钛合金材料及其新技术在C919飞机上的应用.ppt

1、中国商飞上海飞机设计研究院ShanghaiAircraftDesignandResearchInstituteCOAMC钛合金材料及其新技术钛合金材料及其新技术在在C919飞机上的应用飞机上的应用Application of Titanium Alloy and related new technology on C919 Aircraft主要内容u1 中国商飞简介中国商飞简介u2C919飞机概述及其机体结构选材原则、特点飞机概述及其机体结构选材原则、特点u3 C919飞机钛合金材料应用方案飞机钛合金材料应用方案u3.1低强高塑性纯钛u3.2中强中韧钛合金u3.3中强高韧钛合金u3.4高强高韧

2、钛合金u3.5其他钛合金u4 钛合金近净成型技术及其在钛合金近净成型技术及其在C919飞机上的应用前景分析飞机上的应用前景分析u5 主要工作内容主要工作内容u6 结语结语MainContentu1 IntroductionofCOMACu2MaterialselectionprincipleandfeaturesforC919Aircraftu3ApplicationsolutionsofTitaniumAlloyforC919Aircraftu3.1Lowstrength/highductilitytitaniumu3.2Moderatestrength/toughnessTitaniumA

3、lloyu3.3Moderatestrength/hightoughnessTitaniumAlloyu3.4Highstrength/toughnessTitaniumAlloyu3.5OtherTitaniumAlloyu4 NearnetshapetechnologyofTitaniumAlloyandanalysisofitsapplicationprospectonC919Aircraftu5 Majorworktasksu6 Peroration中国商用飞机有限责任公司成立（中国商用飞机有限责任公司成立（2008-5-11）Establishment of Commercial A

4、ircraft Corporation of China,LtdChinese Vice Premier Zhang Dejiang(L)and Shanghai Party Chief Yu Zhengsheng(R)unveil the plaque 张德江副德江副总理和理和俞正声正声书记为公司成立揭牌。公司成立揭牌。新成立的中国商新成立的中国商飞公司承担着中国民用公司承担着中国民用飞机研机研发的的历史使命史使命1 中中 国国 商商 飞飞 简简 介介注册资金注册资金190190亿人民币，总部上海亿人民币，总部上海Capitalized at 19 billion RMBheadquarte

5、red in Shanghai.中国商飞公司投资方中国商飞公司投资方/Shareholders of COMACSASAC 国务院国有资产监督管理委员会国务院国有资产监督管理委员会 上海国盛（集团）有限公司上海国盛（集团）有限公司 Shanghai GuoSheng Investment Group中国航空工业集团公司中国航空工业集团公司 COMAC中国商用飞机有限责任公司中国商用飞机有限责任公司 CHINALCO中国铝业公司中国铝业公司 宝钢集团有限公司宝钢集团有限公司 中国中化集团公司中国中化集团公司 SINOCHEMBAOSTEELAVIC1 中中 国国 商商 飞飞 简简 介介组织结构组

6、织结构 Organization ChartBoard of Shareholders 股股东会会Board of Directors董事会董事会President总经理理Vice Presidents副副总经理理(6)CFO总会会计师Development&Planning发展展规划部划部Airworthiness Management适航管理部适航管理部General Office办公公厅Marketing&Sales市市场营销部部HR 人力人力资源部源部Finance 财务部部Corp.Audit审计部部Program Management项目管理部目管理部Legal Affairs法律

7、部法律部Corp.Culture企企业文化部文化部Quality&Tech质量技量技术部部Supervision监察部察部International Cooperation&Supplier Management国国际合作与供合作与供应商管理部商管理部上海飞机设计研究院上海飞机设计研究院SADRI上海飞机制造有限公司上海飞机制造有限公司SAMC客户服务中心客户服务中心CS北京民用飞机技术研究中心北京民用飞机技术研究中心Beijing Tech.Research Center1 中中 国国 商商 飞飞 简简 介介目标：打造国际一流民用飞机公司，发展两种系列飞机目标：打造国际一流民用飞机公司，发展

8、两种系列飞机Target:World-class Commercial Aircraft CorporationTwo Series of Product:Trunkliner&Regional Jet研发中心研发中心（SADRI）Engineering Center总装制造中心总装制造中心F/A&Mfg.客户服务中心客户服务中心CS1 中中 国国 商商 飞飞 简简 介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

9、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/60000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。确保安全性确保安全性提高经济性提高经济性改善舒适性改善舒适性注重环保性注重环保性2C919飞机概述及其机体结构选材原则、特点C919飞机概述飞机概述主要技术指标主要技术指标(Specifications)9特征重量Weights(inkilogram)C919StandardRa

10、ngeC919ExtendedRange最大起飞重量MaximumTake-offWeight(MTOW)7250077300最大着陆重量MaximumLandingWeight(MLW)6660066600最大燃油重量MaximumFuelWeight(MFW)1956019560最大商载MaximumPassengerPayload(MPL)2050020500标准商载StandardPassengerPayload(SPP)1592015920使用空机重量OperationalEmptyWeight(OEW)4210042100中国商用飞机有限责任公司专有信息ProprietaryInf

11、ormationofCOMAC2C919飞机概述及其机体结构选材原则、特点C919飞机概述飞机概述总体布局总体布局(General 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ProprietaryInformationofCOMAC2C919飞机概述及其机体结构选材原则、特点C919飞机概述飞机概述三面图三面

12、图(3-View Diagram)1136.0838.5812.23中国商用飞机有限责任公司专有信息ProprietaryInformationofCOMAC2C919飞机概述及其机体结构选材原则、特点C919飞机概述飞机概述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，兼兼顾成熟性和先成熟性和先进性性；2.2 疲疲劳、损伤容限容限、耐耐蚀性性、可接受的成本成本（涵盖制造和使用维护阶段）以及实现结构整体化构整体化和轻量化量化的潜力，是材料选用的重要指标；2.3 注重形成核心供形成核心供应商商队伍伍，有利于提高管理效率提高管理效率、保保证供供货周期周期、降低

13、采降低采购成本成本。2C919飞机概述及其机体结构选材原则、特点机机 体体 选选 材材 原原 则则Q 先进铝合金与铝锂合金的应用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；Q 先进复合材料的扩大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。2C919飞机概述及其机体结构选材原则、特点机机 体体 选选 材材 特特 点点

14、2C919飞机概述及其机体结构选材原则、特点机机 体体 选选 材材 特特 点点复合材料复合材料 用量增加用量增加（C919飞机中央翼、后机身以及机翼活动面等）飞机中央翼、后机身以及机翼活动面等）约占机体结构重量约占机体结构重量15%钛合金用量大增钛合金用量大增与复合材料与复合材料相容性好相容性好重要连接接头（重要连接接头（复材零件复材零件之间、复材零件与其他零之间、复材零件与其他零件的连接件的连接）钛金属的特点C919飞机选用钛合金的主要特点飞机选用钛合金的主要特点Features of Titanium Alloy for C919 aircraft3C919飞机钛合金材料应用方案关键承力件

15、主要使用钛合金CriticalbearingpartsaremainlymadeofTitaniumAlloy钛合金用量达到10%，超过同级别B737/A320的水平（见表1）UsageamountofTitaniumAlloyreaches10%,whichisfarbeyondthelevelofB737&A320（SeeTable1）广泛使用新型钛合金及新型热处理工艺NewTitaniumAlloyandheattreatmentprocessarewidelyused表表1 钛合金在民机型号上用量一览钛合金在民机型号上用量一览型号研制年代研制年代钛合金占结构重量的百分比钛合金占结构重量

16、的百分比B73720世纪世纪604%A32020世纪世纪704.5%B77720世纪世纪907%A38021世纪初世纪初10%B78721世纪世纪1015%C91921世纪世纪10约约10%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3C919飞机钛合金材料应用方案成功商业化应用的传统钛合金传统钛合金：20-3020-30种种钛金属新材料钛金属新材料：钛钛-铝金属间化合物铝金属间化合物、钛基复材钛基复材等综合考虑钛合金的成熟性、成本、交付周期成熟性、成本、交付周期等C919飞机选择了6个个钛合金牌号包括低强高塑性、中强中韧、中强高韧、高强高韧低强高塑性、中强中韧、中强高韧、高强高韧及系

17、统用材产品形式涵盖了锻件锻件（投影面积（投影面积1.1，要求的棒材直径，要求的棒材直径450mm）、厚板厚板（4.76-80mm）、薄板、型材、管材、丝材、薄板、型材、管材、丝材等C919C919飞机钛合金选材方案见飞机钛合金选材方案见表表2 2 主要应用部位见主要应用部位见图图1 13C919飞机钛合金材料应用方案表表2 钛及钛合金在钛及钛合金在C919飞机上应用一览飞机上应用一览 类别类别材料牌号材料牌号制品制品材料规范材料规范使用状态使用状态主要应用部位主要应用部位低强高塑性CP-3板材AMS4902退火机身蒙皮中强中韧Ti-6Al-4V锻件CMS-Ti-203退火机身机翼吊挂承力接头板

18、材AMS4911退火机身蒙皮型材AMS4935退火机翼滑轨中强高韧Ti-6Al-4VELI锻件CMS-Ti-202退火机头中央翼窗框、接头厚板AMS4905框高强高韧Ti-55531锻件CMS-Ti-301退火吊挂接头固溶时效机翼接头其他Ti-3Al-2.5V管材AMS4945退火液压燃油高压管路系统Ti-38644丝材AMS4957固溶弹簧3C919飞机钛合金材料应用方案Table 2 Application of Titanium and Titanium Alloy on C919 AircraftTypeAlloyProductSpecificationConditionParts o

19、f ApplicationLowstrengthandhighductilityCP-3PlateAMS4902AnnealedSkinModeratestrengthandtoughnessTi-6Al-4VForgingCMS-Ti-203AnnealedFuselage/wing/pylon/joinPlateAMS4911AnnealedSkinExtrusionAMS4935AnnealedTrackofwingModeratestrengthandhightoughnessTi-6Al-4VELIForgingCMS-Ti-202AnnealedNose/centralwing/w

20、indowframe/jointPlateAMS4905FrameHighstrengthandhightoughnessTi-55531ForgingCMS-Ti-301AnnealedPylon/jointSTAWing/jointOthersTi-3Al-2.5VTubeAMS4945AnnealedHydraulic/fuelhighpressuretubeTi-38644WireAMS4957SolutionSpring3Application solutions of Titanium Alloy for C919 Aircraft图：图：飞机钛合金主要应用部位及制品形式飞机钛合金

21、主要应用部位及制品形式3C919飞机钛合金材料应用方案3C919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规范：AMS4902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3Application solutions of Titanium Alloy for C919 Aircraft3.1lowstrength/highductilityTitaniumSelectedAlloy:CP-3Specification：AMS4902AnnealedProduct：PlateApplication：Skin,etcOx

22、ygendissolvedinthetitaniumlatticewhichusedtoenhancethestrengthofpuretitanium,hightoughnessandexcellentweldingperformanceCharacteristic3C919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（大规格棒

23、材（508mm508mm）力学性能、超声波探伤、低倍组织提出了具体的指标主要应用尾翼接头机翼滑轨3Application solutions of Titanium Alloy for C919 Aircraft3.2：Moderatestrength/toughnessTitaniumAlloyExcellentcomprehensivepropertiesMostdeeplyresearchedThemaximumusageamountinaerospacefieldCharacteristicSelectedAlloy：Ti-6Al-4VSpecification：AMS4911；CMS

24、Ti-203；AMS4935AnnealedProduct：Plate,forging,extrusionApplication：Fuselage,wing,pylon,jointMaterial 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 macrostructure3C919飞机钛合金材料应用方案3.3：中强高韧

25、钛合金ELI(Extra Low Interstitial 低间隙元素低间隙元素)，可提高低温性能，可提高低温性能退火：退火：获得获得层片状层片状显微组织，显微组织，可可提高断裂韧性提高断裂韧性，降低裂纹扩展速率降低裂纹扩展速率 即即提高材料损伤容限性能提高材料损伤容限性能特点选用牌号：Ti-6Al-4VELI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：Moderatestrength/hightoughnessTitaniumAll

26、oyELI(ExtraLowInterstitial)canenhancethelowtemperatureperformanceofTitaniumAlloyannealed：GetlamellarmicrostructureEnhancefracturetoughnessReducecrackpropagationImprovedamagetolerancepropertiesCharacteristicSelectedAlloy：Ti-6Al-4VELISpecification：AMS4905,CMS-Ti-202,annealedProduct：Plate,forgingApplic

27、ation：Nose,jointofcentralwingMaterialspecificationofCOMACforTitaniumELIbarsandforgings,addedspecificrequirementformechanicalproperties,ultrasonicflawdetectionaswellasmacrostructureandmicrostructure3Application solutions of Titanium Alloy for C919 Aircraft3C919飞机钛合金材料应用方案3.4：高强高韧钛合金固溶时效固溶时效：强度高，抗拉强度达

28、到1240MPa1240MPa 退火退火：抗拉强度可达到1080MPa1080MPa 断裂韧性好，达到65MPa65MPam m1/21/2特点选用牌号：Ti-55531规范：CMS-Ti-301固溶时效固溶时效 和和 退火态退火态制品形式：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3C919飞机钛合金材料应用方案3.4：Highstrength/toughnessTitaniumAlloySTASTA：High strength come up to 1240MPa1240MPa（UTSUTS）annealeda

29、nnealed：UTS reached to 1080MPa1080MPa Excellent fracture toughness as high as 65MPa65MPam m1/21/2CharacteristicSelectedAlloy：Ti-55531Specification：CMS-Ti-301STA andSTA and annealedannealedProduct：ForgingApplication：Pylon,jointofwingMaterialspecificationofCOMACforTi-55531barsandforgings,addedspecific

30、requirementformechanicalproperties,ultrasonicflawdetectionaswellasmacrostructureandmicrostructure3Application solutions of Titanium Alloy for C919 Aircraft3C919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控制轧制过程中的道次变形量道次变形量对管材的对管材的CSR有严格要求有严格要求可提高管材可提高管材疲劳性能疲劳性能特点选用牌号：Ti-3Al-2.5V规范：AMS4945去应力退火去应力退火制品形式：无缝管材应用部位：液压、

31、燃油系统弹性模量弹性模量较低较低（该合金为（该合金为102GPa，Ti-6Al-4V为为112GPa）适合制造适合制造弹性元件弹性元件特点牌号：Ti-38644规范：AMS4957固溶固溶制品形式：丝材应用部位：弹簧3C919飞机钛合金材料应用方案3.5：OtherTitaniumAlloyOperate the pass deformation ofrolling processStrict requirement on CSR of tubeImprove the fatigue propertiesCharacteristicSelectedAlloy：Ti-3Al-2.5VSpecif

32、ication：AMS4945Stress relief annealedStress relief annealedProduct：SeamlesstubeApplication：Hydraulic/fuelsystemLow elastic modulus(102GPa compared with 112GPa of Ti-6Al-4V)Suitable for producing flexible partsCharacteristicAlloy：Ti-38644Specification：AMS4957 Solution treated Solution treatedProduct：

33、WireApplication：Spring3Application solutions of Titanium Alloy for C919 Aircraft4钛合金近净成型技术在C919飞机上的应用前景分析 钛合金热导率低钛合金热导率低15.24W/(mK)机加工产生的热量机加工产生的热量不易散失不易散失引起引起刀具温度升高刀具温度升高粘刀，刀具磨损严重粘刀，刀具磨损严重导致导致零件加工效率低零件加工效率低交付周期较长、成本较高交付周期较长、成本较高要求要求减少零件机加量减少零件机加量出现了出现了近净成型技术近净成型技术近净成型工艺包括：等温锻造等温锻造（固态成型）熔模精密铸造熔模精密铸造

34、液态成型）粉末激光成型，如粉末激光成型，如图图所示所示近净成型技近净成型技术术为什么会为什么会出现？出现？传统传统模锻模锻工艺流程工艺流程及特点如及特点如图图所示所示传统成型技术：传统成型技术：模锻成型及其不足模锻成型及其不足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 钛合金粉末激光成型技术钛合金粉末激光成型技术 原理原理是一种基于“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，

35、获得所需零件外形。加工过程如图所示。据文献报道，钛合金粉据文献报道，钛合金粉末激光成型工艺制备的末激光成型工艺制备的产品，其力学性能产品，其力学性能达到达到或超过或超过锻件水平锻件水平图：钛合金粉末激光成型工艺图示图：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钛合金粉末激光成型技术 特点特点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边加工余量1-3mm，模锻件通常为8-10mm）5：零件机加工过程变

36、形较小比较对象：模锻成型工艺钛合金粉末激光成型技术钛合金粉末激光成型技术 适用范围适用范围 特别适用于制造大型、曲面复杂、装配要求高大型、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钛合金粉末激光成型技术 应用前景分析应用前景分析 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，该技术从目前国内外披露的信息分析，该技

37、术尚未应用于民机领域尚未应用于民机领域具有独特的技术优势具有独特的技术优势，应用前景广阔应用前景广阔与传统模锻件相比与传统模锻件相比对该工艺及其对该工艺及其产品性能、成本、交付周期产品性能、成本、交付周期等进行等进行综合评估综合评估 中国商飞中国商飞相关研究单位相关研究单位合作合作包括静强度静强度疲劳疲劳损伤容限损伤容限耐蚀性能，耐蚀性能，还包括机加性能机加性能表面表面处理处理无损检测无损检测等包括毛坯制造成本毛坯制造成本零件机加工成本零件机加工成本等包括毛坯制造时间毛坯制造时间零件机加工时间零件机加工时间等钛合金粉末激光成型技术钛合金粉末激光成型技术 应用前景分析应用前景分析 4钛合金近净成

38、型技术在C919飞机上的应用前景分析 综合评估结果综合评估结果（与模锻工艺比较）（与模锻工艺比较）产品性能、成本、交付周期产品性能、成本、交付周期是否优于模锻件？是否优于模锻件？是是否否继续研究继续研究（优化加工工艺等）（优化加工工艺等）批产是否稳定？批产是否稳定？否否开展批次稳定性研究开展批次稳定性研究是是选择飞机零件，开展后续工作选择飞机零件，开展后续工作（固化加工工艺；确定技术文件等）（固化加工工艺；确定技术文件等）5 主要工作内容选选 择择 材材 料料 供供 应应 商商（正在进行）（正在进行）选选 择择 材材 料料（已完成）（已完成）1：发布C919飞机钛合金材料需求2：与意向供应商交

39、流（持续进行）（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）（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）（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QPL6 结语航空、航天等领域的快速发展，对航空、航天等领域的快速发展，对钛合金钛合金性能、价格、交付周期性能、价格、交付周期等方面提出了更高要求等方面提出了更高要求需需 求求 是是 动动 力力材料研究人员材料研究人员（开发新材料、新工艺、新设备等）材料供应商材料供应商（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