[發明專利]用于飛機機身的高韌度的鋁－銅－鋰合金板材

無效

• 申請號: 200680019898.0
• 申請日: 2006-06-02
• 公開（公告）號: CN101189353A
• 公開（公告）日: 2008-05-28
• 發明（設計）人: B·貝斯;H·賴比斯;C·希格里;T·華納
• 申請（專利權）人: 愛爾康何納呂公司
• 主分類號: C22C21/12
• 分類號: C22C21/12;C22F1/057
• 代理公司: 北京北翔知識產權代理有限公司
• 代理人: 鐘守期;張廣育

技術領域

本發明總體而言涉及鋁合金產品，特別是涉及適用于航空航天工業和適用于在飛機機身中應用的產品。

背景技術

在目前民用航空工業中，特別是應用于飛機機身時，迫切需要減少重量和成本。取決于運行的階段(起飛、飛行、控制、著陸...)以及環境條件(陣風，逆風...)，商業運輸中的飛機機身受到復雜的應力組合。此外，飛機機身的不同部分受到不同的應力。盡管存在這些復雜情況，但也可區分出一些決定結構重量的主要設計準則，某些準則對于總重而言比其它準則具有更大的影響。

例如，由于最重的飛機機身壁板經受這種類型的應力，因此抗壓強度和抗剪強度是極其重要的設計準則。為令新型材料能夠減少這些受壓的壁板的重量，所述材料應該具有高彈性模數、高至0.2％的彈性限度(屈服強度)(用于抗彎曲)和低密度。

第二個主要準則是縱向開裂(沿飛機機身軸線)壁板的殘余阻力。航空許可規則規定需在設計中考慮對損害的耐受能力，因此通常會考慮飛機機身壁板中大的縱向或圓周裂紋，以證明可以施加一定水平的應力而不會出現災難性的斷裂。此處決定所述設計的一種已知的材料性能是在平面應力下的韌度。然而臨界應力強度的所有已知因素對于韌度所給出的描述都是有限的。曲線R試驗是一種用于描述韌度性能的廣為人知的方法。曲線R表示：在單一應力下，隨著有效的裂紋延伸，裂紋擴展的臨界有效應力強度因子的變化。它使得對于與裂開的飛機器結構直接有關的所有形狀能夠測定不穩定斷裂的臨界載荷。有效應力強度因子和有效裂紋延伸因子的數值是根據標準ASTM?E561定義的數值。曲線R的長度-即曲線的最大裂紋延伸-對于飛機機身的設計是一個本身重要的參數。對于具有中心裂紋的壁板的試驗進行常用的經典分析，這種分析給出了一個表觀斷裂應力強度因子(k_app)。此數值不隨曲線R的長度顯著變化，特別是當曲線R的斜率接近于與施加在裂紋長度上應力的強度因子相關的曲線(施加應力曲線)的斜率時更是如此。然而，在一個實際結構元件的結構——例如一個包括固定的加強肋的壁板——中，當一個裂紋延伸到一個未折斷的加強肋之下時，由于加強肋的搭橋作用施加應力曲線下降。在這種情況下，對于比初始裂紋長度和在單一載荷下的裂紋延伸的總和更大的裂紋長度，可出現施加應力曲線的局部最小值。在這種情況下，對于長曲線R，在不穩定斷裂之前允許更大應力。于是，如同已采用經典方法確定的一樣，與相同的臨界應力強度因子一樣，具有一個更長的曲線R，這是有利的。

對于具有相同機械性能的產品，低密度對于結構元件的重量顯然更有益。第三個主要準則因此是材料的密度。此外，飛機機身各主要部件承受的負載強度不同，設計的重量受到通常稱為“最小厚度”的極限的限制。最小厚度的概念對應于可用于制造(特別是壁板的操作)和修補(修補的鉚接)的最小厚度。在此情況下減少重量的唯一方式是使用更小密度的材料。

其它的重要準則是下列條件下的疲勞裂紋擴展：在恒定幅度的應力下，或者在可變幅度的應力之下(由于操作和狂風，特別是在縱向上，但是同時圍繞翼片，在任何方向上)。

目前，民用飛機機身的主要部件由合金2024、2056、2524、6013、6156或7475合金制成的板材構成，每個表面上均以含有很少合金元素的鋁合金——例如合金1050或1070——鍍層。覆層合金的目的是提供足夠的耐腐蝕性。容許輕微的、大范圍的或孔腐蝕，但是腐蝕不應穿透以便不能侵蝕內部的合金。一種趨勢是嘗試使用一些未鍍層的材料用于飛機機身設計，以便減少成本。因此，飛機機身壁板的抗腐蝕性，特別是抗晶間腐蝕性和抗應力腐蝕性，是其性能的重要方面。

如上所述，在某些情況下，減少重量的唯一方法是減少用于飛機結構所使用的材料的密度。鋁-鋰合金因其低密度作為用于減少重量的有效解決方法，長久以來以廣為人知。然而，如上所述的不同需要——高彈性模數、高抗壓強度、高損傷容限以及高抗腐蝕性——由現有技術的鋁-鋰合金未能同時滿足。用這些合金獲得高韌度在特定范圍內已顯示是一個難以解決的問題。例如，普拉撒(Prasad)等人最近證實(Sadhana，第28卷，第1&2部分，2003年2月/4月，第209-246頁)：“Al-Li合金是用于替代傳統使用的鋁合金的第一級別的候選材料。盡管Al-Li合金具有許多有利性能，但是特別是在橫過厚度的方向上的低拉伸韌性和不足的韌度不利于它們為人們接受”。目前，Al-Li合金限于非常特殊的軍事應用，例如在某些直升機部件和一些軍用飛機機身的構件中，用作航空應用中的高耐高溫性的材料、具有改進的低溫韌度的材料。