國之大器C919裝備了哪些高端材料?

2019-11-01 01:06:26 hualin 555

北京時間10月24日,C919大型客機第五架原型機105號于上午10時從上海浦東國際機場起飛,經過1小時37分鐘的飛行,在完成了多個試驗點、對飛機各系統進行了初始操縱檢查后,于11時37分返航并平穩降落,順利完成其首次試驗飛行任務。


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在此之前,C919已經制造了4架原型機,分別是101、102、103、104架機,先后在西安閻良、山東東營、江西南昌等地開展試飛工作,按照中國商飛的規劃,C919首架客機將會在2021年交付,第五架原型機的首飛成功,意味著C919的研發工作正在順利推進。


在航空業百年的發展進程中,材料與飛機相互依存,相互進步,關系十分密切。從木制飛機到金屬飛機,再到如今復合材料民用飛機,每一次航空材料的變革都會推動飛機制造業技術水平的顯著提升。“一代材料,一代飛機”這句話可以說是世界航空發展史的一個真實寫照。


近年來,“材料研究”在航天航空領域的重要性被逐漸認可。然而新材料應用在飛機上卻并不容易。材料的靜力性能、各向異性、疲勞性能、斷裂韌性、疲勞裂紋擴展性能等一系列性能指標都要通過試驗后經統計分析產生,生產條件下零件制造的工藝參數也要通過工藝驗證試驗獲得。


“要把材料各方面的性能研究得透透的,為結構設計、強度驗證等提供設計輸入,同時要形成配套的工藝規范,支撐零件穩定高效生產,而這所有的工作還得在局方的認可下進行。”上飛院標材部副部長袁宇慧說。


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而C919第五架原型機試飛成功不僅意味著我國航空航天領域有了進一步發展,同時也意味著我國新材料領域有了長足的發展。據C919大型客機總設計師吳光輝介紹,新材料的應用是C919的一大技術亮點。在C919飛機上,我國史無前例的大規模使用了第三代鋁鋰合金,復合材料的應用范圍涵蓋了方向舵等次承力結構和飛機平尾等主承力結構。新材料一直以來就是航空航天的重要基礎,而鋁鋰合金是近十幾年來航空金屬材料中發展最為迅速的一個領域。


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鋁鋰合金有眾多優點。首先鋰是世界上最輕的金屬元素,把鋰作為合金元素加到金屬鋁中,就形成了鋁鋰合金。加入鋰之后,可以大幅度降低合金的比重,增加材料剛度的同時仍然可以保持較高的強度、較好的抗腐蝕性和抗疲勞性以及適宜的延展性。正因為鋁鋰合金的這些特性,這種新型合金才受到了航空、航天以及航海業的青睞。由于這種合金的諸多優點,吸引著世界各國科學家的深入研究。


事實上,鋁鋰合金作為鋁合金的一種,其在航空材料大家族中并不算新成員。1958年,美鋁公司開發出第一代鋁鋰合金——2020鋁鋰合金,并使用在RA-5C預警機上。但是2020鋁鋰合金表現出的脆性和生產問題阻礙了其進一步應用。


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國內在批產型號上正式使用鋁鋰合金材料,可以追溯到本世紀初。隨著蘇27原型機上1420鋁鋰合金的國產化,國內材料和航空界開始對鋁鋰合金有了了解。以1420鋁鋰合金為代表的第二代鋁鋰合金含鋰量一般在2%-3%,密度比普通鋁合金降低約10%。


C919大型客機采用的是第三代鋁鋰合金,該材料解決了第一代和第二代鋁鋰合金存在顯著各向異性的問題,屈服強度也提高了近40%。其機體結構重量占比達到7.4%,獲得綜合減重7%的收益,在國際上目前屬于領先水平。


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除鋁鋰合金外,目前,民用飛機上使用的復合材料主要是碳纖維增強樹脂基復合材料,它具有比強度高、比模量高、抗疲勞性優良、耐腐蝕等主要優點。這種材料比鋁更輕,比鋼更硬,其密度是鐵的1/4,強度卻是鐵的10倍,其化學組成非常穩定,不僅有助于減輕飛機重量,還能提高飛機的總體性能。因此,在波音和空客近年來推出的一些新機型中,復合材料的用量占比逐漸增大。


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近年來,金屬基復合材料又逐漸代替碳纖維增強樹脂基復合材料走向了航空航天新材料研制的前沿。國際上金屬基復合材料主要以鋁基為主。具有高比強度、高比模量導電、導熱性能、熱膨脹系數小、尺寸穩定好、良好地高溫性能、耐磨性好、疲勞性能和斷裂韌度好、性能再現性及可加工性好不吸潮、不老化、氣密性好等一系列優點。制備鋁基復合材料的一般方法是將碳化硅顆粒或陶瓷顆粒等混入鋁合金,為了提高材料的剛度和硬度,用攪拌鑄造或粉末冶金的方法混合也可獲得鋁基復合材料。


但是由于我國在航空航天領域上的自主設計起步較晚,與國際先進水平還有著不小的差距,差距不僅體現在材料基礎研究、工程化應用研究上,同時也體現在工業化批生產能力方面。但是隨著C919客機項目的不斷完善,這種差距正在快速縮小。


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除此之外,北京航空航天大學王華明教授帶領的團隊,在C919項目的推動下,成功的研發具有世界領先水平的“飛機鈦合金大型復雜整體構件激光成形技術”,使我國成為目前世界上唯一突破飛機鈦合金大型主承力結構件激光增材制造技術并實現裝機工程應用的國家。該團隊不僅打印出飛機鈦合金起落架、主承力框等大型關鍵部件,還為C919樣機制造出鈦合金主風擋整體窗框,零件成本大幅度下降,甚至不足20萬美元。真正實現了用科研帶動技術,又用技術回饋科研的良性循環。


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