專利名稱：用于飛機(jī)機(jī)身的蒙皮板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于飛機(jī)機(jī)身的蒙皮板，該蒙皮板包括與金屬加強(qiáng)元件相鄰接的聚合物基、碳纖維增強(qiáng)的蒙皮構(gòu)件的蒙皮結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
如將從以下說明中理解的，除非另作說明，鋁合金名稱和狀態(tài)名稱是指由鋁業(yè)協(xié) 會(huì)于2009年頒布的鋁標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)及登記備案中的鋁業(yè)協(xié)會(huì)名稱。關(guān)于任何對(duì)合金組成或優(yōu)選合金組成的說明，提到百分比時(shí)都是指重量百分比， 除非另作說明。由于復(fù)合材料的一些性質(zhì)(特別是其它性質(zhì)中的重量輕、強(qiáng)度高和剛性、耐腐蝕 性和阻尼特性)，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在航空航天業(yè)中的應(yīng)用已變得越來越普遍。目前，復(fù)合材料 被考慮并且被用于機(jī)翼、水平和垂直穩(wěn)定器、前端和后端的錐體以及其它的飛機(jī)結(jié)構(gòu)元件。 然而，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的應(yīng)用也有各種缺點(diǎn)，并且在實(shí)踐中，這將意味著許多結(jié)構(gòu)部件將被雜 化，既包含復(fù)合材料部件又包含金屬部件?？梢栽谝砗兄姓业竭@樣的實(shí)例。一種建議的方案是由復(fù)合材料制成加強(qiáng)桿、上翼 罩以及下翼罩。然而，即使在這樣的復(fù)合材料機(jī)翼設(shè)計(jì)中，肋件可能仍然是金屬的。首先， 因?yàn)楦鱾€(gè)肋件的尺寸不同，而以板材來加工更便宜更快；其次，由于金屬肋件需要保持機(jī)翼 的整體形狀。因此，必須解決如何將金屬結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料結(jié)構(gòu)連接起來的問題。可以在機(jī) 身中找到其它實(shí)例。一些飛機(jī)制造者經(jīng)常提出在與碳纖維增強(qiáng)聚合物片材(“CFRP”)連接起來時(shí)鋁的 腐蝕行為問題，并發(fā)覺當(dāng)鋁合金構(gòu)件與CFRP相接觸時(shí)存在嚴(yán)重的腐蝕問題。據(jù)信Al-CFRP連接件的腐蝕與水中鋁合金和石墨之間的巨大腐蝕電勢(shì)差(即，電 化學(xué)腐蝕的巨大驅(qū)動(dòng)力)有關(guān)。此外，由于石墨是電的良導(dǎo)體并且在許多環(huán)境中都不受影 響(即，相對(duì)鈍化的)，因此石墨可以成為電化學(xué)腐蝕體系中的優(yōu)秀陰極。這個(gè)情況在很久 以前就被認(rèn)為是航空航天業(yè)領(lǐng)域中潛在的問題。鋁與CFRP在跨越大范圍的部件和飛機(jī)位置上的電化學(xué)偶合是不可避免的。例如， 在波音-777商用飛機(jī)中，在水平與垂直的穩(wěn)定器處，該問題通過利用絕緣操作來解決，所 述絕緣操作被總結(jié)在由Adjorlolo著的“Corrosion in Commercial Aviation”的

圖17中， 在 ASM 手冊(cè)，第 13C 卷，Corrosion-Environments and Industries, ASM International, 第一版，2006，第605頁，此處將所述圖17引入本文作為參考，并且需要專業(yè)人員極度關(guān)注 細(xì)節(jié)。在該構(gòu)型中，使用纖維玻璃片的將鋁加強(qiáng)板與CFRP絕緣。還存在大量的底層涂料和 密封劑。這導(dǎo)致連接件很復(fù)雜，制造昂貴而且給飛機(jī)增加了額外的重量。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供用于飛機(jī)機(jī)身的蒙皮板，該蒙皮板包括與金屬 加強(qiáng)元件相鄰接的聚合物基、碳纖維增強(qiáng)的蒙皮構(gòu)件的蒙皮結(jié)構(gòu)，其中，鋁-CFRP的連接件具有改進(jìn)的耐腐蝕性。本發(fā)明提供的用于飛機(jī)機(jī)身的蒙皮板實(shí)現(xiàn)或超越了上述目的和其它目的以及進(jìn) 一步的優(yōu)點(diǎn)，所述蒙皮板包括與至少一個(gè)金屬加強(qiáng)元件相連接的蒙皮結(jié)構(gòu)， 所述蒙皮結(jié)構(gòu)包括與金屬加強(qiáng)元件相鄰接的聚合物基、碳纖維增強(qiáng)的蒙皮構(gòu)件，其中，所述金屬加強(qiáng)元件由含有約3. 5%至7%的Mg的Al-Mg合金制成。根據(jù)本發(fā)明，已發(fā)現(xiàn)，與用于構(gòu)造飛機(jī)應(yīng)用的其它鋁合金(如AA2024、AA6013、 AA7050、AA7081、AA7085和AA7075)相比，當(dāng)與CFRP板連接時(shí)，含有至少約3. 5%至7%的 Mg的Al-Mg合金經(jīng)受的電化學(xué)腐蝕明顯更小。此外，已發(fā)現(xiàn)，與用于構(gòu)造飛機(jī)應(yīng)用的其它鋁合金(如AA2024、AA6013、AA7050、 AA7081、AA7085和AA7075)相比，當(dāng)與CFRP板連接時(shí)，特別是含有至少約3. 5%至7%的 Mg和約0. 05%至1. 5%的Sc的Al-Mg-Sc合金經(jīng)受的電化學(xué)腐蝕明顯更小。已發(fā)現(xiàn)，當(dāng)將 Al-Mg-Sc合金(如AA5024)用于本發(fā)明時(shí)，比沒有特意加入Sc的Al-Mg合金(如AA5383 和AA5059)表現(xiàn)得更好。這是一個(gè)驚人的結(jié)果，因?yàn)樵诒绢I(lǐng)域中，過去認(rèn)為鋁與CFRP彼此的耐受性很差。 到目前為止，唯一實(shí)用的、有效的防止腐蝕的方法是在可能提供排水的情況下，通過精整、 密封、使用耐久性隔離材料(如纖維玻璃)來防止鋁結(jié)構(gòu)和碳纖維同時(shí)接觸濕氣。然而，根 據(jù)本發(fā)明，已發(fā)現(xiàn)，當(dāng)使用Al-Mg合金，優(yōu)選地使用Al-Mg-Sc合金時(shí)，與碳纖維的電化學(xué)偶 合明顯沒有預(yù)計(jì)的那么大，并且使Al-CFRP連接件的設(shè)計(jì)不那么復(fù)雜，因此能夠節(jié)約成本。 此外，提高了連接件的腐蝕性能。在一種實(shí)施方式中，金屬加強(qiáng)元件由含有以重量％計(jì)的以下組成的鋁合金制成Mg約3. 5 %至7 %，優(yōu)選為約4 %至6 %，更優(yōu)選地為4. 0 %至4. 9 %，Mn最高達(dá)約1.2%，優(yōu)選為最高達(dá)約1 %，更優(yōu)選為約0. 05 %至1. 2 %，更近似優(yōu)選 為約 0. 3%至 0. 85%,Sc任選的元素，如果加入，則為約0.05%至1.5%，優(yōu)選為0.05%至0.8%，更優(yōu)選 為 0. 05 至 0.4%，Ag最高達(dá)約0.5%，如果加入，則為約0.05%至0.5%，Zn 最高達(dá)約2%，Cu最高達(dá)約2%，優(yōu)選小于0.25%，Li 最高達(dá)約3%，選自由(Zr0. 03%至 0. 3%, Cr 0. 03%至 0. 3%, Hf 0. 03%至 0. 2%, TiO. 01% 至0. 25% )所組成的組中的至少一種或多種元素，F(xiàn)e最高達(dá)約0.35%，優(yōu)選為最高達(dá)約0. 15%，Si 最高達(dá)約0.25%，優(yōu)選為最高達(dá)約0. 15%，更優(yōu)選為小于0. 10%，不可避免 的雜質(zhì)，以及余量的鋁。通常，不可避免的雜質(zhì)各自以最高達(dá)0.05%的量存在，并且總量最高達(dá)0.25%。在一種實(shí)施方式中，Zn可以以最高達(dá)約0.4%的量存在。而在另一種實(shí)施方式中， Zn可以作為加強(qiáng)元素以約0. 4%至2%的量存在。Cu可以在Al-Mg或AlMgSc合金中作為加強(qiáng)元素以最高達(dá)約2%的量存在。然而， 在耐腐蝕性為臨界工程學(xué)性質(zhì)的應(yīng)用中，優(yōu)選地，將Cu保持在約0. 25%或更少(并且優(yōu)選為小于0. )的低水平上。Li可以以最高達(dá)約3 %的量存在于AlMg或AlMgSc合金中，以提供具有低密度、高 強(qiáng)度、良好的可焊性、以及非常好的自然老化響應(yīng)的產(chǎn)品。如果有目的性地加入，優(yōu)選的Li 的水平為0. 5至3%，并且更優(yōu)選為約1%至2.5%。在一種可選擇的實(shí)施方式中，不存在有 目的性地加入的Li，則應(yīng)當(dāng)將Li保持在最大值為0. 05%的雜質(zhì)水平，更優(yōu)選地，該鋁合金 不含鋰。所述Al-Mg合金應(yīng)當(dāng)含有選自由& 0.03至0.3%、Cr 0. 03 %至0. 3 %、Hf 0.03%至0. 2%, Ti 0.01%至0.25%所組成的組中的至少一種或多種元素?？梢詫i作為加強(qiáng)元素或?yàn)榱司Я＜?xì)化而加入到該Al-Mg合金中。在一種特別的實(shí)施方式中，所述金屬加強(qiáng)元件由具有以重量％計(jì)的以下組成的鋁 合金制成Mg 3. 9%至 5.1%，Mn 最高達(dá) 0.25%，Sc 0.05 至 0.4%，Zn 最高達(dá) 0.4%，Cu 最高達(dá) 0.25%，Cr 最高達(dá) 0.10%，Zr 0.05 至 0.20%，Ti 最高達(dá) 0.20%，F(xiàn)e 最高達(dá)0. 35%，優(yōu)選為最高達(dá)0. 15%，Si 最高達(dá)0. 25%，優(yōu)選為最高達(dá)0. 10%，其它物質(zhì)和不可避免的雜質(zhì)各自的最大值為0. 05%，總量最大值為0. 15%，以及
余量的鋁。雖然顯著地提高了 Al-CFRP連接件的腐蝕性能，但是仍然可以在金屬加強(qiáng)元件與 蒙皮構(gòu)件之間插入接合密封層(例如，多硫化物)。在一種實(shí)施方式中，所述金屬加強(qiáng)元件選自由加強(qiáng)桿、肋間件、肋件和縱梁所組成 的組中。適合的Al-Mg-Sc縱梁可以通過擠出或例如通過金屬片材輥壓成形的方式制成。在所述蒙皮板的一種實(shí)施方式中，還包括至少一個(gè)穿過金屬加強(qiáng)元件的選定 部分和蒙皮構(gòu)件而凸出來的緊固件。適合的緊固件可以為由本領(lǐng)域常用的材料(例如 Ti-6A1-4V)制成的鉚釘、釘子、螺釘?shù)取，F(xiàn)在認(rèn)識(shí)到的是，Al-Mg合金，特別是Al-Mg-Sc 合金是Al-CFRP連接件非常有利的材料選擇，如果使用緊固件，它也可以由Al-Mg合金或 Al-Mg-Sc合金本身制成。在一種可選擇的實(shí)施方式中，金屬加強(qiáng)元件通過粘合劑粘合而與CFRP連接。應(yīng)當(dāng)注意的是，配備有向不同方向伸展的多于一個(gè)的本發(fā)明的金屬加強(qiáng)元件的機(jī) 身也屬于本發(fā)明的部分。
在一種實(shí)施方式中，所述蒙皮結(jié)構(gòu)包括由至少第一金屬片材以及連接到該金屬片 材上的聚合物基、碳纖維加強(qiáng)的蒙皮構(gòu)件的層壓結(jié)構(gòu)，從而使得所述蒙皮結(jié)構(gòu)還配備有至 少一個(gè)與聚合物基、碳纖維增強(qiáng)的蒙皮構(gòu)件鄰接的金屬加強(qiáng)元件。
在本發(fā)明的又一個(gè)方面，本發(fā)明涉及含有3. 5%至7%的Mg的Al-Mg合金在本發(fā) 明的蒙皮板中的應(yīng)用，通過本說明書和權(quán)利要求書中的優(yōu)選的實(shí)施方式進(jìn)行描述。在本發(fā)明的再一個(gè)方面，本發(fā)明涉及含有3. 5%至7%的Mg和0. 05%至1. 5%的 Sc的Al-Mg-Sc合金在本發(fā)明的蒙皮板中的應(yīng)用，通過本說明書和權(quán)利要求書中的優(yōu)選的 實(shí)施方式進(jìn)行描述。本發(fā)明還包括飛機(jī)或航空器，所述飛機(jī)或航空器的機(jī)身整體或部分地由本發(fā)明的 蒙皮板來建造，所述蒙皮板可以被引進(jìn)到飛機(jī)的各種結(jié)構(gòu)部分中。例如，各種公開的實(shí)施方 式可以被用于形成翼組件的結(jié)構(gòu)部分和/或尾部組件的結(jié)構(gòu)部分。所述飛機(jī)主要代表商用客機(jī)，其可以包括，例如，可以從波音公司商購的737、747、 757、767和777商用客機(jī)。在可選擇的實(shí)施方式中，本發(fā)明還可以被引入其它類型的飛行器 中。這樣的飛行 器的實(shí)例包括載人軍用飛機(jī)或無人軍用飛機(jī)、螺旋槳飛機(jī)或甚至是彈道飛 行器。盡管已經(jīng)描述了本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方式和可選擇的實(shí)施方式，但是如上所述，在 不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)可以作出許多改變。因此，本發(fā)明的范圍并不被這些優(yōu)選的 和可選擇的實(shí)施方式的公開內(nèi)容所限制。相反地，應(yīng)當(dāng)整體地參照隨附的權(quán)利要求來確定 本發(fā)明。
權(quán)利要求
一種用于飛機(jī)機(jī)身的蒙皮板，所述蒙皮板包括與至少一個(gè)金屬加強(qiáng)元件連接的蒙皮結(jié)構(gòu)，所述蒙皮結(jié)構(gòu)包括與所述金屬加強(qiáng)元件相鄰接的基于聚合物且碳纖維增強(qiáng)的蒙皮構(gòu)件，并且其中，所述金屬加強(qiáng)元件由含有3.5％至7％的Mg的Al-Mg合金制成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蒙皮板，其中，所述金屬加強(qiáng)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.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的蒙皮板，其中，所述金屬加強(qiáng)元件由具有以重量％計(jì)的以 下組成的Al-Mg合金制成Mg 3. 5至7，優(yōu)選為4至6，Mn 最高達(dá)1. 2，優(yōu)選為0. 05至1. 2，Sc 任選地0.05至1.5，Ag 最高達(dá)0.5，Zn 最高達(dá)2,Cu 最高達(dá)2，Li 最高達(dá)3，選自由(Zr 0. 03 至 0. 3、Cr 0. 03 至 0. 3,Hf 0. 03 至 0. 2、Ti 0. 01 至 0. 25)所組成的組中的至少一種或多種元素， Fe 最高達(dá)0.35， Si 最高達(dá)0.25， 不可避免的雜質(zhì)和余量的鋁。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的蒙皮板，還包括插入金屬加強(qiáng)元件和蒙皮構(gòu)件 之間的接合密封層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的蒙皮板，還包括至少一個(gè)穿過金屬加強(qiáng)元件的 選定部分和蒙皮構(gòu)件而凸出來的緊固件。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的蒙皮板，其中，所述緊固件由含有3.5%至7%的Mg、還優(yōu)選 地含有0. 05%至1. 5%的Sc的Al-Mg合金制成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6所述的蒙皮板，其中，所述金屬加強(qiáng)元件選自由加強(qiáng)桿、肋間件 和縱梁所組成的組中。
8.將Al-Mg合金用作權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的蒙皮板的金屬加強(qiáng)元件的用途， 所述Al-Mg的合金具有以重量％計(jì)的以下組成Mg 3. 5至7，優(yōu)選為4至6，Mn 最高達(dá)1. 2，優(yōu)選為0. 05至1. 2，Sc 任選地0.05至1.5，Ag 最高達(dá)0.5，Zn 最高達(dá)2,Cu 最高達(dá)2，Li 最高達(dá)3，選自由(Zr 0. 03 至 0. 3、Cr 0. 03 至 0. 3,Hf 0. 03 至 0. 2、Ti 0. 01 至 0. 25)所組成的組中的至少一種或多種元素， Fe 最高達(dá)0.35， Si 最高達(dá)0.25， 不可避免的雜質(zhì)和余量的鋁。
9.Al-Mg-Sc合金在權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的蒙皮板的金屬加強(qiáng)元件中的應(yīng)用， 所述Al-Mg-Sc的合金具有以重量％計(jì)的以下組分Mg 3. 9%至 5.1%， Mn 最高達(dá)0.25%， Sc 0.05%至 0.4% Zn 最高達(dá)0.4% Cu 最高達(dá)0.25% Cr 最高達(dá)0.10% Zr 0.05 至 0.20% Ti 最高達(dá)0.20%Fe 最高達(dá)0. 35%，優(yōu)選為最高達(dá)0. 15%， Si 最高達(dá)0. 25，優(yōu)選為最高達(dá)0. 10%，其它物質(zhì)和不可避免的雜質(zhì)各自的最大值為0.05%，總量最大值為0.15%，以及余量 的鋁。
10.飛機(jī)或航空器，其中，所述飛機(jī)或航空器的機(jī)身包含權(quán)利要求1至7種任一項(xiàng)所述 的蒙皮板。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于飛機(jī)機(jī)身的蒙皮板，所述蒙皮板包括與至少一種金屬加強(qiáng)元件連接的蒙皮結(jié)構(gòu)，所述蒙皮結(jié)構(gòu)包括與金屬加強(qiáng)元件相鄰接的聚合物基、碳纖維增強(qiáng)的蒙皮構(gòu)件，其中，所述金屬加強(qiáng)元件由含有3.5％至7％的Mg并且優(yōu)選地還含有至少0.05％至1.5％的Sc的Al-Mg合金制成。
文檔編號(hào)B64C3/26GK101863307SQ20101014633
公開日2010年10月20日 申請(qǐng)日期2010年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月15日
發(fā)明者A·諾曼, F·A·博尼拉 申請(qǐng)人:阿勒里斯鋁業(yè)科布倫茨有限公司