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先进航空铝合金近期发展(一)
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先进航空铝合金近期发展(一)
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先进航空铝合金近期发展(一)
先进航空铝合金近期发展(一)毕业论文范文介绍开始:
材料与设计
先进航空铝合金近期发展
摘要
因为铝合金拥有良好性能,良好的既定设计方法,生产技巧和可靠的监察技巧,其成为飞机结构部件的原始材料已超过80年。近十年来,合成材料开始普遍地运用于大型喷气式商业客机的机身、机翼以及其他结构组件中,因其更高的特定性能,削减的重量,抗疲劳性和抗腐蚀性,合成材料代替了铝合金。尽管合成材料使用的增多在一定程度上降低了铝的重要性,但高强度的铝合金在机身建造中仍保持重要地位。铝是一种相对低成本、轻质的金属,可以被加热,可以负载相对高层次的压力,而且是最易生产的高性能材料之一,所以其生产与维修费用更低。最近铝合金在飞机制造上有重大提高,足以与当代合成材料相对抗。此项研究包括铝合金提升的机械性能以及连接科技的高性能的最近发展。相比传统铝合金,在机械性能上新研制了2000系铝合金,7000系铝合金以及新一代铝锂。连接技术方法、激光焊接和摩擦搅拌焊之间的优缺点也将受争议。
1. 介绍
飞机购买和开发成本的降低已成为许多航空公司的推动力。降低成本可以通过降低燃料消耗、维修成本和开发成本,频繁的定期控制,延长使用期限,每次承载更多顾客来实现。因此飞机制造商要争取迎合顾客需求。减重会提高燃料消耗,增加有效载荷与幅度。此外,材料改良的最佳机械性能会引起维护与减少维修成本之间的上升期。因为材料对减低成本有很大作用,所以死飞机制造者们和材料生产者们集中于开发迎合顾客需求的新材料。因此,当前的挑战就是开发可以用于机身和机翼结构的材料,且提高结构性能和寿命周期成本。根据产品设计实验可以看出减小飞机重量有效的方式是减小材料密度。据发现,减低密度的有效性是增加抗张程度、弹性系数或是损伤容限的3到5倍。机身的耐用性是直接影响成本的另一参数,一架超过30年的飞机,其维修与保养费用超过最初购买价格的1到2倍。因此材料生产者和飞机设计者应和睦共事减小飞机重量,提高新金属合金的损伤容限,抗疲劳性和抗腐蚀性。所以说在不久的将来,飞机主结构使用期限将延长,检查的频繁度也将减少。
合成材料在飞机主结构中使用渐增(波音787、空客A380、F35、台风核潜艇),在意味着合成材料在几种典型波音飞机中使用的增多。合成材料在高性能结构制造中的吸引力在于他们相比其他金属来说有着更优越的机械性能,比如更高的比刚度、比强度(按正常密度来说)、抗疲劳性和抗腐蚀性。尽管合成材料被认为是制造机翼和机身结构更好的材料,但是其高认证和高生产成本,相对较低的抗击能力以及因环境变化而引起的复杂的机械特性(吸湿性,曝于热\冷的环境是变软/脆)使得设师们去探索可替代的材料系统。纤维金属层板在航天航空应用上具有极大作用,例如眩光,结合铝层和玻璃纤维,环氧基树脂层来提升抗张程度,更重要的是扩大损伤容限。比刚度、比强度抗击能力和损伤效果在压缩和损伤识别与检测中负载时尤见明显,除连接之外,合成材料的修复和回收仍面临巨大挑战,仍需进一步研究。
得益于其出色的机械特性,设计简易性,成熟的生产进程和监察技巧,铝合金成为商用及军事飞机的主结构材料近80年,并在今后一段时间里继续保持。然而,除开先前所提及的问题,非金属材料以其更高的比强度性能成为一个很有竞争力的替代品,所以铝生产者需要持续投资,尽最大努力提升他们所生产的铝合金的热机械性能。
密度、强度、杨氏模量、抗疲劳性、抗断裂韧性和抗腐蚀性都是亟待提高的重要参数。在研究中就特定组分来看,物料性质必须胜过高分子复合材料,化学的成分与加工控制着微观结构特征,如沉淀物、弥散体、再结晶程度、晶粒大小与形状、晶体结构和金属间构成的粒子。这些性能影响铝合金的物理特征、力学特征和腐蚀特征。因此材料生产者和飞机设计师紧密合作可以设计出不同类型的金属合金,且其物理、机械性能是为特定需求而定做。例如,机翼的上盘不仅在飞行期间主要承受压缩载荷,而且在静重和滑行时承受张力,而其反面,机翼下部,因此而需要精确的拉力和抗压强度性能的最优化。损伤容限、抗疲劳性和抗腐蚀性的要求使得选集与优化更具挑战性。
在波音777的设计过程中,铝制造者要求机翼上盘结构和机身的进步。机翼上盘结构需要更高的抗压屈服强度,提升抗腐蚀性亦为众所渴望。对于机身来说,则需要比现在的2024-T3铝合金更高的损伤容限和耐用性。铝制造者为达到设计者的需求开发了7055-T7751金属板和7055-T7751压制品来制作机翼上盘结构,开发了铝衣合金2524-T3薄片和2524-T31金属板来制作机身外壳,他们还开发了7150-T7751压制品来制作机身结构的承重构件。这些材料的运用使波音777飞机减轻了成千上万磅。
飞机制造商也在致力于减少新飞机的零件数,而这需要运用多种途径才可达到。第一便是生产出大且厚的金属板,而且其疲劳和断裂特征和薄金属板同等;第二就是成功连接技术,比如摩擦搅拌焊可以生产出大型整体加强壁板,可以运用于机翼和机身外壳。
本篇评论文章包括了关于铝合金最新的发展,即其在飞机主结构中的使用,2000系铝合金性能要点的提升,7000系铝合金以及新一代铝锂合金。当前7000系铝锌合金用于强度作为主要设计参数之处,2000系铝钛合金用于疲劳危机应用,因为此合金有较大的损伤容限,而铝锂合金用于需要高硬度低密度之处。连接技术方法、激光焊接以及摩擦搅拌焊的优缺点将被讨论。
2. 2000系铝铜合金的发展
铝铜合金(2000系)成为了以损伤容限为主要设计标准的机身结构应用的主合金。相比其他系列的铝合金,含镁的2000系合金拥有更高的比强度,因为它拥有Al2Cu和Al2CuMg相组成的沉淀物,有更优越的损伤容限,还有良好的抗疲劳裂纹扩展性能。2024铝合金和2014铝合金是铝-铜-镁合金最有名的例证。众所周知,因为负载情况各异,机身的每个组件都要求不同的材料性能来进行适宜的可靠的设计。机身主要承受座舱压力(张力)和剪切载荷,纵梁因其弯曲度而主要承受纵向张力和压缩载荷,而圆周框架必须支撑机身形状,重新分布机壳载荷。强力、硬度、萌生的疲劳裂纹抗力、疲劳裂纹生长率、抗断裂韧性和抗腐蚀能力都很重要,但抗分裂韧性(抵抗分裂增长)是常常受到限制的设计参数。机翼可以被视作在飞行过程时弯曲以及扭力中装载的悬臂梁,机翼支撑着飞机的静重以及运行时承受其他所有附加载荷。机翼附加载荷也来源于滑行、起飞和着陆过程中的着陆装置,也来自于起飞和着陆过程中前缘后缘展开的襟翼和缝翼,来产生额外低速的上升。因为飞行时上升的弯矩,机翼的上表面主要承载于压缩中,但在滑行时承载于张力。广泛用于机身设计的一些2000系铝合金中化学成分和机械性能分别统计在表1和表2中。
2024-T3合金是用于机身构造最普遍的合金之一。它有适当的抗屈强度,很好的抗疲劳裂纹扩展和良好的断裂韧性。2024铝合金仍作为一种重要的飞机结构材料,因为它在T3时代背景下有极好的损伤容限和对疲劳断裂扩展的高抗性。低屈服应力强度和相对低的断裂韧性都限制了此合金在高压部分的使用。铝合金疲劳性质的显微结构影响也被集中调查,合成材料的控制以及加工的进步也不断生产出新的合金。众所周知,各包含物对疲劳断裂传播起很大作用。减少杂质(如铁、硅)可以达到更高的断裂韧性价值标准,更好的抗疲劳分裂开始和增长。据宣称,机身采用2524-T3合金相对使用2024-T3合金来说,断裂韧性提高了15%-20%,抗疲劳断裂扩展提升了2倍。此项提升使机重减轻,并且延长了30%-40%的使用期限。波音777飞机的机身外壳中2524铝合金已取代了2024铝合金。2524合金疲劳测试显示此合金抗屈强度为70%,而2024-T351合金疲劳强度只有抗屈强度的约45%。机翼下部机壳的材料应用,相比现在的2024-T351合金来说,虽然它有相似的断裂韧性和抗腐蚀性能,但2224-T351合金和2324-T39合金拥有更高的强度值。相比2024铝合金,2224-T351合金和2324-T39合金的合成与加工变化提升了其性能。金属间化合物较低的体积分率提升了断裂韧性,比如2224-T351合金中铁杂质的最大容量为0.12%,硅为0.10%,而在2024合金中两种杂质的最大容量都为0.50%。新开发的2026铝合金基于2024合金,但它包含更少的杂质,比如铁和硅。另外,2026铝合金包含了小部分锆,可以抑制再结晶。相比2024合金和2224合金,2026铝合金有更高的损伤容限,更高的抗张强度,更高的疲劳性能和更能接受的断裂韧性。
虽然金属间相中铜和镁形成了高强度,但是因为金属间粒子,其合金抗腐蚀性能大幅度下降。为了提高2000系合金的抗腐蚀性能和抗疲劳性能,人们做了一些调查。
3. 7000系铝-锌合金的发展
相比其他种类的铝合金,7000系铝合金有更高的强度,并被选为机翼上盘机壳飞机纵梁、水平安定面和垂直尾翼。抗压强度和抗疲劳性是设计机翼上盘结构部件的临界参数。飞机的尾部,亦称尾翼,由一个水平安定面,一个垂直尾翼或鳍,和操纵面(如升降舵和方向舵)组成。水平安定面和垂直尾翼的结构设计从本质上说和机翼是一致的。水平安定面的上盘和下部表面因弯曲度成为压缩载荷中的关键。
高强度的铝合金,比如7075-T6铝合金,广泛用于飞机结构制造,因为其有着高强度-质量比、机械加工性和相对低的成本,然而,因其各种合成物,这些合金易受腐蚀。众所周知,腐蚀会大幅减少机身结构的使用寿命。因为潮湿、雨水、温度、石油、液压液和盐水,飞机正常运行时会遇到大自然腐蚀性的环境。在老化飞机所面临的问题中,腐蚀和疲劳性的结合是最不好的。
2000系铝锌合金也可热处理,铝-锌-镁-铜变体在所有铝合金中有最高强度。一些7000系合金会加入2%的铜,结合镁与锌,来提高其强度。虽然这些合金强度最高,但是在7000系合金中,它们的抗腐蚀性是最低的。然而,新的7000系合金有更高的抗疲劳性和抗腐蚀性,这也可减少机重。新型合金(如7055-T77合金)比7075-T6合金有更高的强度和损伤容限。7475合金(铝锌镁铜)是7075合金的典型变体。在空中或是腐蚀性的环境中,一些设施要求较高强度,断裂韧性和抗疲劳裂纹扩展,7475合金应运而生。减少铁和硅容量,改变淬火和老化条件,7075合金的强度和断裂韧性就会提升。7075合金中铁和硅的总容量为0.90%,而7475合金总容量限制在0.22%。7075合金的这些改变使7475合金发展,在众合金中拥有晶粒细化、最佳散布和最高韧性值,也使得在高强度层次有此合金可用。据报道,7475合金的抗腐蚀性和腐蚀疲劳性是极好的。总的来说,其性能比市场上可买到的例如7075和7075合金的高强度航空铝合金要好得多。广泛运用的2024、7475合金和7050、7475合金之间屈服强度、延伸率和断裂韧性在图2中做出比较。
在图2中可以看出,2024-T351合金有高耐用性和良好的断裂韧性(TL取向和LT取向),但是抗压强度较低。另一方面,7075合金在T651回火条件下屈服强度超过500MPa。据报道此合金(7075-T651合金)TL和LT取向的断裂韧性接近24MPa每平方米和27MPa每平方米,各自符合于延展性的低水平。7475-T7351合金有更高的断裂韧性(TL和LT取向中分别为42MPa和52MPa每平方米),然而,相比7075-T651合金来说,7475-T7351合金有略低的屈服强度但有稍高的延展性。鉴于这些客观事实,适当处理的7475合金的使用有望减轻航空结构的重量,这是此类装置的一个重要的标准。
不同铝合金的断裂增长率在图3中做出了比较,据显示,相比2024合金,7475铝合金有更高的抗疲劳性,而7075-T6合金抗疲劳性能最低。
7475合金的抗腐蚀性能和抗疲劳性能和许多高强度铝合金如7075合金、7050合金和2024合金相等或更好。当前,7475铝金属板和薄片被选为高性能飞机应用的关键组件。
7075铝合金是另一种重要的合金,且在强度、抗应力腐蚀裂痕和韧性之间有着最佳平衡。尤其适合在厚度为76-152毫米的金属板中使用。7050合金的韧性、抗腐蚀性特征比7075合金要好,因为7050合金的淬火敏感度比大部分航天铝合金要低。在维持良好的抗应力腐蚀裂痕和断裂韧性水平的同时,7050合金在更厚的部分仍保持其强度性能。7050铝合金金属板的典型应用包括机身结构和隔板,厚度在50-152毫米的部分。另外,7050铝合金薄片运用于机翼外壳。长期控制与服务中评估皆显示7050铝合金金属板和薄片产品在更高的压力水平上和其他高强度的铝合金(如7075合金)相比仍能保持同等的抗剥离性和抗应力腐蚀性。
7055-T7751铝合金(Al-8 Zn-2.05 Mg-2.3 Cu-0.62)是一种最新的合金,其屈服应力超过620MPa,并且应用于波音777飞机的组件所引起的减重估计在635千克。这种合金在强度上提高姐姐呢10%,韧性更高,更重要的是提高了抗腐蚀性。相比于7050-T76/7150-T651或T7751铝合金,T77回火由三个老化进程组成,生成更高的强度,更高的损伤容限。断裂韧性的提高是由控制的粗糙金属颗粒的体积率和未结晶的颗粒结构所引起的。强度和抗腐蚀性的良好结合和强化沉淀物的大小、空间分布和含铜量有关。
航空铝合金的机械性能不断提高,使得7xxx系列合金(按应用实间先后排列为7075,7150,7055,7449)发展。这些高强度铝合金总体上应用于主压部分,如机翼上盘,此处损伤容限退为其次。然而,最新发展表明溶质含量的改变,尤其是锌/镁/铜比率改变能使高强度产品发展以及其损伤容限的大幅度提高,比如:AA7040,AA7140和AA7085。7085合金以新一代高强度厚金属板合金而发展,可替代7050或7010合金产品。由于含锌量高,含铜量低,7085合金有着更高的断裂韧性和低的淬火敏感度。这种产品在空中巴士A380中被选作用于机翼圆材。获得高强度和良好抗腐蚀性的最佳结合的另一方法是通过不同热处理方式的应用。引起提升的两个冶金原则是:镁/锌比率的增长,关于理论最大溶解度合成物的饱和度总体下降。镁浓度增加对于强度(有利)和韧性(不利)的强雷影响也是众所周知的。镁/锌调整的基础是以一种低效硬化剂观察锌局部代替镁,在维持适当强度时能提高韧性。溶质饱和度的总体下降直接影响淬火敏感度,这对于高溶质合金的损伤容限性质来说是很关键的。为大型商业机型机翼上盘开发的AA7056-T79合金是强度-韧性平衡发展的典例。另外在铝合金中加入锰和锆会形成细分散体,会影响再结晶特征和晶粒结构。这些弥散体会阻碍再结晶和晶粒增长。铝合金总的锆可以形成Al3Zr弥散体,和其母体紧密相关且大大提纯了晶粒尺寸。加锌会增长合金强度,加锰会增加合金的断裂韧性,因为包含锰和铁的二次相形成会减少铁在断裂韧性上的反作用。7000系铝合金中一些重要的化学合成物列于表3。
微震磨损是指两种材料在负载或遭受少量相对运动时接触面所发生的磨损过程,在航天业当前集中于阻止微震磨损,因为磨损、断裂都由应力(微震磨损区)开始,且远低于非磨损材料的疲劳性质,飞机构造的抗疲劳性会减少50%-70%。孔表面残余压缩应力的引进,摩擦系数的减小,表面硬度的增加,表面化学的改变和表面韧性的提高都是减少成核现象,减少摩擦裂纹,提高飞机节点的疲劳寿命和抗微震磨损的重要方法。
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