發(fā)展的思路。但是由于鋁鋰合金為新一代材料，性能尚未為我們完全掌握，靜力試驗中材料破壞一般在纖維45°偏角方向破壞，在剩余強度試驗中也存在著裂紋最終失效和預(yù)期不一致的情況，同時材料的疲勞性能受熱處理影響比較嚴(yán)重。因此，我們需要在鋁鋰合金應(yīng)用方面要更加謹(jǐn)慎。

新材料與新技術(shù)的革新給未來民用航空業(yè)帶來機遇、挑戰(zhàn)，也帶來風(fēng)險。在看到新技術(shù)優(yōu)點的同時，也要了解它會帶來些什么問題，盡量避免全新設(shè)計。對于新技術(shù)、新材料、新工藝的引進還需要持積極、慎重的態(tài)度，應(yīng)該在經(jīng)濟成本、研制周期、環(huán)保等方面進行論證，并嚴(yán)格應(yīng)按適航規(guī)定的適航條款進行驗證及確認(rèn)，充分表明是可靠安全的。

參考文獻

[1] 陳建.鋁鋰合金的性能特點及其在飛機中的應(yīng)用研究[J].民用飛機設(shè)計與研究，2008.

[2] FAR25.571：疲勞損傷容限要求[S].

[3] FAR25.603：材料控制要求[S].endprint