碳纖維復(fù)合材料

目前，民用飛機(jī)上使用的復(fù)合材料主要是碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料，它具有比強(qiáng)度高、比模量高、抗疲勞性優(yōu)良、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。這種材料比鋁更輕，比鋼更硬，其密度是鐵的1/4，強(qiáng)度卻是鐵的10倍，化學(xué)組成非常穩(wěn)定，不僅有助于減輕飛機(jī)重量，還能提高飛機(jī)的總體性能。因此，在波音和空客近年來推出的一些新機(jī)型中，復(fù)合材料的用量逐漸增大。

考慮到在90000次起降的設(shè)計壽命周期里，C919要經(jīng)受許多由溫差帶來的對飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)“冷凍熱蒸的考驗(yàn)”，其機(jī)體結(jié)構(gòu)材料的抗腐蝕、抗疲勞性能顯得格外重要。鑒于復(fù)合材料的上述優(yōu)點(diǎn)，中國商飛在C919的設(shè)計中也選用了復(fù)合材料。其應(yīng)用范圍涵蓋方向舵等次承力結(jié)構(gòu)和飛機(jī)平尾等主承力結(jié)構(gòu)，主要包括雷達(dá)罩、機(jī)翼前后緣、活動翼面、翼梢小翼、翼身整流罩、后機(jī)身、尾翼等部件，用量達(dá)到機(jī)體結(jié)構(gòu)重量的11.5%。其中，尾翼主盒段和后機(jī)身前段使用了先進(jìn)的第三代中模高強(qiáng)碳纖維復(fù)合材料，主承力結(jié)構(gòu)、高溫區(qū)、增壓區(qū)使用復(fù)合材料在國內(nèi)民用飛機(jī)研制中也屬首次。更重要的是，通過大量的驗(yàn)證試驗(yàn)，中國商飛初步建立了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的先進(jìn)材料和特種材料規(guī)范體系、設(shè)計許用值體系和制造工藝規(guī)范體系，實(shí)現(xiàn)了高標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)過程控制。

此外，在復(fù)合材料使用上，中國商飛公司通過與高校開展合作，開辟了一條產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的道路。例如，大連理工大學(xué)運(yùn)載工程與力學(xué)學(xué)部承擔(dān)了C919飛機(jī)尾翼、中央復(fù)合材料壁板等多個部位的試驗(yàn)項(xiàng)目。針對C919飛機(jī)對于大型復(fù)合材料構(gòu)件試驗(yàn)需求，大連理工大學(xué)進(jìn)行了大噸位大尺寸加載系統(tǒng)、承力系統(tǒng)和電測系統(tǒng)建設(shè)，開展材料級、結(jié)構(gòu)級、部件級三級的大飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理研究，開發(fā)數(shù)值分析模型和軟件，指導(dǎo)、校正實(shí)際試驗(yàn)，形成飛機(jī)典型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)破壞行為數(shù)據(jù)庫。為保證從復(fù)合材料壁板各環(huán)節(jié)處獲得準(zhǔn)確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，及時處理意外情況，研發(fā)團(tuán)隊(duì)對飛機(jī)壁板上使用復(fù)合材料后特別需要注意的部位貼上了大量應(yīng)變片，實(shí)時采集相關(guān)數(shù)據(jù)。通常情況下，一塊大型壁板就需要300～400個通道數(shù)據(jù)。在C919項(xiàng)目中，大連理工大學(xué)研制團(tuán)隊(duì)共測試了60多塊壁板，大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)保證了C919飛機(jī)所用材料的可靠性。
 

第三代鋁鋰合金

鋁鋰合金具有密度低、強(qiáng)度高且損傷容限性優(yōu)良等特點(diǎn)，用它替代常規(guī)鋁合金材料，能夠使飛機(jī)構(gòu)件的密度降低3%，重量減少10%～15%，剛度提高 15%～20%，因此被認(rèn)為是新一代飛機(jī)較為理想的結(jié)構(gòu)材料。

C919大型客機(jī)采用的是第三代鋁鋰合金，該材料解決了第二代鋁鋰合金的各向異性問題，材料的屈服強(qiáng)度也提高了40%。C919飛機(jī)的機(jī)身蒙皮、長桁、地板梁、座椅滑軌、邊界梁、客艙地板支撐立柱等部件都使用了第三代鋁鋰合金，其機(jī)體結(jié)構(gòu)重量占比達(dá)到7.4%，獲得綜合減重7%的收益。

C919大型客機(jī)前機(jī)身大部段首次采用第三代鋁鋰合金材料，作為前機(jī)身供應(yīng)商的中航工業(yè)洪都為此專門建設(shè)了一個面積近20萬平方米的大部件裝配廠房，引進(jìn)了全球第二臺蒙皮鏡像銑設(shè)備。為了能夠更好地了解新材料的性能，洪都用了近3年時間開展材料性能測試工作，先后完成2500多件試驗(yàn)件測試。新材料需要新的加工工藝與之匹配，洪都在C919大型客機(jī)前機(jī)身段研制過程中，先后攻克鋁鋰合金蒙皮噴丸強(qiáng)化、鋁鋰合金型材滾彎成形制造、蒙皮鏡像銑切加工、鋁鋰合金型材熱壓下陷制造、鋁鋰合金蒙皮噴丸校形等關(guān)鍵技術(shù)。

2014年5月，C919大型客機(jī)前機(jī)身大部段順利下線，該部段包括前段客艙、前貨艙和再循環(huán)風(fēng)扇艙，包含1600多項(xiàng)零件，涉及近2000項(xiàng)工裝。

鈦合金

除了復(fù)合材料之外，鈦合金作為一種輕金屬材料在民用飛機(jī)上的使用率正不斷提高。由于密度比鋼小得多，而強(qiáng)度又和鋼很接近，鈦合金可以大大減輕飛機(jī)及發(fā)動機(jī)的重量，提高飛機(jī)的燃油效率。

鑒于鈦合金優(yōu)異的性能，早在787的研制中，波音就曾耗資3億美元用于研究使用鈦合金替代鋁合金，以解決飛機(jī)超重的問題。最終787飛機(jī)的機(jī)體鈦合金用量達(dá)到15%，創(chuàng)下了當(dāng)時民用飛機(jī)機(jī)體鈦合金使用量的最高紀(jì)錄。如今，這一紀(jì)錄已經(jīng)被俄羅斯新一代干線飛機(jī)MC-21所取代，資料顯示MC-21飛機(jī)機(jī)身的鈦合金用量達(dá)到25%。

在C919大型客機(jī)中，中國商飛的設(shè)計團(tuán)隊(duì)也選用這種新型輕金屬材料，并且鈦合金的應(yīng)用比例達(dá)到9.3%，主要用于機(jī)身蒙皮、機(jī)身機(jī)翼、機(jī)翼滑軌、液壓燃油高壓管路系統(tǒng)等部位。這是我國第一次在一款民用飛機(jī)上大量使用鈦合金，此前ARJ21飛機(jī)鈦合金的應(yīng)用比例為4.8%。

借助C919項(xiàng)目，國內(nèi)鈦材龍頭企業(yè)寶鈦集團(tuán)有限公司的材料研制和生產(chǎn)能力得到了極大的提升。公司先后承擔(dān)了國家Ti-3Al-2.5V（TA18）管材、β熱處理的Ti-6Al-4VEIL厚板、β處理的Ti-6Al-4V合金型材、TB5板材工程化研制四個DK型號用材料研制任務(wù)。公司充分發(fā)揮自身產(chǎn)品質(zhì)量、交貨期、價格等優(yōu)勢，通過國際招標(biāo)采購，達(dá)到了C919大飛機(jī)對材料質(zhì)量的嚴(yán)格條件，成為中國商飛公司國內(nèi)鈦材料的合格供應(yīng)商，為首架C919飛機(jī)提供了多種規(guī)格的鈦合金棒材、厚板和薄板材料。同時，寶鈦集團(tuán)還就材料的適航認(rèn)證等問題，與中國商飛公司保持密切合作，力爭為后續(xù)C919飛機(jī)繼續(xù)擴(kuò)大鈦合金使用比例提供技術(shù)支撐和材料保障。