CN101863307A - 用于飞机机身的蒙皮板 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于飞机机身的蒙皮板，所述蒙皮板包括与至少一种金属加强元件连接的蒙皮结构，所述蒙皮结构包括与金属加强元件相邻接的聚合物基、碳纤维增强的蒙皮构件，其中，所述金属加强元件由含有3.5％至7％的Mg并且优选地还含有至少0.05％至1.5％的Sc的Al-Mg合金制成。

Description

用于飞机机身的蒙皮板

技术领域

本发明涉及用于飞机机身的蒙皮板，该蒙皮板包括与金属加强元件相邻接的聚合物基、碳纤维增强的蒙皮构件的蒙皮结构。

背景技术

如将从以下说明中理解的，除非另作说明，铝合金名称和状态名称是指由铝业协会于2009年颁布的铝标准和数据及登记备案中的铝业协会名称。

关于任何对合金组成或优选合金组成的说明，提到百分比时都是指重量百分比，除非另作说明。

由于复合材料的一些性质(特别是其它性质中的重量轻、强度高和刚性、耐腐蚀性和阻尼特性)，复合材料结构在航空航天业中的应用已变得越来越普遍。目前，复合材料被考虑并且被用于机翼、水平和垂直稳定器、前端和后端的锥体以及其它的飞机结构元件。然而，复合材料结构的应用也有各种缺点，并且在实践中，这将意味着许多结构部件将被杂化，既包含复合材料部件又包含金属部件。

可以在翼盒中找到这样的实例。一种建议的方案是由复合材料制成加强杆、上翼罩以及下翼罩。然而，即使在这样的复合材料机翼设计中，肋件可能仍然是金属的。首先，因为各个肋件的尺寸不同，而以板材来加工更便宜更快；其次，由于金属肋件需要保持机翼的整体形状。因此，必须解决如何将金属结构与复合材料结构连接起来的问题。可以在机身中找到其它实例。

一些飞机制造者经常提出在与碳纤维增强聚合物片材(“CFRP”)连接起来时铝的腐蚀行为问题，并发觉当铝合金构件与CFRP相接触时存在严重的腐蚀问题。

据信Al-CFRP连接件的腐蚀与水中铝合金和石墨之间的巨大腐蚀电势差(即，电化学腐蚀的巨大驱动力)有关。此外，由于石墨是电的良导体并且在许多环境中都不受影响(即，相对钝化的)，因此石墨可以成为电化学腐蚀体系中的优秀阴极。这个情况在很久以前就被认为是航空航天业领域中潜在的问题。

铝与CFRP在跨越大范围的部件和飞机位置上的电化学偶合是不可避免的。例如，在波音-777商用飞机中，在水平与垂直的稳定器处，该问题通过利用绝缘操作来解决，所述绝缘操作被总结在由Adjorlolo著的“Corrosion in Commercial Aviation”的图17中，在ASM手册，第13C卷，Corrosion：Environments and Industries，ASM International，第一版，2006，第605页，此处将所述图17引入本文作为参考，并且需要专业人员极度关注细节。在该构型中，使用纤维玻璃片的将铝加强板与CFRP绝缘。还存在大量的底层涂料和密封剂。这导致连接件很复杂，制造昂贵而且给飞机增加了额外的重量。

发明内容

因此，本发明的一个目的在于提供用于飞机机身的蒙皮板，该蒙皮板包括与金属加强元件相邻接的聚合物基、碳纤维增强的蒙皮构件的蒙皮结构，其中，铝-CFRP的连接件具有改进的耐腐蚀性。

本发明提供的用于飞机机身的蒙皮板实现或超越了上述目的和其它目的以及进一步的优点，所述蒙皮板包括与至少一个金属加强元件相连接的蒙皮结构，

所述蒙皮结构包括与金属加强元件相邻接的聚合物基、碳纤维增强的蒙皮构件，

其中，所述金属加强元件由含有约3.5％至7％的Mg的Al-Mg合金制成。

根据本发明，已发现，与用于构造飞机应用的其它铝合金(如AA2024、AA6013、AA7050、AA7081、AA7085和AA7075)相比，当与CFRP板连接时，含有至少约3.5％至7％的Mg的Al-Mg合金经受的电化学腐蚀明显更小。

此外，已发现，与用于构造飞机应用的其它铝合金(如AA2024、AA6013、AA7050、AA7081、AA7085和AA7075)相比，当与CFRP板连接时，特别是含有至少约3.5％至7％的Mg和约0.05％至1.5％的Sc的Al-Mg-Sc合金经受的电化学腐蚀明显更小。已发现，当将Al-Mg-Sc合金(如AA5024)用于本发明时，比没有特意加入Sc的Al-Mg合金(如AA5383和AA5059)表现得更好。

这是一个惊人的结果，因为在本领域中，过去认为铝与CFRP彼此的耐受性很差。到目前为止，唯一实用的、有效的防止腐蚀的方法是在可能提供排水的情况下，通过精整、密封、使用耐久性隔离材料(如纤维玻璃)来防止铝结构和碳纤维同时接触湿气。然而，根据本发明，已发现，当使用Al-Mg合金，优选地使用Al-Mg-Sc合金时，与碳纤维的电化学偶合明显没有预计的那么大，并且使Al-CFRP连接件的设计不那么复杂，因此能够节约成本。此外，提高了连接件的腐蚀性能。

在一种实施方式中，金属加强元件由含有以重量％计的以下组成的铝合金制成：

Mg约3.5％至7％，优选为约4％至6％，更优选地为4.0％至4.9％，

Mn最高达约1.2％，优选为最高达约1％，更优选为约0.05％至1.2％，更近似优选为约0.3％至0.85％，

Sc任选的元素，如果加入，则为约0.05％至1.5％，优选为0.05％至0.8％，更优选为0.05至0.4％，

Ag  最高达约0.5％，如果加入，则为约0.05％至0.5％，

Zn  最高达约2％，

Cu  最高达约2％，优选小于0.25％，

Li  最高达约3％，

选自由：(Zr 0.03％至0.3％、Cr 0.03％至0.3％、Hf 0.03％至0.2％、Ti0.01％至0.25％)所组成的组中的至少一种或多种元素，

Fe  最高达约0.35％，优选为最高达约0.15％，

Si  最高达约0.25％，优选为最高达约0.15％，更优选为小于0.10％，不可避免的杂质，以及余量的铝。

通常，不可避免的杂质各自以最高达0.05％的量存在，并且总量最高达0.25％。

在一种实施方式中，Zn可以以最高达约0.4％的量存在。而在另一种实施方式中，Zn可以作为加强元素以约0.4％至2％的量存在。

Cu可以在Al-Mg或AlMgSc合金中作为加强元素以最高达约2％的量存在。然而，在耐腐蚀性为临界工程学性质的应用中，优选地，将Cu保持在约0.25％或更少(并且优选为小于0.1％)的低水平上。

Li可以以最高达约3％的量存在于AlMg或AlMgSc合金中，以提供具有低密度、高强度、良好的可焊性、以及非常好的自然老化响应的产品。如果有目的性地加入，优选的Li的水平为0.5至3％，并且更优选为约1％至2.5％。在一种可选择的实施方式中，不存在有目的性地加入的Li，则应当将Li保持在最大值为0.05％的杂质水平，更优选地，该铝合金不含锂。

所述Al-Mg合金应当含有选自由Zr 0.03至0.3％、Cr 0.03％至0.3％、Hf 0.03％至0.2％、Ti 0.01％至0.25％所组成的组中的至少一种或多种元素。

可以将Ti作为加强元素或为了晶粒细化而加入到该Al-Mg合金中。

在一种特别的实施方式中，所述金属加强元件由具有以重量％计的以下组成的铝合金制成：

Mg    3.9％至5.1％，

Mn    最高达0.25％，

Sc    0.05至0.4％，

Zn    最高达0.4％，

Cu    最高达0.25％，

Cr    最高达0.10％，

Zr    0.05至0.20％，

Ti    最高达0.20％，

Fe    最高达0.35％，优选为最高达0.15％，

Si    最高达0.25％，优选为最高达0.10％，

其它物质和不可避免的杂质各自的最大值为0.05％，总量最大值为0.15％，以及余量的铝。

虽然显著地提高了Al-CFRP连接件的腐蚀性能，但是仍然可以在金属加强元件与蒙皮构件之间***接合密封层(例如，多硫化物)。

在一种实施方式中，所述金属加强元件选自由加强杆、肋间件、肋件和纵梁所组成的组中。

适合的Al-Mg-Sc纵梁可以通过挤出或例如通过金属片材辊压成形的方式制成。

在所述蒙皮板的一种实施方式中，还包括至少一个穿过金属加强元件的选定部分和蒙皮构件而凸出来的紧固件。适合的紧固件可以为由本领域常用的材料(例如Ti-6Al-4V)制成的铆钉、钉子、螺钉等。现在认识到的是，Al-Mg合金，特别是Al-Mg-Sc合金是Al-CFRP连接件非常有利的材料选择，如果使用紧固件，它也可以由Al-Mg合金或Al-Mg-Sc合金本身制成。

在一种可选择的实施方式中，金属加强元件通过粘合剂粘合而与CFRP连接。

应当注意的是，配备有向不同方向伸展的多于一个的本发明的金属加强元件的机身也属于本发明的部分。

在一种实施方式中，所述蒙皮结构包括由至少第一金属片材以及连接到该金属片材上的聚合物基、碳纤维加强的蒙皮构件的层压结构，从而使得所述蒙皮结构还配备有至少一个与聚合物基、碳纤维增强的蒙皮构件邻接的金属加强元件。

在本发明的又一个方面，本发明涉及含有3.5％至7％的Mg的Al-Mg合金在本发明的蒙皮板中的应用，通过本说明书和权利要求书中的优选的实施方式进行描述。

在本发明的再一个方面，本发明涉及含有3.5％至7％的Mg和0.05％至1.5％的Sc的Al-Mg-Sc合金在本发明的蒙皮板中的应用，通过本说明书和权利要求书中的优选的实施方式进行描述。

本发明还包括飞机或航空器，所述飞机或航空器的机身整体或部分地由本发明的蒙皮板来建造，所述蒙皮板可以被引进到飞机的各种结构部分中。例如，各种公开的实施方式可以被用于形成翼组件的结构部分和/或尾部组件的结构部分。

所述飞机主要代表商用客机，其可以包括，例如，可以从波音公司商购的737、747、757、767和777商用客机。在可选择的实施方式中，本发明还可以被引入其它类型的飞行器中。这样的飞行器的实例包括载人军用飞机或无人军用飞机、螺旋桨飞机或甚至是弹道飞行器。

尽管已经描述了本发明优选的实施方式和可选择的实施方式，但是如上所述，在不脱离本发明的精神和范围内可以作出许多改变。因此，本发明的范围并不被这些优选的和可选择的实施方式的公开内容所限制。相反地，应当整体地参照随附的权利要求来确定本发明。

Claims (10)

1.一种用于飞机机身的蒙皮板，所述蒙皮板包括与至少一个金属加强元件连接的蒙皮结构，

所述蒙皮结构包括与所述金属加强元件相邻接的基于聚合物且碳纤维增强的蒙皮构件，

并且其中，所述金属加强元件由含有3.5％至7％的Mg的Al-Mg合金制成。

2.根据权利要求1所述的蒙皮板，其中，所述金属加强元件由含有3.5％至3.7％的Mg和0.05％至1.5％的Sc的Al-Mg-Sc的合金制成。

3.根据权利要求1或2所述的蒙皮板，其中，所述金属加强元件由具有以重量％计的以下组成的Al-Mg合金制成：

Mg  3.5至7，优选为4至6，

Mn  最高达1.2，优选为0.05至1.2，

Sc  任选地0.05至1.5，

Ag  最高达0.5，

Zn  最高达2，

Cu  最高达2，

Li  最高达3，

选自由：(Zr 0.03至0.3、Cr 0.03至0.3、Hf 0.03至0.2、Ti 0.01至0.25)所组成的组中的至少一种或多种元素，

Fe  最高达0.35，

Si  最高达0.25，

不可避免的杂质和余量的铝。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的蒙皮板，还包括***金属加强元件和蒙皮构件之间的接合密封层。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的蒙皮板，还包括至少一个穿过金属加强元件的选定部分和蒙皮构件而凸出来的紧固件。

6.根据权利要求5所述的蒙皮板，其中，所述紧固件由含有3.5％至7％的Mg、还优选地含有0.05％至1.5％的Sc的Al-Mg合金制成。

7.根据权利要求1至6所述的蒙皮板，其中，所述金属加强元件选自由加强杆、肋间件和纵梁所组成的组中。

8.将Al-Mg合金用作权利要求1至7中任一项所述的蒙皮板的金属加强元件的用途，所述Al-Mg的合金具有以重量％计的以下组成：

Mg  3.5至7，优选为4至6，

Mn  最高达1.2，优选为0.05至1.2，

Sc  任选地0.05至1.5，

Ag  最高达0.5，

Zn  最高达2，

Cu  最高达2，

Li  最高达3，

选自由：(Zr 0.03至0.3、Cr 0.03至0.3、Hf 0.03至0.2、Ti 0.01至0.25)所组成的组中的至少一种或多种元素，

Fe  最高达0.35，

Si  最高达0.25，

不可避免的杂质和余量的铝。

9.Al-Mg-Sc合金在权利要求1至7中任一项所述的蒙皮板的金属加强元件中的应用，所述Al-Mg-Sc的合金具有以重量％计的以下组分：

Mg  3.9％至5.1％，

Mn  最高达0.25％，

Sc  0.05％至0.4％

Zn  最高达0.4％

Cu  最高达0.25％

Cr  最高达0.10％

Zr  0.05至0.20％

Ti  最高达0.20％

Fe  最高达0.35％，优选为最高达0.15％，

Si  最高达0.25，优选为最高达0.10％，

其它物质和不可避免的杂质各自的最大值为0.05％，总量最大值为0.15％，以及余量的铝。

10.飞机或航空器，其中，所述飞机或航空器的机身包含权利要求1至7种任一项所述的蒙皮板。