铝锂合金新材料应用研究浅析

王勇

摘 要：大型民用飞机结构设计中，铝锂合金结构设计既要重量轻，又要满足静强度和耐久性/疲劳损伤容限要求；既要满足适航条例25部及相关咨询通告的要求，又要考虑结构的经济性、高出勤率和低维护成本的要求。本论文在参与C项目工作的基础上，对铝锂合金材料机身工程结构设计应用中所开展的一些材料性能工艺试验、组部件典型结构试验方法等进行了分析和总结，对国内探索大型民用飞机结构设计新材料的应用做有益的尝试。

关键词：铝锂合金 工艺试验 疲劳损伤容限试验

中图分类号：V25 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）06（b）-0002-02

现代民用飞机设计面临的主要任务是以最小结构重量保证飞机的完整性、经济性、安全性与可靠性。对飞机性能、安全性和经济性等日益增长的要求，促进了很多新型材料的研究发展及应用。航空工业对产品性能和重量指标的要求，使得材料的发展也异常迅猛，确保与航空产品研制相互促进，相互依赖。飞机在运营中暴露在各种不同环境。为确保飞机在运行过程中不遭受破坏，设计出满足性能要求的高效结构，必须深入了解所用材料在不同载荷及环境下的行为，在材料选取和结构设计、强度验证中使用具有统计有效的材料性能数据。

在竞争日益激烈的民用飞机市场里，客户要求飞机具有较高的出勤率和较低的维护成本，同时又要保证飞机的经济性，降低燃油消耗。随着人们对出行安全的越来越高的要求，适航部门要求飞机在整个服役期内能有应对各种可能发生的情况，保证乘客及飞机安全。

1 新型铝锂合金技术优势

铝锂合金是近十年来航空金属材料中发展最为迅速的一个领域，90年代后，进入了三代铝锂合金的研究时代。在合金设计成分上，第三代铝锂合金降低了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；在性能水平上较以往铝锂合金有了较大幅度提高。新型铝锂合金主要产品形式为中厚板、薄板、挤压型材等，规格种类相对较为单一，已经获得适航认证在飞机上使用的牌号主要有美铝2099、2199、2397和加铝的2196、2198等，新型铝锂合金在机身的主要的应用部位为机身蒙皮、长桁、框、地板梁、座椅滑轨、梁、腹板等。

根据资料显示，美国、俄罗斯、法国和日本在航空航天领域均有使用铝锂合金的实例。法国Rafele军用战斗机，以及空客公司的A330、340和380等机型的机翼前后缘、座椅滑轨、地板梁、机身与机身蒙皮等结构部件均使用了铝锂合金材料。A380-800飞机座舱横梁采用了2196铝合金锻压件。第三代铝锂合金相对于传统铝合金有着显著的优越性能，具体表现如下。

（1）铝锂合金在比刚度及比强度方面优于传统常规铝合金结构。

（2）铝锂合金的疲劳性优越传统铝合金，提高疲劳许用应力超过40%，可大面积减重。

（3）裂纹扩展速率与传统铝合金相比降低25%以上，低的裂纹扩展速率能有效降低重复检查周期，降低维护成本。

（4）铝锂合金对疲劳裂纹的不敏感性能极大改善了结构的广布疲劳损伤能力，增强了设计的使用安全性，并能够满足适航规章中近乎苛刻的关于广布疲劳损伤的相关要求。

在减重效果上，复合材料和铝锂合金相对于常规铝合金都表现出较大的优势；在制造工艺性方面，铝锂合金可以大量继承常规铝合金工艺技术，铝锂合金具有和复合材料相似的高维护间隔和高抗腐蚀性能，能较好的降低维护成本，在雷击，电磁兼容方面应用比较成熟，基于目前技术现状，金属结构设计具有较高的技术成熟度，以铝锂合金为基础进行飞机设计可以极大的降低飞机项目的实施风险。

2 庞巴迪C系列飞机新型铝锂合金的应用

加拿大庞巴迪公司C系列飞机是专门针对90-149座级市场研发的110-130座的新型飞机，每种又分为标准型和增程型。

C系列飞机采用了民用飞机适用的与B787和A380同等级的先进技术、设备和新材料，材料的使用与B78对比。庞巴迪C系列飞机采用新材料带来的高服役寿命及低维护成本已成为吸引市场的一大卖点，得到广大运营公司的青睐。

在大型民用飞机结构设计中，铝锂合金结构设计既要重量轻，又要满足静强度和耐久性/疲劳损伤容限要求；既要满足适航条例25部及相关咨询通告的要求；又要考虑结构的经济性、高出勤率和低维护成本的要求.根据25.571适航条例规定，C系列铝锂合金机身结构设计有如下要求。

（1）新设计的铝锂合金结构在重量、静强度等方面优于传统常规铝合金结构。

（2）裂纹形成寿命高于常规铝合金机身结构形式。

（3）建立满足两跨裂纹剩余强度设计准则。

（4）铝锂合金机身结构广布损伤设计准则：确定延缓广布疲劳损伤出现的构形方案，要保证满足剩余强度要求。

2.1 铝锂合金材料性能及工艺试验

Al-Li合金具有低密度、高比强度、高比刚度、高模量、优良的低温性能、良好的耐腐蚀性能和卓越的超塑性成形性能，是当今民用航空金属材料应用的一个重要发展方向，为了给工程设计可行性提供依据，同时也为制造部门提供合适的加工工艺参数，在铝锂合金新材料的应用上进行了大量的材料性能试验以及工艺试验。

拉弯成形需要借助塑性力学分析手段，对非对称型材弯曲过程中拉弯失稳问题进行研究，分析非对称型材弯曲时出现分散性失稳和集中性失稳时的应变强度。“C”型2196型材拉弯成形工艺试验目的是在典型热处理状态下，评估铝锂合金型材的拉弯成形性能，确定拉弯参数。

轧压成形工艺是板材在弯曲模具中经多个轧辊的共同作用而成型。在轧制工艺过程中，轧制后材料的晶粒塑形流变使型材中几乎没有成形加工中的内应力存在，因此也避免了型材的弹性回弹。传统铝合金，弯曲轴与晶粒方向垂直时，成形性较好，而对于铝锂合金，当弯曲轴与晶粒方向平行时，成形性较好。板材2198在T3状态下无裂纹时在室温条件下能承受180度的弯曲。endprint

2198板材在T3或T3S状态下成形性能最好，因此，通常情况下拉弯成形在此状态下进行。试验目的是为了评估相应材料厚度和热处理状态下可成形性。对于传统铝合金，拉弯方向与晶粒方向平行时可成型性最好，而铝锂合金是拉弯方向与晶粒方向垂直时可成型性最好。

2.2 铝锂合金机身结构试验

民用飞机机身是典型的薄壁结构，主要由蒙皮、框、长桁、地板梁与支撑件组成，通过紧固件、连接角片连接在一起。机身蒙皮在内部增压作用下呈现双向受拉载荷状态，内部增压载荷与机身总体弯曲、扭转、剪切载荷叠加后，在机身壁板上形成拉弯-剪切或压缩-剪切的复合载荷状态，受力形式相对复杂。为了保证飞机结构设计在新材料应用及新构型设计上可靠性及安全性，对C系列飞机机身结构开展了系列完整性综合试验验证。SACC全程参与了其中的机身典型桶段试验、蒙皮纵环向连接试验、地板梁试验、蒙皮壁板剪切试验、座椅滑轨试验等。

机身桶段结构试验件结构形式取自C系列前机身为参考样本，几何尺寸及曲率均相同，各结构通过铆接装配成桶段，绝大部分机体结构由铝锂合金及新一代铝合金组成，常规铝合金只占很少一部分。桶段试验作为C系列项目研发性试验，主要用来研究机身桶段的结构设计概念，典型结构的分析方法，维修方案以及应用新一代铝锂合金材料后其性能的改进。验证如下细节设计特点及承载能力：

（1）浮框、机加框及其框对接方案。

（2）框与地板连接方案。

（3）地板横纵梁的连接及立柱与框的连接。

（4）蒙皮纵向及环向连接。

通过静力载荷测量、疲劳试验、裂纹扩展试验及剩余强度试验等，确定机身壁板设计参数，考核典型部位疲劳和裂纹扩展特性，并对耐久性及损伤容限设计分析方法进行验证。

通过试验数据表明铝锂合金裂纹扩展寿命为常规铝合金的2倍以上，同时失稳点位置也大大高于常规铝合金。通过对比分析表明铝锂合金材料性能有较好的稳定性，采用铝锂合金可以大大提高结构的裂纹扩展寿命，增长飞机服役中的维修检查时间间隔，提高结构安全性，降低维护成本。

蒙皮壁板环向连接试验作为桶段试验件的补充试验，连接参考位置选择在机身载荷比较严重的后机身顶部长桁蒙皮连接位置，分别进行疲劳试验和损伤容限试验，试验件所用材料与上机材料基本保持一致，蒙皮、长桁、框及带板等主要结构均为铝锂合金。疲劳耐久性试验在进行中，按照试验要求进行了一系列的检查，并未发现任何裂纹，满足两倍经济寿命要求。在对接区域拆毁检查未发现其他裂纹，满足剩余强度要求。

蒙皮纵向连接试验件采用上搭下的搭接方式进行连接，纵向连接试验件材料信息与环向连接试验件基本一致，蒙皮、长桁、框等主要结构均为铝锂合金。试验包含两个构型相同的试验件，分别用于耐久性试验和损伤容限试验。

通过一系列静力、疲劳和损伤容限试验数据和分析结果的对比分析，可以看出铝锂合金相对于传统铝合金具有高的弹性模量，静强度性能，低的疲劳敏感性，低的裂纹扩展速率和较好的剩余强度性能；同时材料方又确认铝锂合金材料具有低密度和高的抗腐蚀性能。因此，铝锂合金替代传统铝合金在民用飞机机体上有着广泛的应用空间，可以同时达到减重，降低维修成本，高的性能的效果。

3 铝锂合金应用展望

铝锂合金作为一种新型低密度、高强度、高模量铝合金材料，将是21世纪航空航天领域与复合材料竞争的首选。随着合金技术的不断发展，低各向异性、高强可焊性等性能，将是新一代铝理合金发展的思路。但是由于铝锂合金为新一代材料，性能尚未为我们完全掌握，静力试验中材料破坏一般在纤维45°偏角方向破坏，在剩余强度试验中也存在着裂纹最终失效和预期不一致的情况，同时材料的疲劳性能受热处理影响比较严重。因此，我们需要在铝锂合金应用方面要更加谨慎。

新材料与新技术的革新给未来民用航空业带来机遇、挑战，也带来风险。在看到新技术优点的同时，也要了解它会带来些什么问题，尽量避免全新设计。对于新技术、新材料、新工艺的引进还需要持积极、慎重的态度，应该在经济成本、研制周期、环保等方面进行论证，并严格应按适航规定的适航条款进行验证及确认，充分表明是可靠安全的。

参考文献

[1] 陈建.铝锂合金的性能特点及其在飞机中的应用研究[J].民用飞机设计与研究，2008.

[2] FAR25.571：疲劳损伤容限要求[S].

[3] FAR25.603：材料控制要求[S].endprint