鋁鋰合金新材料應用研究淺析

王勇

摘 要：大型民用飛機結構設計中，鋁鋰合金結構設計既要重量輕，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部及相關咨詢通告的要求，又要考慮結構的經濟性、高出勤率和低維護成本的要求。本論文在參與C項目工作的基礎上，對鋁鋰合金材料機身工程結構設計應用中所開展的一些材料性能工藝試驗、組部件典型結構試驗方法等進行了分析和總結，對國內探索大型民用飛機結構設計新材料的應用做有益的嘗試。

關鍵詞：鋁鋰合金 工藝試驗 疲勞損傷容限試驗

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

現代民用飛機設計面臨的主要任務是以最小結構重量保證飛機的完整性、經濟性、安全性與可靠性。對飛機性能、安全性和經濟性等日益增長的要求，促進了很多新型材料的研究發展及應用。航空工業對產品性能和重量指標的要求，使得材料的發展也異常迅猛，確保與航空產品研制相互促進，相互依賴。飛機在運營中暴露在各種不同環境。為確保飛機在運行過程中不遭受破壞，設計出滿足性能要求的高效結構，必須深入了解所用材料在不同載荷及環境下的行為，在材料選取和結構設計、強度驗證中使用具有統計有效的材料性能數據。

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能有應對各種可能發生的情況，保證乘客及飛機安全。

1 新型鋁鋰合金技術優勢

鋁鋰合金是近十年來航空金屬材料中發展最為迅速的一個領域，90年代后，進入了三代鋁鋰合金的研究時代。在合金設計成分上，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品形式為中厚板、薄板、擠壓型材等，規格種類相對較為單一，已經獲得適航認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用部位為機身蒙皮、長桁、框、地板梁、座椅滑軌、梁、腹板等。

根據資料顯示，美國、俄羅斯、法國和日本在航空航天領域均有使用鋁鋰合金的實例。法國Rafele軍用戰斗機，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構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鋁合金有著顯著的優越性能，具體表現如下。

（1）鋁鋰合金在比剛度及比強度方面優于傳統常規鋁合金結構。

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

（3）裂紋擴展速率與傳統鋁合金相比降低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構的廣布疲勞損傷能力，增強了設計的使用安全性，并能夠滿足適航規章中近乎苛刻的關于廣布疲勞損傷的相關要求。

在減重效果上，復合材料和鋁鋰合金相對于常規鋁合金都表現出較大的優勢；在制造工藝性方面，鋁鋰合金可以大量繼承常規鋁合金工藝技術，鋁鋰合金具有和復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，電磁兼容方面應用比較成熟，基于目前技術現狀，金屬結構設計具有較高的技術成熟度，以鋁鋰合金為基礎進行飛機設計可以極大的降低飛機項目的實施風險。

2 龐巴迪C系列飛機新型鋁鋰合金的應用

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

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、設備和新材料，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。

在大型民用飛機結構設計中，鋁鋰合金結構設計既要重量輕，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部及相關咨詢通告的要求；又要考慮結構的經濟性、高出勤率和低維護成本的要求.根據25.571適航條例規定，C系列鋁鋰合金機身結構設計有如下要求。

（1）新設計的鋁鋰合金結構在重量、靜強度等方面優于傳統常規鋁合金結構。

（2）裂紋形成壽命高于常規鋁合金機身結構形式。

（3）建立滿足兩跨裂紋剩余強度設計準則。

（4）鋁鋰合金機身結構廣布損傷設計準則：確定延緩廣布疲勞損傷出現的構形方案，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，是當今民用航空金屬材料應用的一個重要發展方向，為了給工程設計可行性提供依據，同時也為制造部門提供合適的加工工藝參數，在鋁鋰合金新材料的應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分析手段，對非對稱型材彎曲過程中拉彎失穩問題進行研究，分析非對稱型材彎曲時出現分散性失穩和集中性失穩時的應變強度。“C”型2196型材拉彎成形工藝試驗目的是在典型熱處理狀態下，評估鋁鋰合金型材的拉彎成形性能，確定拉彎參數。

軋壓成形工藝是板材在彎曲模具中經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應力存在，因此也避免了型材的彈性回彈。傳統鋁合金，彎曲軸與晶粒方向垂直時，成形性較好，而對于鋁鋰合金，當彎曲軸與晶粒方向平行時，成形性較好。板材2198在T3狀態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狀態下成形性能最好，因此，通常情況下拉彎成形在此狀態下進行。試驗目的是為了評估相應材料厚度和熱處理狀態下可成形性。對于傳統鋁合金，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 鋁鋰合金機身結構試驗

民用飛機機身是典型的薄壁結構，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。機身蒙皮在內部增壓作用下呈現雙向受拉載荷狀態，內部增壓載荷與機身總體彎曲、扭轉、剪切載荷疊加后，在機身壁板上形成拉彎-剪切或壓縮-剪切的復合載荷狀態，受力形式相對復雜。為了保證飛機結構設計在新材料應用及新構型設計上可靠性及安全性，對C系列飛機機身結構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。

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

（1）浮框、機加框及其框對接方案。

（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，確定機身壁板設計參數，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計分析方法進行驗證。

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

蒙皮壁板環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、框及帶板等主要結構均為鋁鋰合金。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，并未發現任何裂紋，滿足兩倍經濟壽命要求。在對接區域拆毀檢查未發現其他裂紋，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向連接試驗件基本一致，蒙皮、長桁、框等主要結構均為鋁鋰合金。試驗包含兩個構型相同的試驗件，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據和分析結果的對比分析，可以看出鋁鋰合金相對于傳統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，鋁鋰合金替代傳統鋁合金在民用飛機機體上有著廣泛的應用空間，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世紀航空航天領域與復合材料競爭的首選。隨著合金技術的不斷發展，低各向異性、高強可焊性等性能，將是新一代鋁理合金發展的思路。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重。因此，我們需要在鋁鋰合金應用方面要更加謹慎。

新材料與新技術的革新給未來民用航空業帶來機遇、挑戰，也帶來風險。在看到新技術優點的同時，也要了解它會帶來些什么問題，盡量避免全新設計。對于新技術、新材料、新工藝的引進還需要持積極、慎重的態度，應該在經濟成本、研制周期、環保等方面進行論證，并嚴格應按適航規定的適航條款進行驗證及確認，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用研究[J].民用飛機設計與研究，2008.

[2] FAR25.571：疲勞損傷容限要求[S].

[3] FAR25.603：材料控制要求[S].endprint