鈦合金材料及其新技術(shù)在C919飛機(jī)上的應(yīng)用

中國商飛上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院ShanghaiAircraftDesignandResearchInstituteCOAMC鈦合金材料及其新技術(shù)在C919飛機(jī)上的應(yīng)用ApplicationofTitaniumAlloyandrelatednewtechnologyonC919Aircraft主要內(nèi)容1中國商飛簡介

2C919飛機(jī)概述及其機(jī)體結(jié)構(gòu)選材原則、特點(diǎn)

3C919飛機(jī)鈦合金材料應(yīng)用方案

3.1低強(qiáng)高塑性純鈦

3.2中強(qiáng)中韌鈦合金

3.3中強(qiáng)高韌鈦合金

3.4高強(qiáng)高韌鈦合金

3.5其他鈦合金4鈦合金近凈成型技術(shù)及其在C919飛機(jī)上的應(yīng)用前景分析5主要工作內(nèi)容6結(jié)語

MainContent1IntroductionofCOMAC2MaterialselectionprincipleandfeaturesforC919Aircraft3ApplicationsolutionsofTitaniumAlloyforC919Aircraft3.1Lowstrength/highductilitytitanium3.2Moderatestrength/toughnessTitaniumAlloy3.3Moderatestrength/hightoughnessTitaniumAlloy3.4Highstrength/toughnessTitaniumAlloy3.5OtherTitaniumAlloy4Near

netshapetechnologyofTitaniumAlloyandanalysisofitsapplicationprospectonC919Aircraft5Majorworktasks6Peroration

中國商用飛機(jī)有限責(zé)任公司成立（2008-5-11）

EstablishmentofCommercialAircraftCorporationofChina,LtdChineseVicePremierZhangDejiang(L)andShanghaiPartyChiefYuZhengsheng(R)unveiltheplaque張德江副總理和俞正聲書記為公司成立揭牌。新成立的中國商飛公司承擔(dān)著中國民用飛機(jī)研發(fā)的歷史使命1中國商飛簡介

注冊資金190億人民幣，總部上海Capitalizedat19billionRMBheadquarteredinShanghai.中國商飛公司投資方/ShareholdersofCOMACSASAC國務(wù)院國有資產(chǎn)監(jiān)督管理委員會上海國盛（集團(tuán)）有限公司

ShanghaiGuoShengInvestmentGroup中國航空工業(yè)集團(tuán)公司

COMAC中國商用飛機(jī)有限責(zé)任公司

CHINALCO中國鋁業(yè)公司

寶鋼集團(tuán)有限公司

中國中化集團(tuán)公司

SINOCHEMBAOSTEELAVIC1中國商飛簡介

組織結(jié)構(gòu)OrganizationChartBoardofShareholders股東會BoardofDirectors董事會President總經(jīng)理VicePresidents副總經(jīng)理(6)CFO總會計(jì)師Development&Planning發(fā)展規(guī)劃部AirworthinessManagement適航管理部GeneralOffice辦公廳Marketing&Sales市場營銷部HR

人力資源部Finance

財(cái)務(wù)部Corp.Audit審計(jì)部ProgramManagement項(xiàng)目管理部LegalAffairs法律部Corp.Culture企業(yè)文化部Quality&Tech質(zhì)量技術(shù)部Supervision監(jiān)察部InternationalCooperation&SupplierManagement國際合作與供應(yīng)商管理部上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院SADRI上海飛機(jī)制造有限公司SAMC客戶服務(wù)中心CS北京民用飛機(jī)技術(shù)研究中心BeijingTech.ResearchCenter1中國商飛簡介

目標(biāo)：打造國際一流民用飛機(jī)公司，發(fā)展兩種系列飛機(jī)Target:World-classCommercialAircraftCorporationTwoSeriesofProduct:Trunkliner&RegionalJet

研發(fā)中心（SADRI）EngineeringCenter總裝制造中心F/A&Mfg.客戶服務(wù)中心CS1中國商飛簡介

滿足申請之日有效的中國民用航空局（CAAC）相關(guān)適航要求，同時滿足美國聯(lián)邦航空局（FAA）、歐洲航空安全局（EASA）適航要求以確保安全性；通過采用先進(jìn)的結(jié)構(gòu)形式、先進(jìn)材料體系和制造工藝，減輕飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量，每座結(jié)構(gòu)空重應(yīng)較目前運(yùn)營中的同級別飛機(jī)低1%-2%，經(jīng)濟(jì)服務(wù)壽命不低于90000飛行小時/60000飛行循環(huán)/30日歷年；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用先進(jìn)的隔聲/吸聲材料及結(jié)構(gòu)形式降低艙內(nèi)噪聲，客艙內(nèi)噪聲值在巡航狀態(tài)下平均不高于75dBA；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足強(qiáng)度與剛度要求、耐久性與損傷容限、可靠性、維修性、工藝性和低成本等要求，機(jī)體結(jié)構(gòu)具有良好的抗腐蝕品質(zhì)。確保安全性提高經(jīng)濟(jì)性改善舒適性注重環(huán)保性2C919飛機(jī)概述及其機(jī)體結(jié)構(gòu)選材原則、特點(diǎn)C919飛機(jī)概述主要技術(shù)指標(biāo)(Specifications)9特征重量Weights(inkilogram)C919StandardRangeC919ExtendedRange最大起飛重量MaximumTake-offWeight(MTOW)7250077300最大著陸重量MaximumLandingWeight(MLW)6660066600最大燃油重量MaximumFuelWeight(MFW)1956019560最大商載MaximumPassengerPayload(MPL)2050020500標(biāo)準(zhǔn)商載StandardPassengerPayload(SPP)1592015920使用空機(jī)重量OperationalEmptyWeight(OEW)4210042100中國商用飛機(jī)有限責(zé)任公司專有信息ProprietaryInformationofCOMAC2C919飛機(jī)概述及其機(jī)體結(jié)構(gòu)選材原則、特點(diǎn)C919飛機(jī)概述總體布局(GeneralConfiguration)10翼吊渦扇發(fā)動機(jī)Wing-mountedturbofanengines常規(guī)型尾翼Conventionalempennage前三點(diǎn)可收放起落架Retractabletricyclegear超臨界后掠下單翼Super-criticallowsweptwing中國商用飛機(jī)有限責(zé)任公司專有信息ProprietaryInformationofCOMAC2C919飛機(jī)概述及其機(jī)體結(jié)構(gòu)選材原則、特點(diǎn)C919飛機(jī)概述三面圖(3-ViewDiagram)1136.0838.5812.23中國商用飛機(jī)有限責(zé)任公司專有信息ProprietaryInformationofCOMAC2C919飛機(jī)概述及其機(jī)體結(jié)構(gòu)選材原則、特點(diǎn)C919飛機(jī)概述2.1滿足飛機(jī)不同部位的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則要求，主干材料體系基于當(dāng)前先進(jìn)客機(jī)使用的主流產(chǎn)品，兼顧成熟性和先進(jìn)性；2.2疲勞、損傷容限、耐蝕性、可接受的成本（涵蓋制造和使用維護(hù)階段）以及實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)整體化和輕量化的潛力，是材料選用的重要指標(biāo)；2.3注重形成核心供應(yīng)商隊(duì)伍，有利于提高管理效率、保證供貨周期、降低采購成本。2C919飛機(jī)概述及其機(jī)體結(jié)構(gòu)選材原則、特點(diǎn)機(jī)體選材原則

先進(jìn)鋁合金與鋁鋰合金的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)鋁鋰合金在地板梁、機(jī)身蒙皮、長桁上的應(yīng)用，使用量約占結(jié)構(gòu)重量的15％，預(yù)期實(shí)現(xiàn)減重5－10％；實(shí)現(xiàn)高淬透型7085鋁合金在主起落架支撐梁、機(jī)身加強(qiáng)框和機(jī)翼后梁內(nèi)段上的應(yīng)用；

先進(jìn)復(fù)合材料的擴(kuò)大應(yīng)用新部件：尾翼（平尾、垂尾、升降舵）、中央翼、機(jī)翼活動面、后壓力框、尾錐、后機(jī)身，用量將達(dá)到14％以上；大量使用T800級碳纖維復(fù)合材料，用量占10％以上。2C919飛機(jī)概述及其機(jī)體結(jié)構(gòu)選材原則、特點(diǎn)機(jī)體選材特點(diǎn)2C919飛機(jī)概述及其機(jī)體結(jié)構(gòu)選材原則、特點(diǎn)機(jī)體選材特點(diǎn)復(fù)合材料用量增加（C919飛機(jī)中央翼、后機(jī)身以及機(jī)翼活動面等）約占機(jī)體結(jié)構(gòu)重量15%鈦合金用量大增與復(fù)合材料相容性好重要連接接頭（復(fù)材零件之間、復(fù)材零件與其他零件的連接）鈦金屬的特點(diǎn)C919飛機(jī)選用鈦合金的主要特點(diǎn)

FeaturesofTitaniumAlloyforC919aircraft3C919飛機(jī)鈦合金材料應(yīng)用方案關(guān)鍵承力件主要使用鈦合金Critical

bearingpartsaremainlymadeofTitaniumAlloy鈦合金用量達(dá)到10%，超過同級別B737/A320的水平（見表1）

UsageamountofTitaniumAlloyreaches10%,whichisfarbeyondthelevelofB737&A320（SeeTable1）廣泛使用新型鈦合金及新型熱處理工藝NewTitaniumAlloyandheattreatmentprocessarewidelyused表1鈦合金在民機(jī)型號上用量一覽型號研制年代鈦合金占結(jié)構(gòu)重量的百分比B73720世紀(jì)60’4%A32020世紀(jì)70’4.5%B77720世紀(jì)90’7%A38021世紀(jì)初10%B78721世紀(jì)10‘15%C91921世紀(jì)10’約10%從表1可以看出，鈦合金占民機(jī)結(jié)構(gòu)重量的百分比越來越大3C919飛機(jī)鈦合金材料應(yīng)用方案成功商業(yè)化應(yīng)用的傳統(tǒng)鈦合金：20-30種鈦金屬新材料：鈦-鋁金屬間化合物、鈦基復(fù)材等綜合考慮鈦合金的成熟性、成本、交付周期等C919飛機(jī)選擇了6個鈦合金牌號包括低強(qiáng)高塑性、中強(qiáng)中韌、中強(qiáng)高韌、高強(qiáng)高韌及系統(tǒng)用材產(chǎn)品形式涵蓋了鍛件（投影面積≤1.1㎡，要求的棒材直徑≤

450mm）、厚板（4.76-80mm）、薄板、型材、管材、絲材等

C919飛機(jī)鈦合金選材方案見表2

主要應(yīng)用部位見圖13C919飛機(jī)鈦合金材料應(yīng)用方案表2鈦及鈦合金在C919飛機(jī)上應(yīng)用一覽

類別材料牌號制品材料規(guī)范使用狀態(tài)主要應(yīng)用部位低強(qiáng)高塑性CP-3板材AMS4902退火機(jī)身蒙皮中強(qiáng)中韌Ti-6Al-4V鍛件CMS-Ti-203退火機(jī)身\機(jī)翼\吊掛承力接頭板材AMS4911退火機(jī)身蒙皮型材AMS4935退火機(jī)翼滑軌中強(qiáng)高韌Ti-6Al-4VELI鍛件CMS-Ti-202β退火機(jī)頭\中央翼窗框、接頭厚板AMS4905框高強(qiáng)高韌Ti-55531鍛件CMS-Ti-301β退火吊掛接頭固溶時效機(jī)翼接頭其他Ti-3Al-2.5V管材AMS4945退火液壓\燃油高壓管路系統(tǒng)Ti-38644絲材AMS4957固溶彈簧3C919飛機(jī)鈦合金材料應(yīng)用方案Table2ApplicationofTitaniumandTitaniumAlloyonC919AircraftTypeAlloyProductSpecificationConditionPartsofApplicationLowstrengthandhighductilityCP-3PlateAMS4902AnnealedSkinModeratestrengthandtoughnessTi-6Al-4VForgingCMS-Ti-203AnnealedFuselage/wing/pylon/joinPlateAMS4911AnnealedSkinExtrusionAMS4935AnnealedTrackofwingModeratestrengthandhightoughnessTi-6Al-4VELIForgingCMS-Ti-202βAnnealedNose/centralwing/windowframe/jointPlateAMS4905FrameHighstrengthandhightoughnessTi-55531ForgingCMS-Ti-301βAnnealedPylon/jointSTAWing/jointOthersTi-3Al-2.5VTubeAMS4945AnnealedHydraulic/fuelhighpressuretubeTi-38644WireAMS4957SolutionSpring3ApplicationsolutionsofTitaniumAlloyforC919Aircraft圖１：Ｃ９１９飛機(jī)鈦合金主要應(yīng)用部位及制品形式3C919飛機(jī)鈦合金材料應(yīng)用方案3C919飛機(jī)鈦合金材料應(yīng)用方案3.1：低強(qiáng)高塑性純鈦選用牌號：CP-3規(guī)范：AMS4902普通退火制品形式：板材應(yīng)用部位：機(jī)身蒙皮等氧元素固溶于純鈦晶格，可提高純鈦強(qiáng)度塑性好、焊接性能優(yōu)良特點(diǎn)3ApplicationsolutionsofTitaniumAlloyforC919Aircraft3.1lowstrength/highductilityTitaniumSelectedAlloy:CP-3Specification：AMS4902AnnealedProduct：PlateApplication：Skin,etcOxygen

dissolvedinthe

titanium

latticewhichusedtoenhancethestrengthofpuretitanium,hightoughnessandexcellentweldingperformanceCharacteristic3C919飛機(jī)鈦合金材料應(yīng)用方案3.2：中強(qiáng)中韌鈦合金綜合力學(xué)性能優(yōu)異研究最充分航空航天領(lǐng)域用量最大特點(diǎn)選用牌號：Ti-6Al-4V規(guī)范：AMS4911；CMS-Ti-203；AMS4935普通退火制品形式：板材；鍛件；型材應(yīng)用部位：機(jī)身、機(jī)翼、吊掛接頭中國商飛材料規(guī)范對棒材、鍛件有效以AMS4928為基礎(chǔ)對大規(guī)格棒材（≤508mm）力學(xué)性能、超聲波探傷、低倍組織提出了具體的指標(biāo)

主要應(yīng)用尾翼接頭機(jī)翼滑軌3ApplicationsolutionsofTitaniumAlloyforC919Aircraft3.2：Moderatestrength/toughnessTitaniumAlloyExcellentcomprehensivepropertiesMostdeeplyresearchedThemaximum

usageamountinaerospacefieldCharacteristicSelectedAlloy：Ti-6Al-4VSpecification：AMS4911；CMS-Ti-203；AMS4935AnnealedProduct：Plate,forging,extrusionApplication：Fuselage,wing,pylon,jointMaterialspecificationofCOMACforTi-6Al-4Vbarsandforgings,basedonAMS4928,addedspecificrequirementformechanicalproperties,ultrasonicflawdetectionaswellasmacrostructure3C919飛機(jī)鈦合金材料應(yīng)用方案3.3：中強(qiáng)高韌鈦合金ELI(ExtraLowInterstitial低間隙元素)，可提高低溫性能β退火：獲得層片狀顯微組織，可提高斷裂韌性，降低裂紋擴(kuò)展速率即提高材料損傷容限性能特點(diǎn)選用牌號：Ti-6Al-4VELI規(guī)范：AMS4905；CMS-Ti-202；β退火制品形式：厚板；鍛件應(yīng)用部位：機(jī)頭、中央翼接頭中國商飛材料規(guī)范對鍛件有效對鍛件力學(xué)性能；超聲波探傷；高、低倍組織提出了具體的指標(biāo)

主要應(yīng)用中央翼緣條3.3：Moderatestrength/hightoughnessTitaniumAlloyELI(ExtraLowInterstitial)canenhancethelowtemperatureperformanceofTitaniumAlloyβannealed：GetlamellarmicrostructureEnhancefracturetoughnessReducecrackpropagationImprovedamagetolerancepropertiesCharacteristicSelectedAlloy：Ti-6Al-4VELISpecification：AMS4905,CMS-Ti-202,βannealedProduct：Plate,forgingApplication：Nose,jointofcentralwingMaterialspecificationofCOMACforTitaniumELIbarsandforgings,addedspecificrequirementformechanicalproperties,ultrasonicflawdetectionaswellasmacrostructureandmicrostructure3ApplicationsolutionsofTitaniumAlloyforC919Aircraft3C919飛機(jī)鈦合金材料應(yīng)用方案3.4：高強(qiáng)高韌鈦合金固溶時效：強(qiáng)度高，抗拉強(qiáng)度達(dá)到1240MPaβ

退火：抗拉強(qiáng)度可達(dá)到1080MPa

斷裂韌性好，達(dá)到65MPa·m1/2特點(diǎn)選用牌號：Ti-55531規(guī)范：CMS-Ti-301固溶時效和

β退火態(tài)制品形式：鍛件應(yīng)用部位：吊掛、機(jī)翼接頭中國商飛材料規(guī)范對棒材、鍛件有效對力學(xué)性能；超聲波探傷；高、低倍組織提出了具體的指標(biāo)

3C919飛機(jī)鈦合金材料應(yīng)用方案3.4：Highstrength/toughnessTitaniumAlloySTA：Highstrengthcomeupto1240MPa（UTS）βannealed：UTSreachedto1080MPa

Excellentfracturetoughnessashighas65MPa·m1/2CharacteristicSelectedAlloy：Ti-55531Specification：CMS-Ti-301STAand

βannealedProduct：ForgingApplication：Pylon,jointofwingMaterialspecificationofCOMACforTi-55531barsandforgings,addedspecificrequirementformechanicalproperties,ultrasonicflawdetectionaswellasmacrostructureandmicrostructure3ApplicationsolutionsofTitaniumAlloyforC919Aircraft3C919飛機(jī)鈦合金材料應(yīng)用方案3.5：其他鈦合金控制軋制過程中的道次變形量對管材的CSR有嚴(yán)格要求可提高管材疲勞性能特點(diǎn)選用牌號：Ti-3Al-2.5V規(guī)范：AMS4945去應(yīng)力退火制品形式：無縫管材應(yīng)用部位：液壓、燃油系統(tǒng)彈性模量較低（該合金為102GPa，Ti-6Al-4V為112GPa）適合制造彈性元件特點(diǎn)牌號：Ti-38644規(guī)范：AMS4957固溶制品形式：絲材應(yīng)用部位：彈簧3C919飛機(jī)鈦合金材料應(yīng)用方案3.5：OtherTitaniumAlloyOperatethepassdeformationofrollingprocessStrictrequirementonCSRoftubeImprovethefatiguepropertiesCharacteristicSelectedAlloy：Ti-3Al-2.5VSpecification：AMS4945

StressreliefannealedProduct：SeamlesstubeApplication：Hydraulic/fuelsystemLowelasticmodulus(102GPacomparedwith112GPaofTi-6Al-4V)SuitableforproducingflexiblepartsCharacteristicAlloy：Ti-38644Specification：AMS4957SolutiontreatedProduct：WireApplication：Spring3ApplicationsolutionsofTitaniumAlloyforC919Aircraft4鈦合金近凈成型技術(shù)

在C919飛機(jī)上的應(yīng)用前景分析

鈦合金熱導(dǎo)率低15.24W/(m·K)機(jī)加工產(chǎn)生的熱量不易散失

引起刀具溫度升高粘刀，刀具磨損嚴(yán)重

導(dǎo)致零件加工效率低交付周期較長、成本較高要求減少零件機(jī)加量出現(xiàn)了近凈成型技術(shù)近凈成型工藝包括：等溫鍛造（固態(tài)成型）熔模精密鑄造（液態(tài)成型）粉末激光成型，如圖３所示近凈成型技術(shù)為什么會出現(xiàn)？？？傳統(tǒng)模鍛工藝流程及特點(diǎn)如圖２所示傳統(tǒng)成型技術(shù)：模鍛成型及其不足4鈦合金近凈成型技術(shù)

在C919飛機(jī)上的應(yīng)用前景分析

周期較長成本較高圖２：模鍛成型流程4鈦合金近凈成型技術(shù)

在C919飛機(jī)上的應(yīng)用前景分析

鈦合金粉末激光成型技術(shù)

原理是一種基于“高功率激光熔覆”＋“快速原型制造”技術(shù)

采用高能激光束熔化鈦合金粉末，熔化的鈦合金粉末以微小液滴的形式在基材上凝固，通過計(jì)算機(jī)控制的激光頭往復(fù)運(yùn)動，逐層堆積，獲得所需零件外形。加工過程如圖３所示。

據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，鈦合金粉末激光成型工藝制備的產(chǎn)品，其力學(xué)性能達(dá)到或超過鍛件水平圖３：鈦合金粉末激光成型工藝圖示4鈦合金近凈成型技術(shù)

在C919飛機(jī)上的應(yīng)用前景分析

鈦合金粉末激光成型技術(shù)