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19 Mar,2021

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C919大飞机运用了哪些复合材料?
发布日期:2021-03-19 09:48:49

C919大飞机运用了哪些复合材料?


2021年3月1日,中国东方航空与中国商飞公司在上海正式签署了C919大型客机购机合同,首批引进5架C919大型客机,标志着国产大飞机即将迈入商业运营时代揭开了国产民机事业的新篇章。


中国东方航空公司继组建一二三航空公司运营ARJ21之后,又将成为全球首家运营C919大型客机的航空公司此次购机合同签署后,双方将尽快对接并开展飞机投入运营前的各项准备工作,包括新机型补充运行合格审定、专业人员培训及客户支援保障协议等谈判签署工作等。双方将通力协作,在飞机进出口、航材维修、物流仓储、新技术应用、航材支援、维修保障、飞机构型优化等领域加大合作力度,确保首批次飞机高质量运营。


根据东航的初步安排,该5架飞机引进后,将以上海为主要基地,加密上海至北京大兴、广州、深圳、成都、厦门、武汉、青岛等航线,为广大旅客带来国产大飞机的“全新体验”。



C919用了哪些复合材料? 


在航空业一百多年的发展历程中,材料与飞机一直在相互推动下不断发展。从木制飞机到金属飞机,再到如今复合材料成为民用飞机制造商争夺的技术高地,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。


对于中国民机产业来说也同样如此。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,我国第一次大范围使用 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。此外,在C919项目的带动下,我国在航空材料领域取得了许多重大突破,新材料加工工艺和基础设施建设也有了质的飞跃。



C919的“选材之道”


作为一款全新研制的飞机,C919大型客机在结构选材方面充分考虑了材料的成熟度与先进性,这么做的目的一方面是保证C919作为新一代窄体客机的竞争优 势,另一方面则是考虑飞机未来投入航线运营的可靠性和易维修性。经过大量试验和严密论证,在C919飞机上,针对主要结构件的不同要求,中国商飞公司分别 选取了碳纤维复合材料、第三代铝锂合金以及钛合金这三种主要的航空新材料。


铝锂合金具有密度低、强度高且损伤容限性优良等特点,用它替代常规铝合金材料,能够使飞机构件的密度降低3%,重量减少10%〜15%,刚度提高 15%〜20%,因此被认为是新一代飞机较为理想的结构材料。



C919大型客机采用的是第三代铝锂合金,该材料解决了第二代铝锂合金的各向异性问题,材料的屈服强度也提高了40%。C919飞机的机身蒙皮、长桁、地板梁、座 椅滑轨、边界梁、客舱地板支撑立柱等部件都使用了第三代铝锂合金,其机体结构重量占比达到7.4%,获得综合减重7%的收益,在国际上属于领先水平。


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,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,复合材料的用量逐渐增大。


考虑到在90000次起降的设计寿命周期里,C919要经受许多由温差带来的对飞机机体结构“冷冻热蒸的考验”,其机体结构材料的抗腐蚀、抗疲劳性能显得格外重要。鉴于复合材料的上述优点,中国商飞在C919的设计中也选用了复合材料。其应用范围涵盖方向舵等次承力结构和飞机平尾等主承力结构,主要包括雷达罩、机翼前后缘、活动翼面、翼梢小翼、翼身整流罩、后机身、尾翼等部件,用量达到机体结构重量的11.5%。其中,尾翼主盒段和后机身前段使用了先进的第三代中模高强碳纤维复合材料,主承力结构、高温区、增压区使用复合材料在国内民用飞机研制中也属首次。更重要的是,通过大量的验证试验,中国商飞初步建立了具有自主知识产权的先进材料和特种材料规范体系、设计许用值体系和制造工艺规范体系,实现了高标准的生产过程控制。



制造工艺的考验


由于起步较晚,与国际先进水平相比,我国无论在材料基础研究、工程化应用研究还是工业化批生产能力方面都存在明显差距。随着C919研制的推进,在项目牵引下,这种差距正在快速缩小。


C919 大型客机前机身大部段首次采用第三代铝锂合金材料,作为前机身供应商的中航工业洪都为此专门建设了一个面积近20万平方米的大部件装配厂房,引进了全球第二台蒙皮镜像铣设备。为了能够更好地了解新材料的性能,洪都用了近3年时间开展材料性能测试工作,先后完成2500多件试验件测试。新材料需要新的加工工艺与之匹配,洪都在C919大型客机前机身段研制过程中,先后攻克铝锂合金蒙皮喷丸强化、铝锂合金型材滚弯成形制造、蒙皮镜像铣切加工、铝锂合金型材热压陷制造、铝锂合金蒙皮喷丸校形等关键技术。2014年5月,C919大型客机前机身大部段顺利下线,该部段包括前段客舱、前货舱和再循环风扇舱,包含 1600多项零件,涉及近2000项工装。


在复合材料使用上,中国商飞公司通过与高校开展合作,开辟了一条产学研相结合的道路。例如,大连理工大学运载工程与力学学部承担了C919飞机尾翼、中央复 合材料壁板等多个部位的试验项目。针对C919飞机对于大型复合材料构件试验需求,大连理工大学进行了大吨位大尺寸加载系统、承力系统和电测系统建设,开展材料级、结构级、部件级三级的大飞机复合材料结构破坏机理研究,开发数值分析模型和软件,指导、校正实际试验,形成飞机典型复合材料结构破坏行为数据 库。为保证从复合材料壁板各环节处获得准确的试验数据,及时处理意外情况,研发团队对飞机壁板上使用复合材料后特别需要注意的部位贴上了大量应变片,实时采集相关数据。通常情况下,一块大型壁板就需要300〜400个通道数据。在C919项目中,大连理工大学研制团队共测试了60多块壁板,大量的试验数据保证了C919飞机所用材料的可靠性。


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 件,还为C919样机制造出钛合金主风挡整体窗框,零件成本不足20万美元。


C919 项目采用国际通行的“主制造商-供应商”模式,以全球招标的形式引进产业链顶尖供应商,随着项目的推进,目前已经成立了16家相关的合资企业。其中,湖南博云新材料股份有限公司与霍尼韦尔公司于2012年合资成立的霍尼韦尔博云航空系统有限公司攻克了碳/碳复合材料及高温合金材料的生产与制造难题,为 C919飞机提供高性能飞机机轮刹车系统。



碳 /碳复合材料是碳纤维及其织物增强的碳基体复合材料,具有低密度、高强度、高比模量、高导热性、低膨胀系数、抗热冲击性能好、尺寸稳定性高等优点,是如今在1650℃以上应用的少数备选材料,最高理论温度达到2600℃。用炭/炭复合材料制造的机轮刹车系统,耐高温,性能好,使用寿命是金属材料的2〜4倍,重量却只有1/4。在C919项目之前,国内企业几乎没有能力开展此类材料的研制和生产工作。在C919项目的带动下,研制团队攻克了炭/炭航空制动材料的制备技术,具备了飞机机轮刹车系统的设计、研发、测试、部件制造及系统总装能力。



制造装备的升级


在国际民用航空配套领域,相关材料制造商都是国际知名的材料研发制造企业。这些企业大都具有悠久的民用航空配套历史,树立了良好的品牌,掌握着材料的关键制造工艺和技术。宝钢作为我国重要的钢铁企业,同时也是中国商飞公司的股东,其在C919项目中也扮演了重要的角色。


制造起落架的材料是C919项目所需的关键材料之一。由于商用飞机起降频繁,对飞机起落架所用材料的抗冲击性、抗疲劳强度、韧塑性等都有很苛刻的要求。宝钢 在C919项目中承担了飞机起落架用高强钢的研制任务。为此,公司在2011年8月成立了民用航空材料领导小组及工作小组,下设产品与技术、合格供应商认 证、商务贸易与服务三大团队,全面推进各项工作任务。通过技术攻关,宝钢成功研制出C919起落架所需要的TC4、TC18、TA15等4大牌号的大型钛 合金棒材、等温锻件。在C919项目的带动下,我国航空材料研制实现了重大飞跃。


借家大力发展航空业的东风,C919项目启动之后,宝钢投入大量资金进行技术改造,先后引进十余台(套)大型真空感应熔炼炉、真空自耗熔炼炉等装备;建成 由500吨至1万吨多台压机组成的等温模锻生产线;引进4000吨级快锻机,启动6000吨级快锻机立项工作。根据规划,到2020年,宝钢的发展目标是 在成为中国商飞、中国航发合格供应商的同时,瞄准国际市场,努力成为空客、波音、罗罗、GE等世界一流公司的材料配套供应商。


模锻压机主要用于制造航空、航天、核电、石化等领域的高强度钛/铝合金锻件。长期以来,由于缺乏巨型模锻压机的支持,我国钛铝合金框、梁、轴、臂、杆等模锻件基本依赖国外进口。在C919项目启动之初,钛合金大吨位锻制成型是一个制约项目发展的瓶颈。


为此,位于陕西阎良的三角航空科技有限责任公司专门组织科研力量,成功研制出我国首台4万吨级大型模锻液压机,并于2012年成功实现热试车,顺利生产出我 国首个大型盘类件产品。该模锻液压机采用的是清华大学“钢丝预应力-剖分坎合”技术设计,最大压力能够达到5万吨,锻造速度可在0.01〜60mm/s之间调控。一年之后,更大型的8万吨级模锻液压机在四川德阳中国第二重型机械集团投入试生产。这是目前世界上最大的模锻液压机,总高42米,设备总重2.2万吨。该设备为日后我国航空航天领域高强度钛/铝合金锻件的生产奠定了基础。



出处:东航集团/中国商飞/《大飞机》杂志

转载:中国先进材料产业博览会

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