[发明专利]用于飞机机身的高韧度的铝－铜－锂合金板材

说明书

分案声明

本申请是2006年6月2日提交的申请号为200680019898.0、发明名称为″用于飞机机身的高韧度的铝-铜-锂合金板材″的中国专利申请的分案申请；并要求美国专利申请60/687,444，申请日为2005年6月6日和韩国专利申请0508374，申请日为2005年8月5日作为优先权。

技术领域

本发明总体而言涉及铝合金产品，特别是涉及适用于航空航天工业和适用于在飞机机身中应用的产品。

背景技术

在目前民用航空工业中，特别是应用于飞机机身时，迫切需要减少重量和成本。取决于运行的阶段(起飞、飞行、控制、着陆...)以及环境条件(阵风，逆风...)，商业运输中的飞机机身受到复杂的应力组合。此外，飞机机身的不同部分受到不同的应力。尽管存在这些复杂情况，但也可区分出一些决定结构重量的主要设计准则，某些准则对于总重而言比其它准则具有更大的影响。

例如，由于最重的飞机机身壁板经受这种类型的应力，因此抗压强度和抗剪强度是极其重要的设计准则。为令新型材料能够减少这些受压的壁板的重量，所述材料应该具有高弹性模数、高至0.2％的弹性限度(屈服强度)(用于抗弯曲)和低密度。

第二个主要准则是纵向开裂(沿飞机机身轴线)壁板的残余阻力。航空许可规则规定需在设计中考虑对损害的耐受能力，因此通常会考虑飞机机身壁板中大的纵向或圆周裂纹，以证明可以施加一定水平的应力而不会出现灾难性的断裂。此处决定所述设计的一种已知的材料性能是在平面应力下的韧度。然而临界应力强度的所有已知因素对于韧度所给出的描述都是有限的。曲线R试验是一种用于描述韧度性能的广为人知的方法。曲线R表示：在单一应力下，随着有效的裂纹延伸，裂纹扩展的临界有效应力强度因子的变化。它使得对于与裂开的飞机器结构直接有关的所有形状能够测定不稳定断裂的临界载荷。有效应力强度因子和有效裂纹延伸因子的数值是根据标准ASTM E561定义的数值。曲线R的长度-即曲线的最大裂纹延伸-对于飞机机身的设计是一个本身重要的参数。对于具有中心裂纹的壁板的试验进行常用的经典分析，这种分析给出了一个表观断裂应力强度因子(k_app)。此数值不随曲线R的长度显著变化，特别是当曲线R的斜率接近于与施加在裂纹长度上应力的强度因子相关的曲线(施加应力曲线)的斜率时更是如此。然而，在一个实际结构元件的结构——例如一个包括固定的加强肋的壁板——中，当一个裂纹延伸到一个未折断的加强肋之下时，由于加强肋的搭桥作用施加应力曲线下降。在这种情况下，对于比初始裂纹长度和在单一载荷下的裂纹延伸的总和更大的裂纹长度，可出现施加应力曲线的局部最小值。在这种情况下，对于长曲线R，在不稳定断裂之前允许更大应力。于是，如同已采用经典方法确定的一样，与相同的临界应力强度因子一样，具有一个更长的曲线R，这是有利的。

对于具有相同机械性能的产品，低密度对于结构元件的重量显然更有益。第三个主要准则因此是材料的密度。此外，飞机机身各主要部件承受的负载强度不同，设计的重量受到通常称为“最小厚度”的极限的限制。最小厚度的概念对应于可用于制造(特别是壁板的操作)和修补(修补的铆接)的最小厚度。在此情况下减少重量的唯一方式是使用更小密度的材料。

其它的重要准则是下列条件下的疲劳裂纹扩展：在恒定幅度的应力下，或者在可变幅度的应力之下(由于操作和狂风，特别是在纵向上，但是同时围绕翼片，在任何方向上)。

目前，民用飞机机身的主要部件由合金2024、2056、2524、6013、6156或7475合金制成的板材构成，每个表面上均以含有很少合金元素的铝合金——例如合金1050或1070——镀层。覆层合金的目的是提供足够的耐腐蚀性。容许轻微的、大范围的或孔腐蚀，但是腐蚀不应穿透以便不能侵蚀内部的合金。一种趋势是尝试使用一些未镀层的材料用于飞机机身设计，以便减少成本。因此，飞机机身壁板的抗腐蚀性，特别是抗晶间腐蚀性和抗应力腐蚀性，是其性能的重要方面。