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波音公司及其新材料发展与应用

时间:2015-09-18  来源:新材料在线   发布:高端装备网 
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  波音公司作为全球最大的民用飞机和军用飞机制造商和最大的飞机出口商之一,其成功的历史是一部不断追求材料创新的历史。

 

1、波音公司简介

 

  波音公司(Boeing)创建于1916年,是全球最大的民用飞机和军用飞机制造商和最大的飞机出口商之一。波音公司还是美国航空航天局(NASA)最大的承包商。2015年《财富》世界500强排名85位。

 

  

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2、波音公司主营业务和销售情况

 

  波音公司2014年的商用飞机比2010年的交付量增长了56%;其军用飞机和卫星的交付量比2010年增长了52%。

  

 
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3、波音的业务主要分为以下5个方面:

 

  波音民用飞机集团(BCA)

 

  波音防务、空间与安全集团(BDS)

 

  波音金融集团(BCC)

 

  工程运营与技术(EO&T)

 

  全球服务和支持(SSG)

 

  其中,以波音民用飞机集团(BCA)和波音防务、空间与安全集团(BDS)为主。

 

  

 
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4、波音公司主要产品

 

  波音的主要产品包括商业和军用飞机、卫星、武器、电子防御系统、启动系统、先进的信息和通信系统等。

 

  4.1 民用飞机集团主要产品

 

  

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  4.2 波音防务、空间与安全集团主要产品

 

  

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5、波音与新材料的故事

 

  波音是全球最大的民用飞机和军用飞机制造商。波音之所以取得举世瞩目的成就,与其新材料和技术的创新是密不可分的。这里主要介绍复合材料、轻合金材料以及波音的3D打印技术。

  

 
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  5.1 复合材料

 

  波音787,又称为“梦幻客机”,是航空史上首架超远程中型客机,中型双发动机宽体中远程运输机。波音787的特点是大量采用复合材料、低燃料消耗、较低的污染排放、高效益及舒适的客舱环境。

  

 
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  波音787复合材料构件重量占全机结构重量的50%左右,是迄今为止复合材料用量最多的一个机型:其机身、机尾翼采用碳纤维层合结构;而升降舵、方向舵却保留了过去采用的碳纤维夹芯结构;发动机舱除受力大的发动机吊架外均采用碳纤维夹芯结构;整流罩采用玻璃纤维夹芯结构。

  

 
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  5.1.1 碳纤维复合材料

 

  碳纤维复合材料具有质轻、高强、高模、耐高温、耐疲劳、导电、导热等特性,因此是一种先进的航空航天材料。碳纤维复合材料常用作飞机的机身、风叶层板、夹芯板等部位。

 

  2014年,日本东丽从美国波音获得规模达到1万亿日元的飞机用碳纤维订单。在今后10多年里,东丽将向波音的现有机型和下一代大型客机“777X”的主机翼部分独家供货。

 

  波音787和波音777飞机都采用了碳纤维复合材料作为飞机层板和夹芯板。东丽除向现有的中大型飞机787之外,还将向最早于2020年投入使用的777X供应主机翼用碳纤维复合材料。

  

 
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图:波音787飞机机身的碳纤维分布及碳纤维世界市场份额

 

  碳纤维全球主要制造商:日本东丽,日本三菱,ZOLTEK,EXCEL,……

 

  中国碳纤维主要制造商:中复神鹰,江苏恒神,威海拓展,中油吉化,……

 

  5.1.2 玻璃纤维复合材料

 

  玻璃纤维即玻璃钢,是轻质高强材料,具有耐烧蚀的性能。玻璃纤维复合材料可用作飞机的机翼及其前后缘、尾翼、地板梁和后承压框以及机身蒙皮等。轻质材料,大幅度减轻飞机的重量。波音787客机大量采用玻璃纤维复合材料,占到飞机结构总重的5%,被很多人称之为“塑料飞机”。该复合材料具有更好的耐腐蚀性,这使得提高客舱湿度成为可能,使每一次飞行变得更加惬意,这就是为什么波音787会成为“梦想客机”。

 

  知名制造商:PPG,康宁,飞薄莱特,……

  

 
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图:碳玻璃纤维在波音飞机上的应用与分布

 

  5.1.3 陶瓷基复合材料(CMC)

 

  氧化陶瓷基复合材料(CMC)是使用温度最高(1650℃)而密度最低的结构材料,是作为发动机燃烧室、火焰稳定器、内锥体、尾喷管涡轮外环及涡轮等部件最理想的材料之一。

 

  2014年10月,波音公司、罗尔斯-罗伊斯航空发动机公司、 ATK affiliate COI Ceramics 和Albany Engineered Composites 四家公司联合开发的氧化陶瓷基复合材料航空发动机喷嘴。该发动机喷嘴用于波音公司787梦想飞机航空发动机的喷嘴,初步的结果显示这种材料不仅表现出良好的热强度,同时能够有效减轻发动机自重,节约燃油。该喷嘴是目前全球利用氧化陶瓷基复合材料制成的最大单体部件。

 

  未来发展CMC可能被用到飞机的其他部件,如飞行器推进系统、超高音速飞行器的热保护部件、空间飞行器等。

  

 
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图:氧化陶瓷基复合材料航空发动机

 

  5.1.4 其他复合材料

 

  1) 碳-碳复合材料

 

  碳-碳复合材料是一种新型高温材料,具有重量轻、模量高、比强度大、热膨胀系数低、耐高温、耐热冲击、耐腐蚀、吸震性好等一系列优异性能。碳/碳复合材料已在航天工业中得到成功的应用,如火箭发动机尾喷管、喉衬,航天飞机的机翼前缘等。碳-碳复合材料在航空领域的应用,最成功的范例当数刹车盘,在这方面已经形成了成熟的市场,此外关于其作为高温长时使用的结构材料方面的研究正在火热进行。将该材料用于航空发动机的热端部件是目前世界上各先进国家研究和发展的方向,并已取得初步成果。

 

  2) 多孔金属箔复合材料(EMF)

 

  随着碳纤维增强塑料(CFRP)材料成为主要飞机结构制造材料,防雷保护已成为一个比较复杂的需要解决的问题。在航空航天工业中,保护碳纤维复合材料结构防止雷击,广泛使用的材料是多孔金属箔。波音公司采用的防碳纤维复合材料雷击的材料是多孔金属箔复合材料。

 

  5.2 轻合金

 

  铝合金、钛合金、镁合金都属于轻型合金,通常用于飞机机身材料,尤其是铝合金、钛合金已经成为飞机轻量化的关键性合金材料。波音777型飞机采用先进的合金做结构材料,使机身减轻了1450公斤。

  

 
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  5.2.1 钛合金

 

  钛合金是一种重要的新型结构材料,因具有强度高、耐蚀性好、耐热性强等特点而被广泛用于各个领域。钛合金主要用于飞机及发动机的制造材料,如锻造钛风扇、压气机盘和叶片、发动机罩、排气装置等零件以及飞机的大梁隔框等结构框架件。此外,波音787机翼还采用了钛-石墨复合材料。

  

 
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图:钛合金用于飞机主要部位和部件

 

  波音公司飞机平均用钛量约为33.7吨/架。以下是波音飞机主要机型的平均用钛量和波音公司在中国的飞机市场预测。

  

 
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图:波音飞机主要机型的平均用钛量(单位:吨/架)

 

  预测至2032年波音公司在中国将新增客机数量5580架。

 

  假设飞机平均用钛量为30吨/架,通过计算至2032年,中国将消耗16.7万吨钛,平均每年为8370吨。

  

 
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图:世界主要航空钛材主要企业

  

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图:中国钛材主要企业

 

  5.2.2 铝合金

 

  铝合金质量轻,强度高,加工方便,价格相对便宜,常用作飞机上的蒙皮、梁、肋、桁条、隔框和起落架都可以用铝合金制造。铝合金用作飞机机身。这些材料具有更卓越的耐用性与抗腐蚀性和抗损坏性,能减少维修,增加飞机的可用性和创收时间。

 

  铝合金广泛用于波音飞机的机身、机翼等结构。波音737机身采用铝合金半硬壳式结构,后缘襟翼采用铝合金蜂窝结构,机翼采用为铝合金破损安全设计的抗扭盒形结构。

 

  与777飞机一样,波音747-8飞机广泛采用新一代铝合金,同时,它还在襟翼、扰流板、短舱和方向舵中采用铝合金-石墨复合材料。得益于此,747-8的重量将减轻907公斤。以下是747-8的铝合金分布。

  

 
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图:铝合金在波音747-8的分布

 

 

  铝合金全球主要制造商:美铝公司,世纪铝业,挪威海德鲁公司,日本神户制钢公司,……

 

  铝合金中国主要制造商:南山铝业,中国忠旺,坚美铝业。

 

  5.2.3 合金钢

 

  民用飞机的制造材料主要是铝合金,其次是合金钢。飞机上使用最多的合金钢是调质钢,用在起落架、连接件、发动机吊架、大梁、螺栓等。以下是波音公司常用的合金钢列表。

  

 
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图:波音飞机常用的合金钢

 

  5.2.4 其它材料

 

  1) 高温合金

 

  高温合金从诞生起就用于航空发动机,在现代航空发动机中,高温合金材料的用量占发动机总重量的40%-60%,主要用于四大热端部件:燃烧室、导向器、涡轮叶片和涡轮盘,此外还用于机匣、环件、加力燃烧室和尾喷口等部件。

 

  2) 镁合金

 

  镁合金是目前工业上可应用的最轻金属材料,因其集较强的比刚性、减震性、导热性、电磁屏蔽性及易切削性等优点于一身,成为航空航天、现代汽车制造等领域的新宠,被誉为“21世纪绿色工程材料”。

 

  3) 3D打印

 

  波音公司早在1997年起就开始使用3D打印技术,并已在10个不同的飞机制造平台上3D打印了超过2万个飞机零部件。对此,在公司提交的一份3D打印飞机零部件专利申请中,描述了将3D设计变成3D打印部件的过程。

  

 
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  未来,波音希望继续用3D打印零部件替换传统制造的零部件。此外,3D打印零部件的材料也将不再只是塑料,还包括金属、金属合金和石膏等其它材料。

 

6、波音非可见部位材料在中国的供应商

 

  波音在中国有6个子公司和合资公司,与中国近20个省市建立合作关系,为波音提供相应的材料和服务。

  

 
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  6.1 波音新一代737非可见部位供应商

 

  驾驶舱面板:天津波音复合材料有限公司

 

  电子束线:廊坊福克

 

  盖板:天津波音复合材料有限公司(供应西安和上海)

 

  驾驶舱面板:天津波音复合材料有限公司。

 

  

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  6.2 波音747-8非可见部位材料供应商

 

  固定后缘翼肋:西安飞机工业集团有限公司

 

  复合材料零部件和面板:天津波音复合材料有限公司

 

  后缘楔形结构:天津波音复合材料有限公司

 

  垂直尾翼和水平安定面盖板:天津波音复合材料有限公司

  

 
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  6.3 波音787非可见部位材料供应商

 

  垂直尾翼后缘面板:天津波音复合材料有限公司

 

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