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大型航空锻件材料应用现状

[ 信息发布:本站 | 发布时间:2021-11-25 | 浏览:15709 ]

航空锻件一般选用高比强度、比刚度的材料,大型航空锻件用材料主要包括钛合金、超高强度钢、铝合金三大类。

大型航空锻件用钛合金

钛合金由于其高比强度、比刚度、耐蚀性等优异性能,在航空工业得到了广泛的应用,对飞机结构减重和零件的使用寿命提高都有显著效果。特别是对于军用飞机, 一些重要的结构部件如翼梁、隔框、起落架等广泛采用钛合金锻件加工而成,单件重量高,尺寸和截面积大。

钛航空锻件

例如波音 B747 飞机主起落架支架梁 8 个件号采用 Ti-6Al-4V 钛合金锻件,单件重 1724 kg,长度 6.2m,投影面积 4.1m2。空客 A380 飞机两个六轮三轴小车式主起落架载重梁采用 Ti-1023 钛合金锻件,长 4.255m,重量 3210 kg。美国洛克希德公司研发的第四代战斗机 F22 隔框采用 Ti-6Al-4V ELI 锻件,单件重量达 771kg 以上,投影面积 4.06m2。

目前航空用钛合金主要牌号有 TC4、TC18、TC21、TA15、TB6 ( 美 Ti-1023 合 金 ) 等。其中TC18 由于淬透性最大,适合制造大型锻件,目前国内应用最多。俄罗斯根据波音和空客等民机需求,在 TC18 合金基础上,通过降低易偏析元素 Fe 的含量,开发了 Ti-55531 钛合金。Ti-55531 强度较高, 而且具有优越的淬透性和更宽的加工窗口,目前已在 A380 飞机吊挂接头和起落架支柱等零件上使用,

国内 C919 飞机也开展了国产材料研制工作, 国内重型直升机也正在利用此材料研发大型直升机桨毂中央件。目前收集到的数据表明: Ti-55531 与 TC21、TC18 相比,抗拉强度较高,塑性和断裂韧性较低,但 Ti-55531 在 Δk =11 MPa·m12条件下的抗裂纹扩展能力明显优于 TC21 和 TC18 合金,说明其裂纹萌生寿命较长,疲劳极限较高,适合长寿命设计。

大型航空锻件用超高强度钢

室温条件下抗拉强度大于 1400 MPa、屈服强度大于 1200 MPa 的钢称为超高强度钢, 通常还要求具有良好的塑韧性、优异的疲劳性能、断裂韧性和抗应力腐蚀性能。航空用超高强度钢主要用于起落架、传动齿轮、主轴承和对接螺栓等关键构件。

中国于 20 世纪 50 年代初研制成功 30CrMnSiNi2A 超高强度钢,抗拉强度为 1700MPa。20 世纪 70 年代初, 结合中国资源条件, 研制成功 32Si2Mn2MoVA 和 40CrMnSiMoVA 钢。

1980 年以来,从国外引进新技术,采用真空冶炼新工艺,先后研制出 34Si2MnCrMoVA (406A) 、35CrNi4MoA、40CrNi2SiMoVA (300M) 和 18Ni 马氏体时效钢。超高强度钢的研发为中国航空工业发展打下了坚实基础。随着超高强度钢的不断研究发展,大型航空锻件用超高强度钢主要有以下几个发展方向:

(1) 2200 MPa 级以上超高强度钢。在保证强度的前提下,塑性、韧性、疲劳性能、裂纹扩展速度和抗。应力腐蚀等综合性能优于广泛应用的 300M 钢水平。(2) 超高强度不锈钢,作为下一代舰载飞机起落架的备选材料。(3) 低成本超高强度钢,用于性能要求不高的场合,例如民用飞机、大型无人机等。

钛合金锻件

大型航空锻件用高强度铝合金

铝合金由于具有密度低、比强度高、耐腐蚀性好、塑性和加工性能好、成本低等一系列优点,在航空方面一直是飞机机体结构的主要材料之一。当今世界各国航空锻件用铝合金主要是2XXX 系( 2024、2224、2324、2424、2524 等) 和超高强度系的 7XXX 系( 7075、7475、7050、7150、7055、7085 等) 。

2XXX 系铝合金属于 Al-Cu-Mg 系合金,被称为高强度硬铝,是用途最广泛的铝合金之一,抗拉强度为 400 ~ 500 MPa,比 7XXX 系铝合金的室温强度低,但耐热性、疲劳特性,特别是抗疲劳裂纹扩展性都优于 7XXX 系铝合金。典型代表 2124 广泛应用于 F22、F35 的主体结构。7XXX 系铝合金属于 Al-Zn-Mg-Cu 系合金,这类合金具有高的比强度和硬度、较好的耐蚀性和较高的韧性、优良的加工性能。典型代表是 7050 铝合金,在大型航空锻件方面主要用于加强框、承力梁及接头等主承力结构。

我国通过微合金化以及热处理制度等方式研制了 7A85 铝合金,与国外 7085 铝合金性能相当。7A85 铝合金较 7075、7175、7050 合金大幅度提高了 Zn 的含量,降低 Mg 的含量,并对 Fe、Si 等杂质元素含量进行了严格的控制,使得 7A85 合金在保持较高强度水平下,还具有韧性好、疲劳强度高和抗应力腐蚀性能好等优良综合性能。与 7050-T7452 锻件比较,7A85 锻件具备了更高的淬透性,淬透层深度可达到 305 mm,而 7050 淬透层厚度为 203 mm, 更适合制造厚大截面航空零件。

国外 7085 合金已在大型民用飞机 A380 客机的机翼主梁、肋等结构获得成功应用,该机翼主梁长 6.4m、宽 1.9m, 重达 3.9t,是目前世界上最大的铝合金锻件之一。


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