钛合金材料及其新技术在C919飞机上的应用.ppt

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1、中国商飞上海飞机设计研究院Shanghai Aircraft Design and Research Institute COAMC,钛合金材料及其新技术在C919飞机上的应用Application of Titanium Alloy and related new technology on C919 Aircraft,主 要 内 容,1 中国商飞简介 2 C919飞机概述及其机体结构选材原则、特点 3 C919飞机钛合金材料应用方案 3.1 低强高塑性纯钛 3.2 中强中韧钛合金 3.3 中强高韧钛合金 3.4 高强高韧钛合金 3.5 其他钛合金4 钛合金近净成型技术及其在C919飞机上的

2、应用前景分析5 主要工作内容6 结语,Main Content,1 Introduction of COMAC2 Material selection principle and features for C919 Aircraft3 Application solutions of Titanium Alloy for C919 Aircraft 3.1 Low strength/high ductility titanium 3.2 Moderate strength/toughness Titanium Alloy 3.3 Moderate strength/high toughness

3、 Titanium Alloy 3.4 High strength/toughness Titanium Alloy 3.5 Other Titanium Alloy4 Nearnet shape technology of Titanium Alloy and analysis of its application prospect on C919 Aircraft5 Major work tasks6 Peroration,中国商用飞机有限责任公司成立（2008-5-11）Establishment of Commercial Aircraft Corporation of China,L

4、td,Chinese Vice Premier Zhang Dejiang(L)and Shanghai Party Chief Yu Zhengsheng(R)unveil the plaque 张德江副总理和俞正声书记为公司成立揭牌。新成立的中国商飞公司承担着中国民用飞机研发的历史使命,1 中 国 商 飞 简 介,注册资金190亿人民币，总部上海Capitalized at 19 billion RMBheadquartered in Shanghai.,中国商飞公司投资方/Shareholders of COMAC,1 中 国 商 飞 简 介,组织结构 Organization Char

5、t,1 中 国 商 飞 简 介,目标：打造国际一流民用飞机公司，发展两种系列飞机Target:World-class Commercial Aircraft CorporationTwo Series of Product:Trunkliner&Regional Jet,1 中 国 商 飞 简 介,满足申请之日有效的中国民用航空局（CAAC）相关适航要求，同时满足美国联邦航空局（FAA）、欧洲航空安全局（EASA）适航要求以确保安全性；通过采用先进的结构形式、先进材料体系和制造工艺，减轻飞机结构重量，每座结构空重应较目前运营中的同级别飞机低1%-2%，经济服务寿命不低于90000飞行小时/60

6、000飞行循环/30日历年；结构设计采用先进的隔声/吸声材料及结构形式降低舱内噪声，客舱内噪声值在巡航状态下平均不高于75dBA；结构设计应满足强度与刚度要求、耐久性与损伤容限、可靠性、维修性、工艺性和低成本等要求，机体结构具有良好的抗腐蚀品质。,确保安全性,提高经济性,改善舒适性,注重环保性,2 C919飞机概述及其机体结构选材原则、特点,C919飞机概述,主要技术指标(Specifications),9,中国商用飞机有限责任公司专有信息 Proprietary Information of COMAC,2 C919飞机概述及其机体结构选材原则、特点,C919飞机概述,总体布局(Genera

7、l Configuration),10,翼吊涡扇发动机Wing-mounted turbofan engines,常规型尾翼Conventional empennage,前三点可收放起落架Retractable tricycle gear,超临界后掠下单翼Super-critical low swept wing,中国商用飞机有限责任公司专有信息 Proprietary Information of COMAC,2 C919飞机概述及其机体结构选材原则、特点,C919飞机概述,三面图(3-View Diagram),11,36.08,38.58,12.23,中国商用飞机有限责任公司专有信息 P

8、roprietary Information of COMAC,2 C919飞机概述及其机体结构选材原则、特点,C919飞机概述,2.1 满足飞机不同部位的设计准则要求，主干材料体系基于当前先进客机使用的主流产品，兼顾成熟性和先进性；2.2 疲劳、损伤容限、耐蚀性、可接受的成本（涵盖制造和使用维护阶段）以及实现结构整体化和轻量化的潜力，是材料选用的重要指标；2.3 注重形成核心供应商队伍，有利于提高管理效率、保证供货周期、降低采购成本。,2 C919飞机概述及其机体结构选材原则、特点,机 体 选 材 原 则,先进铝合金与铝锂合金的应用实现铝锂合金在地板梁、机身蒙皮、长桁上的应用，使用量约占结构

9、重量的15，预期实现减重510；实现高淬透型7085铝合金在主起落架支撑梁、机身加强框和机翼后梁内段上的应用；先进复合材料的扩大应用新部件：尾翼（平尾、垂尾、升降舵）、中央翼、机翼活动面、后压力框、尾锥、后机身，用量将达到14以上；大量使用T800级碳纤维复合材料，用量占10以上。,2 C919飞机概述及其机体结构选材原则、特点,机 体 选 材 特 点,2 C919飞机概述及其机体结构选材原则、特点,机 体 选 材 特 点,复合材料 用量增加（C919飞机中央翼、后机身以及机翼活动面等）,约占机体结构重量15%,钛合金用量大增,与复合材料相容性好,重要连接接头（复材零件之间、复材零件与其他零件

10、的连接）,钛金属的特点,C919飞机选用钛合金的主要特点Features of Titanium Alloy for C919 aircraft,3 C919飞机钛合金材料应用方案,关键承力件主要使用钛合金Criticalbearing parts are mainly made of Titanium Alloy,钛合金用量达到10%，超过同级别B737/A320的水平（见表1）Usage amount of Titanium Alloy reaches 10%,which is far beyond the level of B737&A320（See Table 1）,广泛使用新型钛合金

11、及新型热处理工艺New Titanium Alloy and heat treatment process are widely used,表1 钛合金在民机型号上用量一览,从表1可以看出，钛合金占民机结构重量的百分比越来越大,3 C919飞机 钛合金材料 应用方案,成功商业化应用的传统钛合金：20-30种钛金属新材料：钛-铝金属间化合物、钛基复材等,综合考虑钛合金的成熟性、成本、交付周期等C919飞机选择了6个钛合金牌号 包括低强高塑性、中强中韧、中强高韧、高强高韧及系统用材产品形式涵盖了锻件（投影面积1.1，要求的棒材直径 450mm）、厚板（4.76-80mm）、薄板、型材、管材、丝材等

12、,C919飞机钛合金选材方案见表2 主要应用部位见图1,3 C919飞机 钛合金材料 应用方案,表2 钛及钛合金在C919飞机上应用一览,3 C919飞机 钛合金材料 应用方案,Table 2 Application of Titanium and Titanium Alloy on C919 Aircraft,3 Application solutions of Titanium Alloy for C919 Aircraft,图：飞机钛合金主要应用部位及制品形式,3 C919飞机 钛合金材料 应用方案,3 C919飞机 钛合金材料 应用方案,3.1：低强高塑性纯钛,选用,牌号：CP-3 规

13、范：AMS 4902 普通退火制品形式：板材应用部位：机身蒙皮等,氧元素固溶于纯钛晶格，可提高纯钛强度塑性好、焊接性能优良,特点,3 Application solutions of Titanium Alloy for C919 Aircraft,3.1 low strength/high ductility Titanium,Selected,Alloy:CP-3 Specification：AMS 4902 AnnealedProduct：PlateApplication：Skin,etc,Oxygendissolved in thetitaniumlattice which used

14、to enhance the strength of pure titanium,high toughness and excellent welding performance,Characteristic,3 C919飞机 钛合金材料 应用方案,3.2：中强中韧钛合金,综合力学性能优异研究最充分航空航天领域用量最大,特点,选用,牌 号：Ti-6Al-4V规 范：AMS4911；CMS-Ti-203；AMS4935 普通退火制品形式：板材；锻件；型材应用部位：机身、机翼、吊挂 接头,中国商飞材料规范对棒材、锻件有效以AMS 4928为基础对大规格棒材（508mm）力学性能、超声波探伤、低倍组

15、织提出了具体的指标,主要应用,尾翼接头,机翼滑轨,3 Application solutions of Titanium Alloy for C919 Aircraft,3.2：Moderate strength/toughness Titanium Alloy,Excellent comprehensive propertiesMost deeply researchedThe maximumusage amount in aerospace field,Characteristic,Selected,Alloy：Ti-6Al-4VSpecification：AMS4911；CMS-Ti-2

16、03；AMS4935 AnnealedProduct：Plate,forging,extrusionApplication：Fuselage,wing,pylon,joint,Material specificationof COMAC for Ti-6Al-4V bars and forgings,based on AMS 4928,added specific requirement for mechanical properties,ultrasonic flaw detection as well as macrostructure,3 C919飞机 钛合金材料 应用方案,3.3：中强

17、高韧钛合金,ELI(Extra Low Interstitial 低间隙元素)，可提高低温性能退火：获得层片状显微组织，可提高断裂韧性，降低裂纹扩展速率 即提高材料损伤容限性能,特点,选用,牌 号：Ti-6Al-4V ELI 规 范：AMS4905；CMS-Ti-202；退火制品形式：厚板；锻件应用部位：机头、中央翼接头,中国商飞材料规范对锻件有效对锻件力学性能；超声波探伤；高、低倍组织提出了具体的指标,主要应用,中央翼缘条,3.3：Moderate strength/high toughness Titanium Alloy,ELI(Extra Low Interstitial)can en

18、hance the low temperature performance of Titanium Alloyannealed：Get lamellar microstructure Enhance fracture toughness Reduce crack propagation Improve damage tolerance properties,Characteristic,Selected,Alloy：Ti-6Al-4V ELI Specification：AMS4905,CMS-Ti-202,annealedProduct：Plate,forgingApplication：No

19、se,joint of central wing,Material specification of COMAC for Titanium ELI bars and forgings,added specific requirement for mechanical properties,ultrasonic flaw detection as well as macrostructure and microstructure,3 Application solutions of Titanium Alloy for C919 Aircraft,3 C919飞机 钛合金材料 应用方案,3.4：

20、高强高韧钛合金,固溶时效：强度高，抗拉强度达到1240MPa 退火：抗拉强度可达到1080MPa 断裂韧性好，达到65MPam1/2,特点,选用,牌 号：Ti-55531 规 范：CMS-Ti-301 固溶时效 和 退火态制品形式：锻件应用部位：吊挂、机翼接头,中国商飞材料规范对棒材、锻件有效对力学性能；超声波探伤；高、低倍组织提出了具体的指标,3 C919飞机 钛合金材料 应用方案,3.4：High strength/toughness Titanium Alloy,STA：High strength come up to 1240MPa（UTS）annealed：UTS reached t

21、o 1080MPa Excellent fracture toughness as high as 65MPam1/2,Characteristic,Selected,Alloy：Ti-55531 Specification：CMS-Ti-301 STA and annealedProduct：ForgingApplication：Pylon,joint of wing,Material specificationof COMAC for Ti-55531 bars and forgings,added specific requirement for mechanical propertie

22、s,ultrasonic flaw detection as well as macrostructure and microstructure,3 Application solutions of Titanium Alloy for C919 Aircraft,3 C919飞机 钛合金材料 应用方案,3.5：其他钛合金,控制轧制过程中的道次变形量对管材的CSR有严格要求可提高管材疲劳性能,特点,选用,牌 号：Ti-3Al-2.5V 规 范：AMS 4945 去应力退火制品形式：无缝管材应用部位：液压、燃油系统,弹性模量较低（该合金为102GPa，Ti-6Al-4V为112GPa）适合制造弹

23、性元件,特点,牌 号：Ti-38644 规 范：AMS 4957 固溶制品形式：丝材应用部位：弹簧,3 C919飞机 钛合金材料 应用方案,3.5：Other Titanium Alloy,Operate the pass deformation ofrolling processStrict requirement on CSR of tubeImprove the fatigue properties,Characteristic,Selected,Alloy：Ti-3Al-2.5V Specification：AMS 4945 Stress relief annealedProduct：

24、Seamless tubeApplication：Hydraulic/fuel system,Low elastic modulus(102GPa compared with 112GPa of Ti-6Al-4V)Suitable for producing flexible parts,Characteristic,Alloy：Ti-38644 Specification：AMS 4957 Solution treatedProduct：WireApplication：Spring,3 Application solutions of Titanium Alloy for C919 Air

25、craft,4 钛合金近净成型技术 在C919飞机上的应用前景分析,钛合金热导率低,15.24W/(mK),机加工产生的热量,不易散失,引起,刀具温度升高,粘刀，刀具磨损严重,导致,零件加工效率低,交付周期较长、成本较高,要求,减少零件机加量,出现了近净成型技术,近净成型工艺包括：等温锻造（固态成型）熔模精密铸造（液态成型）粉末激光成型，如图所示,近净成型技术为什么会出现？,传统模锻工艺流程及特点如图所示,传统成型技术：模锻成型及其不足,4 钛合金近净成型技术 在C919飞机上的应用前景分析,周期较长成本较高,图：模锻成型流程,4 钛合金近净成型技术 在C919飞机上的应用前景分析,钛合金粉末

26、激光成型技术 原理,是一种基于“高功率激光熔覆”“快速原型制造”技术采用高能激光束熔化钛合金粉末，熔化的钛合金粉末以微小液滴的形式在基材上凝固，通过计算机控制的激光头往复运动，逐层堆积，获得所需零件外形。加工过程如图所示。,据文献报道，钛合金粉末激光成型工艺制备的产品，其力学性能达到或超过锻件水平,图：钛合金粉末激光成型工艺图示,4 钛合金近净成型技术 在C919飞机上的应用前景分析,钛合金粉末激光成型技术 特点,1：毛坯成型过程不需要模具，将材料制备与零件成型结合2：不受限于原材料（棒材）规格，灵活性大3：无需大型锻造设备，前期投入少4：毛坯的后续加工量小，提高材料利用率（粉末激光成型产品单

27、边加工余量1-3mm，模锻件通常为8-10mm）5：零件机加工过程变形较小,比较对象：模锻成型工艺,钛合金粉末激光成型技术 适用范围,特别适用于制造大型、曲面复杂、装配要求高的结构件，如图所示的带有双曲面机头天窗骨架。该技术有助于推动飞机结构件向整体化发展，减少连接件数量，缩短装配时间，可达到增效减重、降低成本的双重效果,图：飞机机头天窗骨架,4 钛合金近净成型技术 在C919飞机上的应用前景分析,钛合金粉末激光成型技术 应用前景分析,4 钛合金近净成型技术 在C919飞机上的应用前景分析,从目前国内外披露的信息分析，该技术尚未应用于民机领域,具有独特的技术优势，应用前景广阔,与传统模锻件相比

28、,对该工艺及其产品性能、成本、交付周期等进行综合评估,中国商飞,相关研究单位,合作,包括静强度疲劳损伤容限耐蚀性能，还包括机加性能表面处理无损检测等,包括毛坯制造成本零件机加工成本等,包括毛坯制造时间零件机加工时间等,钛合金粉末激光成型技术 应用前景分析,4 钛合金近净成型技术 在C919飞机上的应用前景分析,综合评估结果（与模锻工艺比较）,产品性能、成本、交付周期是否优于模锻件？,是,否,继续研究（优化加工工艺等）,批产是否稳定？,否,开展批次稳定性研究,是,选择飞机零件，开展后续工作（固化加工工艺；确定技术文件等）,5 主要工作内容,选 择 材 料 供 应 商（正在进行）,选 择 材 料（已完成）,1：发布C919飞机钛合金材料需求2：与意向供应商交流（持续进行）3：供应商质量体系考察（包括文件审核、现场考察等）4：供应商产品质量评价（包括产品性能试验、产品质量稳定性评价等）5：产品价格、交付周期等评估6：产品列人QPL,6 结 语,航空、航天等领域的快速发展，对钛合金性能、价格、交付周期等方面提出了更高要求,需 求 是 动 力,材料研究人员（开发新材料、新工艺、新设备等）,材料供应商（更新设备、改进工艺等）,良 性 循 环,有利于改善钛合金价格高、交付周期长等问题进一步拓展钛合金的应用范围和领域,大家的期望,Thank You,