直升机机体材料的应用与发展王遇波

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1、第二十八届（2012）全国直升机年会论文直升机机体材料的应用与发展王遇波1姜潇英1郝文尧2（1.陆军航空兵学院机械工程系，北京，101123；2.77120部队，成都，610081）摘要：直升机虽然不像飞机那样飞得高、飞得快，但也受其特殊环境和使用条件的制约，对材料提出了严格的要求。本文主要介绍了直升机机体常用的材料，即轻合金与复合材料，介绍了它们的基本特点、应用及发展方向，最后简单介绍了两种功能材料在直升机上的应用及发展趋势。关键词：直升机机体;轻合金;复合材料;功能材料;应用;发展1引言新材料的应用是

2、飞行器性能提高、更新换代的重要标志之一，正所谓一代材料一代飞行器。直升机的发展历程也是如此，每次新材料的推出都引领着直升机的更新换代。伴随着直升机的更新换代，直升机机体材料的发展应用特点如下：早期直升机机体采用木、布结构，随后出现了铝合金和钢的机体材料，再后在机体材料中增加了钛合金，目前复合材料已大量使用于机身结构中，随着新材料技术的快速发展，可以预见今后除高性能复合材料和高损伤容限性能金属结构材料外，崭露头角的功能材料在直升机上也会大有作为。2轻合金及超高强度钢轻合金和超高强度钢都是航空航天器的主要结构

3、材料，他们的主要特点是比强度高，综合性能好，不同材料又各具特点，因此在直升机机体中的应用部位也不尽相同。2.1铝合金铝合金的比强度和比刚度与钢相似，但由于其密度小、延性好、耐腐蚀、易加工、价格便宜，长期以来，铝合金一直被大量用于直升机机体结构，为机体主要结构材料。铝合金目前在民用飞机结构上用量约为70%~80%，在军用飞机结构上用量约为40%~60%。例如卡-50、卡-52机体主结构是铝合金抗扭盒型梁；AH-2A机身主要结构是工字梁硬壳式铝合金抗坠毁结构；卡-27、卡-29机体为半硬壳式结构，隔框、桁条、

4、蒙皮由铝合金制成，尾翼构架是铝合金结构等等。欧美国家航空铝合金经历了静强度铝合金、耐腐蚀铝合金、高纯铝合金及耐损伤铝合金四代的发展过程。在第四代铝合金技术发展的同时，铝—锂合金在大型民用飞机A380上大量采用，使之成为空客新一代飞机的一大特色。含锂铝合金是铝合金的一种，其成分是在铝中加入锂元素。锂元素的加入，不但可以更大的降低材料的密度，此外，其较高的比强度还可改善铝合金强度差强人意的缺陷。含锂铝合金的另一个优点是弹性模量高，其比钢度超过传统铝合金的比刚度。合金中每加入1%锂，约降低密度3%，提高弹性模量

5、5%，所以航空航天工业对含锂铝合金有极大兴趣。铝锂合金在直升机上主要用于机身框架、垂直安定面、整流罩、进气道唇口、舱门、燃油箱等部位。英、意合作生产的EH101直升机，其机身框架、蒙皮和内部结构使用了相当多的Al－Li合金板材和锻件，使每架机质量减轻200kg，而据估计，直升机在整个服役期间每减轻1kg增加经济效益高达3000英镑。但是铝锂合金由于技术和价格等因素限制，目前应用还不是很广泛。1304我国在铝合金领域始终在跟踪国际先进技术，至今已走过几个发展阶段，但关键技术的突破以及品种、规格的系列化发展和

6、工程应用水平距离国外还有较大差距，亟待建立第三、四代铝合金完善的材料体系。2.2钛合金由于铝合金所能承受的温度载荷有限，致使钛合金航空材料在20世纪70年代出现。钛合金具有比强度高、耐腐蚀性好和耐高温等一系列优点，能够进行各种方式的零件成形、焊接和机械加工，因而在先进飞机及发动机上获得了广泛应用。当今，钛合金用量占飞机结构重量的百分比已成为衡量飞机用材先进程度的重要标志之一。钛合金在新型战斗机机体结构上的用量已经超过铝合金，在F-22新型战斗机中钛合金用量已占整机结构重量的41%。在直升机上由于其费用昂贵

7、，不能进行全机身应用，只能在部分部件进行应用。例如米-8、米-17直升机的中机身，其顶棚即是由上部的隔框、桁条及钛合金蒙皮铆接而成，另外，发动机防火隔板也采用了钛合金；卡-31、卡-32机身为传统的半硬壳式结构，主结构广泛采用钛合金；EC-665“虎”式直升机机体结构中钛合金约占6%，发动机防火地板既可采用钛合金材料，也可用复合材料地板代替。扩大钛合金应用领域的一个重要因素是把钛与复合材料结合起来使用。例如用钛螺栓铆钉状的无冲击紧固件代替传统上与薄钍板(箔材)结合的材料来强化复合材料的非调节区，可以制造卡

8、-62直升机机身组合成型时用的金属复合接头。另外以钛合金为基体的复合材料，通过添加颗粒、晶须及纤维等来强化，近几年有相当发展，并已开展发动机方面的研究。由于一般钛合金只能在一定条件下燃烧，阻燃钛合金的研究也有相当程度的开展。2.3超高强度钢超高强度钢具有极高的比强度和良好的韧性，是航空航天的关键结构材料，用于航空航天结构的主要承力件，如米-2采用普通的短舱尾梁半硬壳式结构，主要承载接头用合金钢制成；米-8、米-17直升机尾部结